作者：Jeff Shepard

　　工業(yè)4.0 依賴于制造電子產品的智能自動化。從邊緣到云端，傳感器、機器人和協(xié)作機器人、可編程邏輯控制器 (PLC) 和其他設備中的自動化能力越來越強。用于消費、綠色能源、汽車、醫(yī)療、工業(yè)、軍事/航空航天和其他應用的半導體晶圓、集成電路、無源元件、封裝和電子系統(tǒng)依賴于智能自動化進行生產。統(tǒng)一制造執(zhí)行系統(tǒng) (MES) 提供從原材料到成品的整個制造鏈的實時監(jiān)控、控制、跟蹤和記錄。

　　工業(yè)4.0 中的信息物理自動化系統(tǒng)超越了傳統(tǒng)的制造活動，依賴于各種形式的機器學習 (ML)，從云端的深度強化學習到邊緣的 tinyML，以實現靈活的生產、持續(xù)改進和始終如一的高質量。連接層數不斷增加，邊緣計算、工業(yè)物聯(lián)網 (IIoT) 和云計算的結合增加了與網絡安全相關的挑戰(zhàn)。區(qū)塊鏈最近進入了全面安全的供應鏈管理領域。

　　本文著眼于電子制造中的主要自動化趨勢，包括連接層的增加、對網絡安全的需求不斷增長、正在部署的 ML 的專門實施，以及可追溯性和 MES 如何支持實時生產指標和分析。在此過程中，我們回顧了完全實現工業(yè) 4.0 以高質量和低成本進行大規(guī)模定制的承諾所需的一些技術，包括 Dig-Key 如何 通過廣泛的解決方案支持自動化系統(tǒng)設計人員的需求。最后介紹了如何使用區(qū)塊鏈部署高度安全的企業(yè)級供應鏈管理系統(tǒng)。

　　增加連接層

　　工業(yè) 4.0 中的 IIoT 包括更多用于傳感器網絡、自主移動機器人 (AMR) 和其他系統(tǒng)的有線和無線網絡層。例如，IO-Link 的開發(fā)旨在為大量傳感器、執(zhí)行器、指示器和其他以前未連接的傳統(tǒng)邊緣設備提供簡化的有線網絡連接到更高級別的網絡，如以太網 IP、Modbus TCP/IP 和 PROFINET。借助 IO-Link，這些設備的輸入和輸出 (IO) 被捕獲并轉換為 IO-Link 協(xié)議，用于 IEC 61131-9 中定義的串行連接，使用 IEC 60974- 中定義的單根 4 線或 5 線非屏蔽電纜5-2(圖 1)。除了提供新的網絡層以捕獲有關工廠流程的更精細信息外，IO-Link 還支持快速部署和遠程配置、監(jiān)控、連接設備的診斷，以支持工業(yè) 4.0 工廠大規(guī)模定制所需的生產線和流程變更。

　　圖 1：IO-Link 可用于將傳感器和其他使用不同接口的設備連接到以太網、PROFINET 或 Modbus 網絡。 (圖片來源：邦納工程)

　　從傳感器 到機器人的無線 IIoT 設備也有助于不斷增長的網絡層。現代工廠使用各種無線協(xié)議，包括 Wi-Fi、5G、LTE 等。例如，AMR 結合使用機載傳感器和 Wi-Fi 連接來了解其環(huán)境、識別可能的障礙并安全高效地從一個地方移動到另一個地方。協(xié)作機器人 (cobots) 旨在與人協(xié)作以提高運營效率，并且通常需要無線連接。在某些情況下，AMR 會根據需要將協(xié)作機器人從一個任務轉移到另一個任務(圖 2)。

　　圖 2：AMR(底部)可以使用機載傳感器和無線連接的組合從一個地方導航到另一個地方，并將肘(頂部)移動到新的工作站。 (圖片來源：歐姆龍)

　　增加網絡危險

　　工業(yè)網絡中層數的增加，加上連接設備數量的激增，導致安全威脅向量和網絡危險不斷增加。已經制定了一些工業(yè)和物聯(lián)網特定的安全標準和方法，包括國際電工委員會 (IEC) 62443 和物聯(lián)網平臺安全評估標準 (SESIP)。

　　IEC 62443是由國際自動化學會(ISA)99委員會制定并經IEC批準的一系列標準。 IEC 62443 是一個 800 多頁的工業(yè)自動化和控制系統(tǒng) (IACS) 標準系列，分為 14 個小節(jié)和四個層級(圖 3)。定義組件的產品開發(fā)和安全要求的關鍵部分是：

　　IEC 62443-4-1：產品安全開發(fā)生命周期要求——定義了一個安全的產品開發(fā)生命周期，包括初始要求定義、安全設計和實施、驗證和驗證、缺陷和補丁管理以及生命周期結束。

　　IEC 62443-4-2：工業(yè)自動化和控制系統(tǒng)的安全性：IACS 組件的技術安全要求——規(guī)定了使組件能夠減輕給定安全級別威脅的安全功能。

　　圖 3：IEC 62443 是一套全面的 IACS 安全標準。 (圖片來源：IEC)

　　SESIP 由GlobalPlatform發(fā)布，定義了用于評估連接產品安全性的通用結構，并解決了物聯(lián)網特定的合規(guī)性、安全性、隱私和可擴展性挑戰(zhàn)。 SESIP 以安全功能要求 (SFR) 的形式提供組件和平臺上安全功能的明確定義。它還提供強度指標，以 1 到 5 的 SESIP“級別”形式衡量針對攻擊的穩(wěn)健性，其中 1 是自我認證，5 對應于廣泛的測試和第三方認證。

　　從云端到邊緣的機器學習

　　ML 是智能自動化的關鍵推動力，支持持續(xù)的流程改進和高質量的產品。神經網絡的使用是工業(yè) 4.0 中成熟的機器學習技術。它開始輔以云中的深度強化學習。深度強化學習將面向目標的算法框架添加到神經網絡核心。最初，強化學習僅限于玩游戲等可重復的環(huán)境;今天，算法可以在現實世界中更加模糊的環(huán)境中運行。未來，先進的強化學習實現可能會實現通用人工智能。

　　機器學習不只是在云端;它正在延伸到工廠車間的邊緣。工廠車間的工業(yè) PC和可編程控制器中的擴展槽越來越多地承載用于智能過程控制的 ML 和 AI 加速卡。

　　微型機器學習 (tinyML) 針對部署在低功耗應用程序中進行了優(yōu)化。 tinyML 在傳感器應用中的使用正在迅速增長。 tinyML 應用程序的一個示例是由電池或能量收集供電的邊緣設備中的 IIoT 傳感器分析。Arduino提供了一個微型機器學習套件，其中包括一個 Arduino Nano 33 BLE Sense 板，其中包含一個 MCU 和各種傳感器，可以監(jiān)控運動、加速度、旋轉、聲音、手勢、接近度、顏色、光強度和運動(圖 4) .還包括一個 OV7675 攝像頭模塊和一個 Arduino 擴展板。板載 MCU 可以實現基于 TensorFlow Lite 開源深度學習框架的深度神經網絡，用于設備上的推理。

　　圖 4：Arduino 的微型機器學習套件專為開發(fā) IIoT 傳感器應用而設計。 (圖片來源：Digi-Key)

　　實時指標和分析

　　實時指標和分析是智能自動化的重要方面。 Traceability 4.0 結合了前幾代可追溯性的產品可見性、供應鏈可見性和行項目可見性，并提供了產品各個方面的完整歷史記錄。此外，它還包括所有機器和工藝參數，并支持優(yōu)化制造工藝的整體設備效率 (OEE) 指標(圖 5)。

　　圖 5：Traceability 4.0 是支持工業(yè) 4.0 操作的多樣化要求的全面實施。 (圖片來源：歐姆龍)

　　從醫(yī)療設備制造到汽車和航空航天，可追溯性在許多行業(yè)都至關重要。就醫(yī)療設備而言，監(jiān)管要求要求廣泛的跟蹤和可追溯性。汽車和航空航天系統(tǒng)可能有數以萬計的零件需要跟蹤。這不僅僅是歷史的一部分;可追溯性包括跟蹤單個零件的幾何尺寸和公差 (GD&T)。 GD&T 支持根據精確的 GD&T 值進行精密制造和零件安裝，支持航空航天和汽車制造等行業(yè)的高精度裝配。

　　可追溯性可以提高實施產品召回的準確性和效率。它使制造商能夠識別所有受影響的產品以及任何有缺陷組件的供應商。

　　通過使用可追溯性可以加快糾正和預防措施。與產品召回一樣，了解產品的完整來源使制造商能夠有效地針對和安排現場產品的服務和維護活動。

　　可追溯性和 MES

　　包含可追溯性的統(tǒng)一 MES 實施可以生成一個可搜索的數據庫，其中包含與單個產品相關的所有信息，包括計劃設計和竣工結果。例如，可追溯性用于在生產開始前跟蹤單個組件和材料的到達情況，包括入站質量測試數據、供應工廠的位置等。 MES 根據計劃的設計驗證該信息，并將其輸入到配套操作和在制品數據庫中。

　　IIoT 提供的追溯數據與 MES 相結合，支持工業(yè) 4.0 中產品的大規(guī)模定制。 MES 能夠將正確的材料、流程和其他資源放在正確的位置，以確保最低的生產成本和最高質量的結果。此外，MES 和可追溯性可以結合并證明對政府法規(guī)的遵守情況，并使審計員或其他人可以根據需要隨時訪問數據。

　　區(qū)塊鏈

　　區(qū)塊鏈是一種去中心化或分布式數字分類賬系統(tǒng)，用于以防篡改和可驗證的方式記錄多方之間的交易。任何信任很重要的交易，如供應鏈管理，都是區(qū)塊鏈的潛在用途。在參與者眾多的供應鏈中，區(qū)塊鏈可以提高交易效率，使交易可驗證、不可篡改。在供應鏈活動中使用區(qū)塊鏈的好處的兩個例子包括：

　　取代人工流程。依賴簽名或其他形式的物理驗證的手動紙質流程可能會使用區(qū)塊鏈得到改進。限制是分類帳中的參與者范圍必須是有限的并且易于識別。擁有不斷變化的陌生客戶數據庫的快遞公司可能不是區(qū)塊鏈的理想選擇。具有有限且緩慢變化的可信賴供應商組的制造業(yè)務是一個很好的候選者。

　　加強溯源。區(qū)塊鏈可以為提高供應鏈透明度和滿足不斷增長的監(jiān)管和消費者信息要求提供一個很好的工具。例如，區(qū)塊鏈可以支持藥品供應鏈和安全法案以及美國食品和藥物管理局的唯一設備標識符授權。在汽車等行業(yè)，整個供應鏈的供應商都可以參與召回的實施，而區(qū)塊鏈可以為實施汽車行業(yè)行動小組發(fā)布的可追溯性指南提供一個很好的工具。

　　概括

　　作為工業(yè) 4.0 基礎的智能自動化的實施依賴于眾多技術，包括越來越多的具有有線和無線連接的網絡層，這導致了越來越復雜的網絡安全威脅。此外，機器學習正在從邊緣到云端實施，以支持實時指標和分析，包括可追溯性和統(tǒng)一 MES。最后，引入區(qū)塊鏈技術以支持防篡改和可驗證的數據庫。