【導讀】24小時(shí)連續作業(yè)，無(wú)人工干預，機器自助配合，質(zhì)量遠程監控……產(chǎn)業(yè)界將具備這些特點(diǎn)的工廠(chǎng)定義為“熄燈工廠(chǎng)”，也可稱(chēng)為“關(guān)燈工廠(chǎng)”或“黑燈工廠(chǎng)”。當前，全球頭部品牌的汽車(chē)制造工廠(chǎng)，智能手機/PC代工廠(chǎng)，很多都是以“熄燈工廠(chǎng)”標準來(lái)打造。
24小時(shí)連續作業(yè)，無(wú)人工干預，機器自助配合，質(zhì)量遠程監控……產(chǎn)業(yè)界將具備這些特點(diǎn)的工廠(chǎng)定義為“熄燈工廠(chǎng)”，也可稱(chēng)為“關(guān)燈工廠(chǎng)”或“黑燈工廠(chǎng)”。當前，全球頭部品牌的汽車(chē)制造工廠(chǎng)，智能手機/PC代工廠(chǎng)，很多都是以“熄燈工廠(chǎng)”標準來(lái)打造。
“熄燈工廠(chǎng)”的架構和價(jià)值
“熄燈工廠(chǎng)”代表著(zhù)全自動(dòng)化的生產(chǎn)流程。通過(guò)“關(guān)燈”運轉模式，工廠(chǎng)在生產(chǎn)效率和庫存周期等方面得到明顯改善，助力企業(yè)的可持續發(fā)展戰略。達沃斯世界經(jīng)濟論壇與管理咨詢(xún)公司麥肯錫將這些先進(jìn)的工廠(chǎng)定義為“燈塔工廠(chǎng)”，截至目前，全球共有132座“燈塔工廠(chǎng)”，其中50座位于中國。
“熄燈工廠(chǎng)”作為工業(yè)4.0的典型應用，其體系架構和工業(yè)4.0類(lèi)似，如下圖所示。
圖1：工業(yè)4.0體系框圖（圖源：Plattform Industrie 4.0）
這樣看可能不夠具體，我們以富士康工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的智能工廠(chǎng)架構來(lái)具體看一下“熄燈工廠(chǎng)”的組成。如下圖所示，“熄燈工廠(chǎng)”是富士康工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的主要應用之一，其非常大的改變是軟硬件對人的替代：系統中的決策者變成了各種智能軟件系統，管理者則是操作系統配合硬件系統，執行者是各種終端設備。
圖2：富士康工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)云架構和“熄燈工廠(chǎng)”應用（圖源：富士康）
在人工成本快速上漲，產(chǎn)品迭代速度日益加快的大背景下，“熄燈工廠(chǎng)”是工業(yè)制造領(lǐng)域發(fā)展的必然趨勢，帶來(lái)了更高的柔性生產(chǎn)效率和協(xié)同生產(chǎn)能力。同時(shí)，“熄燈工廠(chǎng)”具備更高效、高質(zhì)量的自動(dòng)質(zhì)量檢測能力，有效避免了人工主觀(guān)造成的漏檢與誤檢，能大幅提高產(chǎn)品交付質(zhì)量。當然，“熄燈工廠(chǎng)”并不意味著(zhù)完全無(wú)人化，只是將生產(chǎn)、決策、調度的權利留給了前端設備，極少數的人員在后端負責監管和運維。
通過(guò)圖2我們能夠清晰地看到，“熄燈工廠(chǎng)”的企業(yè)層主要由各種功能軟件和系統組成，車(chē)間層主要是各種硬件系統和連接技術(shù)，設備層則是具體的設備和儀器?！跋艄S(chǎng)”涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括云計算、大數據、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、自動(dòng)質(zhì)量和工業(yè)自動(dòng)化等，這些關(guān)鍵技術(shù)均以電子元器件為基礎構建底層系統，這是貿澤電子攜手原廠(chǎng)為產(chǎn)業(yè)發(fā)揮賦能價(jià)值的地方。
為了持續提升這些核心技術(shù)的整體性能，信號鏈、微控制器、傳感器、網(wǎng)關(guān)芯片和電源管理芯片等也在持續突破。以傳感器為例，已經(jīng)不僅是簡(jiǎn)單地將物理信號轉換為數字信號，在小型化、集成化的前提下，也逐步具備了智能化的能力。
下面我們就來(lái)具體看一下，構建“熄燈工廠(chǎng)”可以用到哪些性能領(lǐng)先的電子元器件。
“熄燈工廠(chǎng)”中的機器視覺(jué)
上面已經(jīng)提到，“熄燈工廠(chǎng)”一大顯著(zhù)特點(diǎn)是僅需要少數幾個(gè)人根據現場(chǎng)信號燈來(lái)解決一些突發(fā)情況。我們都知道在傳統工廠(chǎng)中很多工作需要人眼去做判斷，那么機器在執行相同的操作，甚至是更復雜的操作時(shí)，也需要具備這種視覺(jué)能力，這就是為什么機器視覺(jué)會(huì )如此被重視。
GGII數據顯示，2022年中國機器視覺(jué)市場(chǎng)規模為170.65億元，預計到2027年將達到565.65億元，其中2D視覺(jué)市場(chǎng)規模將達到407.15億元，3D視覺(jué)市場(chǎng)規模將達到158.5億元?？焖僭鲩L(cháng)的機器視覺(jué)技術(shù)在“熄燈工廠(chǎng)”里主要從事以下幾方面的工作：
#01. 引導定位
為了讓包括機械臂在內的產(chǎn)線(xiàn)設備能夠找準目標物的位置，基于圖像處理和分析技術(shù)的視覺(jué)定位引導系統便是系統中不可或缺的一部分，在上下料、生產(chǎn)、裝配等環(huán)節發(fā)揮重要作用，其配置模式包括固定機位模式、移動(dòng)機位模式以及混合模式。
#02. 外觀(guān)檢測
機器視覺(jué)質(zhì)檢技術(shù)是一種信號鏈、無(wú)損傷的自動(dòng)檢測技術(shù)，過(guò)往這是生產(chǎn)制造環(huán)節用人工較多的地方，換用機器視覺(jué)檢測系統之后，在尺寸檢測、形狀檢測、外觀(guān)缺陷檢測等方面得到明顯改善。
#03. 高精度檢測
在檢測環(huán)節，引入機器視覺(jué)之后，系統檢測的能力已經(jīng)超出人類(lèi)極限，可以實(shí)現毫米級，甚至是微米級的檢測，比如電路板引腳檢測、硬幣字符檢測等。
#04. 識別和分揀
機器視覺(jué)能夠對圖像進(jìn)行處理、分析和理解，以識別各種不同模式的目標和對象，主要的識別手段包括Blob分析法（BlobAnalysis）、模板匹配法和深度學(xué)習法。同時(shí)，系統基于識別的結果還可以進(jìn)一步結合機械臂增加分揀環(huán)節，這在目前的倉儲和快遞行業(yè)已經(jīng)非常普遍。
因此，機器視覺(jué)是實(shí)現工業(yè)自動(dòng)化和智能化的必要手段，相當于人類(lèi)視覺(jué)在機器上的延伸，具備精確性、持續性、高效性和可重復性等特點(diǎn)。為了幫助大家更好地打造機器視覺(jué)方案，在此我們?yōu)榇蠹彝扑]一款來(lái)自制造商ADI的100萬(wàn)像素飛行時(shí)間模塊，貿澤電子官網(wǎng)上該器件的料號為ADTF3175BMLZ。
圖3：ADTF3175 100萬(wàn)像素飛行時(shí)間模塊（圖源：貿澤電子）
ADTF3175基于A(yíng)DSD3100進(jìn)行設計，集成了用于成像器的鏡頭和光學(xué)帶通濾波器、包含光學(xué)元件的紅外照明源、激光二極管、激光二極管驅動(dòng)器和光電檢測器、閃存以及電源穩壓器，可產(chǎn)生本地電源電壓。
圖4：ADTF3175模塊系統框圖（圖源：ADI）
作為ADTF3175模塊的核心，ADSD3100是一款100萬(wàn)像素CMOS間接飛行時(shí)間（ITF）成像器，設計用于高分辨率3D深度傳感和視覺(jué)系統。該芯片支持1024（水平）×1024（垂直）像素陣列，3.5μm×3.5μm方形像素，以及1/3.6英寸光學(xué)格式。
圖5：ADSD3100系統框圖（圖源：ADI）
ADSD3100通過(guò)移動(dòng)行業(yè)處理器接口(MIPI)、攝像頭串行接口2（CSI-2）接口與主機系統進(jìn)行電氣連接，這一點(diǎn)在A(yíng)DTF3175模塊上得到了充分利用。同時(shí)，ADTF3175模塊編程和操作通過(guò)4線(xiàn)SPI和I2C串行接口進(jìn)行控制。
除了機器學(xué)習系統以外，ADTF3175模塊還可用于機器人、樓宇自動(dòng)化和增強現實(shí)(AR)系統等應用方向。
“熄燈工廠(chǎng)”中的狀態(tài)監測
機器視覺(jué)的應用很多都是為了讓工業(yè)制造系統清晰地了解產(chǎn)品的狀態(tài)量，其實(shí)系統自身的狀態(tài)量監測也很重要。如果系統能夠及時(shí)發(fā)現和預測出故障的發(fā)生，將會(huì )大幅度提升設備運行的可靠性。
一般而言，設備從正常運轉到發(fā)生故障停機，有一個(gè)發(fā)生和發(fā)展的過(guò)程，很多故障并不是突發(fā)的。因此，在“熄燈工廠(chǎng)”里都會(huì )有一個(gè)工況監測系統，屬于設備管理系統的一部分。通過(guò)這個(gè)系統，能夠準確把握系統中各設備的運轉情況。這樣做對于產(chǎn)線(xiàn)良率的保持也很有幫助。
作為MEMS慣性元件的一種，MEMS加速度計能夠測量物體的加速力，從而得到物體的振動(dòng)和位置信息，讓物體能夠了解自身狀態(tài)，因此在“熄燈工廠(chǎng)”里得到廣泛應用，典型應用包括振動(dòng)檢測、姿態(tài)控制、安防報警、狀態(tài)記錄、動(dòng)作識別等。
接下來(lái)，我們便為大家介紹一款性能領(lǐng)先的MEMS加速計，同樣是來(lái)自制造商ADI，貿澤電子官網(wǎng)上，該器件的料號為ADXL367BCCZ-RL7。
圖6：ADXL367 MEMS加速計（圖源：貿澤電子）
ADXL367 MEMS加速計是一款超低功耗三軸微機電系統(MEMS)加速計，在100Hz輸出數據速率下僅消耗0.89μA電流，在運動(dòng)觸發(fā)喚醒模式下消耗180nA電流。與使用功率占空比來(lái)實(shí)現低功耗的加速計不同，ADXL367沒(méi)有通過(guò)欠采樣混疊輸入信號，而是采用全數據速率對傳感器的整個(gè)帶寬進(jìn)行采樣。器件內部的低通濾波器轉角自動(dòng)設置，以確保滿(mǎn)足奈奎斯特采樣準則。
圖7：ADXL367 MEMS加速計在幾種電源電壓下的電流消耗與輸出數據率（圖源：ADI）
ADXL367 MEMS加速計具有14位恒定輸出分辨率。同時(shí)，在較低分辨率足夠時(shí)，還提供8位格式化數據實(shí)現更高效的單字節傳送。為了兼容ADXL362設計，還支持12位格式化數據。該器件具有±2g、±4g和±8g測量范圍可供選擇，在±2g范圍內，分辨率為0.25mg/LSB。
ADXL367是一款高集成、多性能的器件，內置微功率溫度傳感器，用于同步轉換額外模擬輸入和具有中斷能力的內部模數轉換器(ADC)、可以在任何輸出數據速率下工作和僅增加35nA電流的單擊和雙擊檢測，以及防止誤觸發(fā)的狀態(tài)機。
圖8：ADXL367 MEMS加速計功能框圖（圖源：ADI）
圖9：ADXL367單擊和雙擊檢測（圖源：ADI）
ADXL367 MEMS加速計提供深度多模輸出先進(jìn)先出(FIFO)功能。
圖10：ADXL367 MEMS加速計FIFO讀取功能（圖源：ADI）
圖11：ADXL367 MEMS加速計SPI FIFO讀取功能（圖源：ADI）
除了24/7全天候不間斷感測和工業(yè)應用以外，ADXL367 MEMS加速計還可用于運動(dòng)使能省電開(kāi)關(guān)、運動(dòng)使能計量設備、數字醫療保健、單節電池供電的智能手表、智能家居、產(chǎn)銷(xiāo)合一商品和生命體征監控設備等應用中。
“熄燈工廠(chǎng)”的下一步：精益化
“熄燈工廠(chǎng)”的廣泛部署打通了離散制造企業(yè)的設備、網(wǎng)絡(luò )、控制、車(chē)間、企業(yè)間的信息流與控制流，幫助企業(yè)實(shí)現了數字化和智能化升級。不過(guò)，當前很多“熄燈工廠(chǎng)”解決的痛點(diǎn)還主要是機器替代人工，雖然提高了生產(chǎn)效率，不過(guò)對于生產(chǎn)任務(wù)的變動(dòng)不能靈活地響應。在生產(chǎn)的過(guò)程中，大部分自動(dòng)化設備只能從事簡(jiǎn)單重復的工作，對于使用復雜系統的產(chǎn)品生產(chǎn)難以勝任。另外，有些企業(yè)為了強制性推動(dòng)“熄燈工廠(chǎng)”的概念，導致工廠(chǎng)能耗大幅度上漲。
因此，“熄燈工廠(chǎng)”下一步發(fā)展趨勢是精益化。精益化首先要求“熄燈工廠(chǎng)”各環(huán)節的設備和系統需要具備更高的智能化水平，與時(shí)下另一大熱門(mén)理念——“柔性生產(chǎn)”進(jìn)行融合，從機械自動(dòng)化邁向柔性自動(dòng)化，對產(chǎn)品具有自主建模、自主規劃的能力。
精益化其次是要求“熄燈工廠(chǎng)”和企業(yè)的可持續發(fā)展戰略相一致，在提升生產(chǎn)效率的同時(shí)降低工廠(chǎng)整體能耗，持續降低制造型企業(yè)的碳排放，助力工業(yè)的“雙碳目標”實(shí)現。
從“熄燈工廠(chǎng)”后續發(fā)展態(tài)勢不難看出，智能化和低功耗的屬性是非常明顯的，這就要求應用于這一方向的元器件同樣具備這些特征，當然這也是貿澤電子元器件新品的賣(mài)點(diǎn)。
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