無論你是否承認，21世紀以來，科學技術的不斷進步，似乎成了人類前行的無形推手，改變著我們的個人生活，企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營。而剛剛過去的2020年，也是讓無數(shù)企業(yè)難以忘懷的一年。進入后“疫情”時代，非接觸式生產(chǎn)，減少聚集等詞匯被越來越多的提起，生產(chǎn)方式的改變和升級也變得越來越迫切。而其中非常重要的話題，便是如何利用技術的進步，把工廠的運轉(zhuǎn)變得更加高效。
在工業(yè)生產(chǎn)與制造流程中，對于自動化的需求日益增長，這催生了對于視覺系統(tǒng)更高的需求。如今，智慧視覺系統(tǒng)不僅僅出現(xiàn)在消費電子，也越來越滲透于工業(yè)生產(chǎn)的流程。視覺系統(tǒng)能夠捕捉影像，作為一個龐大控制系統(tǒng)的一部分，具備與工廠中其他設備進行實時交換數(shù)據(jù)與通信的能力。另外，更加高效可靠的通信協(xié)議也正在嶄露頭角，多重新技術的相互配合，實現(xiàn)不同于傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)。
工業(yè)4.0時代下生產(chǎn)制造的新需求
進入工業(yè)4.0時代，車間不再是一個簡單的流水線生產(chǎn)場所，而是漸漸發(fā)展成了一個相互配合的，具備強大邊緣計算、實時交互能力的龐大系統(tǒng)，不僅能提高產(chǎn)能、降低成本，還將催化大規(guī)模定制生產(chǎn)。要實現(xiàn)這樣的工作模式，便需要生產(chǎn)系統(tǒng)能夠融合機器學習能力，強大的視覺，工業(yè)級的實時通信以及精準的自動化控制。
非接觸式人機交互
首先是針對人機交互方面，要求系統(tǒng)具備接受非接觸式指令的能力，包括高效的人臉識別，手勢與動作識別等。
集中式工業(yè)控制網(wǎng)絡
另外，要求系統(tǒng)能夠在單路以太網(wǎng)電纜中支持多個應用，基于先進的通信協(xié)議，在復雜的工廠自動化系統(tǒng)中實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o縫銜接，提高數(shù)據(jù)收發(fā)的實時性與帶寬的充分利用。
分布式驅(qū)動控制
當下的以太網(wǎng)技術已經(jīng)能夠?qū)⒖煽氐臅r延和信號抖動考慮在內(nèi)，對系統(tǒng)進行精確的控制。對于分布式的多個設備實現(xiàn)電機控制。
恩智浦近日在官方網(wǎng)站發(fā)布了恩智浦技術展廳客戶體驗平臺，以更好的向客戶展示恩智浦所構想的基于旗下不同產(chǎn)品所搭建的未來城市解決方案。其中針對工業(yè)自動化領域，展廳清晰直白的演示了工業(yè)4.0背景下，融合了機器學習（Machine Learning）與時間敏感網(wǎng)絡（TSN）技術的智慧工廠運作模型。
智慧工廠場景下，首先需要一系列的機器時刻運作于待機狀態(tài)，等待操作員運送工件。機器集成了超低功耗的攝像頭模塊，實時監(jiān)控著收件區(qū)域。一旦在監(jiān)控區(qū)域范圍內(nèi)檢測到了人臉，即有人進入監(jiān)控區(qū)域范圍內(nèi)，就會喚醒一系列牽涉到機器學習技術的識別流程，包括對于操作人員的人臉識別，對于所到工件的物體識別，手勢識別也相應被激活。
首先，機器識別人臉信息，進行操作員的認證，在確保該人員為工廠操作員后，激活手勢識別。在本次演示中，操作員離開推車，并將雙手高舉起來，表示工件已經(jīng)順利運達指定區(qū)域，示意系統(tǒng)可以開始操作。接下來的流程將會由機器與系統(tǒng)配合進行，同時低功耗的攝像頭也會在此時再次進入待機狀態(tài)，等候下一次的工件運送。
接著我們的視線轉(zhuǎn)向集中工業(yè)網(wǎng)絡方面。時間敏感型網(wǎng)絡（time sensitive network，TSN）是目前國際產(chǎn)業(yè)界正在積極推動的全新工業(yè)通信技術。這一技術允許周期性與非周期性數(shù)據(jù)在同一網(wǎng)絡中傳輸。TSN的出現(xiàn)更好的服務時間敏感應用及系統(tǒng)，保證數(shù)據(jù)在準確的時間內(nèi)以最小的時間抖動進行傳輸。這里借助時間敏感網(wǎng)絡（TSN）技術，利用以太網(wǎng)作為現(xiàn)場總線，實現(xiàn)高效的流量分配，對于高優(yōu)先級的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)能夠自發(fā)的進行傳輸，通過更精準的時間同步控制，最大程度利用總線帶寬。
我們再來近距離了解工業(yè)4.0背景下，生產(chǎn)系統(tǒng)中的生產(chǎn)設備。智慧工廠要求系統(tǒng)具備低延遲和高魯棒性的基本特點。對于電機控制也有更高的實時性要求。而TSN低延遲，高確定性，低抖動的特點能夠幫助實時數(shù)據(jù)和指令可靠的在同一個現(xiàn)場總線進行傳輸，帶來更好的電機控制整體表現(xiàn)。
縱覽智慧工廠的整個系統(tǒng)網(wǎng)絡，TSN不僅僅作用于智慧工廠的某一特定設備節(jié)點，也可能貫穿整個系統(tǒng)。利用TSN高等級的時鐘同步與多重數(shù)據(jù)同時傳輸?shù)哪芰?，在同一網(wǎng)絡中可能同時存在多個工業(yè)協(xié)議的通信過程。
智慧工業(yè)網(wǎng)絡如今面臨了前所未有的網(wǎng)絡化，標準化和網(wǎng)絡安全的要求。針對這些方面訴求，基于以太網(wǎng)的 OPC UA（Open Platform Communications – Unified Architecture，開放平臺通信 - 統(tǒng)一架構）通信標準正在快速發(fā)展。OPC UA提供完整的架構，讓數(shù)據(jù)采集、信息模型化以及工廠底層與企業(yè)層面之間的通訊更加安全、可靠。利用這一開放的平臺架構，進行智慧工廠監(jiān)控，上至工廠下至現(xiàn)場設備，例如傳感器和驅(qū)動等，OPC UA提供了充分的透明度，使數(shù)據(jù)變得更安全。
恩智浦智慧工廠解決方案
時間敏感網(wǎng)絡，OPC UA發(fā)布，工業(yè)PLC
作為智慧工廠的“中樞”，恩智浦Layerscape LS1028A工業(yè)應用處理器基于強大的多核Cortex-A72，集成以太網(wǎng)控制器支持TSN，帶有豐富的工業(yè)接口以及可配置的加密分流引擎。另外還集成了GPU與LCD控制器滿足一定人機交互的需求，可應用于智慧工廠網(wǎng)絡管理，OPC UA客戶端。
此外，工業(yè)可編程邏輯控制器（PLC）作為智慧工廠典型的數(shù)字運算操作系統(tǒng)，要求強大的可編程邏輯執(zhí)行能力，對于時間敏感網(wǎng)絡的響應支持等。LS1028A工業(yè)應用處理器也能夠很好的應用。
豐富的人機交互，機器學習
全新上市的i.MX 8M Plus應用處理器專注于機器學習和視覺、高級多媒體以及具有高可靠性的工業(yè)自動化，適用于智慧工廠的人機交互，圖像識別應用。
i.MX 8M Plus應用處理器基于強大的4核Cortex-A53，集成神經(jīng)網(wǎng)絡加速單元，MIPI顯示與攝像頭接口，并集成了圖像處理單元（ISP）用于圖像處理與圖像增強，能夠勝任智慧工廠的動作識別，人臉識別，工廠實時監(jiān)控系統(tǒng)等。同時，i.MX 8M Plus還支持h.265編解碼，集成3D/2D圖形加速及多種音頻功能，助力開發(fā)者基于該處理器設計工業(yè)人機交互界面與操作面板。
電機控制
同樣支持千兆以太網(wǎng)與TSN的工業(yè)級微控制器——i.MX RT1170為智慧工廠終端電機控制保駕護航。i.MX RT1170采用主頻達1GHz的Cortex-M7內(nèi)核和主頻達400MHz的Arm Cortex-M4內(nèi)核，自帶2MB SRAM，集成MIPI顯示與攝像頭接口，提供一定的實時監(jiān)控與圖像捕捉能力。
隨著智慧工廠從概念到走向普及，工業(yè)4.0也在悄然發(fā)生變化。其中針對機器學習與人工智能的需求越來越強烈，對于工業(yè)網(wǎng)絡低延遲和魯棒性的要求越來越高，這一系列的進步都離不開全新的技術和產(chǎn)品的支持。恩智浦基于全新量產(chǎn)的數(shù)款微控制器，處理器產(chǎn)品，描繪了一個智慧工廠的藍本，也期待著智慧工廠的形態(tài)走向越來越多的生產(chǎn)車間，進一步提高整個社會的生產(chǎn)力水平與生產(chǎn)效率。