摘要

您nin對dui數shu字zi工gong廠chang的de運yun作zuo方fang式shi感gan興xing趣qu？本ben文wen將jiang數shu字zi工gong廠chang的de工gong作zuo原yuan理li與yu人ren體ti的de運yun作zuo機ji製zhi相xiang類lei比bi，概gai述shu了le數shu據ju作zuo為wei數shu字zi工gong廠chang命ming脈mai的de重zhong要yao性xing。文wen中zhong還hai探tan討tao了le數shu字zi工gong廠chang如ru何he通tong過guo智zhi能neng邊bian緣yuan洞dong察cha幫bang助zhu提ti高gao製zhi造zao工gong廠chang運yun營ying效xiao率lv。

簡介

shuzigongchangshijiyushujuyunxingdexitong，qizhonggezuchengyaosuxietonggongzuo，yiyouhuagongchangchejiandeyunyingxiaolv。zaimouxiefangmian，takeyiyurentixiangleibi。chuanganqichongdangyanjingheerduo，shizhongyangkongzhiqi（或大腦）能(neng)夠(gou)了(le)解(jie)周(zhou)圍(wei)環(huan)境(jing)。執(zhi)行(xing)器(qi)充(chong)當(dang)肌(ji)肉(rou)
，根(gen)據(ju)需(xu)要(yao)做(zuo)出(chu)調(tiao)整(zheng)。工(gong)廠(chang)連(lian)接(jie)網(wang)絡(luo)相(xiang)當(dang)於(yu)部(bu)署(shu)在(zai)全(quan)身(shen)的(de)神(shen)經(jing)係(xi)統(tong)
，而(er)皮(pi)膚(fu)則(ze)代(dai)表(biao)對(dui)數(shu)據(ju)保(bao)護(hu)至(zhi)關(guan)重(zhong)要(yao)的(de)網(wang)絡(luo)安(an)全(quan)技(ji)術(shu)。

數字工廠的優勢

zaitantaoshuzigongchangdezuchengbufenzhiqian，womenshouxiangaishuyixiaqiyoushi。shuzigongchangdeyoushizhuyaotixianweitigaoshengchanli，jinercushizhizaoyegejufashengbiange。laizishuzigongchangshengtaixitongdexinjianjieyouzhuyuweishishijuecetigongxinxi。yinci，chanpinzhiliangdedaogaishan


，zhengtiyunyingxiaolvgenggao，zuizhongshixiangengjiakechixudeshengchanliucheng。gongyebumenxiaohaodenengyuanyuezhanquanqiuzongnenghaode50%
，1對dui於yu以yi淨jing零ling排pai放fang為wei目mu標biao的de製zhi造zao商shang來lai說shuo
，數shu字zi互hu聯lian工gong廠chang是shi這zhe場chang變bian革ge的de核he心xin。除chu了le可ke持chi續xu性xing優you勢shi之zhi外wai，數shu字zi工gong廠chang還hai提ti供gong靈ling活huo性xing和he實shi時shi配pei置zhi能neng力li，以yi快kuai速su響xiang應ying千qian變bian萬wan化hua的de消xiao費fei者zhe需xu求qiu。例li如ru，在zai醫yi療liao健jian康kang領ling域yu
，人ren們men對dui個ge性xing化hua醫yi療liao器qi械xie的de需xu求qiu日ri益yi增zeng長chang，如ru根gen據ju患huan者zhe個ge體ti的de身shen體ti結jie構gou量liang身shen定ding製zhi的de3D打(da)印(yin)關(guan)節(jie)植(zhi)入(ru)物(wu)等(deng)。隨(sui)著(zhe)工(gong)廠(chang)設(she)計(ji)變(bian)得(de)更(geng)加(jia)模(mo)塊(kuai)化(hua)
，生(sheng)產(chan)單(dan)元(yuan)變(bian)得(de)更(geng)小(xiao)且(qie)適(shi)應(ying)性(xing)更(geng)強(qiang)，工(gong)作(zuo)流(liu)程(cheng)可(ke)以(yi)實(shi)時(shi)安(an)排(pai)和(he)更(geng)改(gai)，從(cong)而(er)提(ti)升(sheng)製(zhi)造(zao)速(su)度(du)，並(bing)支(zhi)持(chi)在(zai)歐(ou)洲(zhou)和(he)北(bei)美(mei)實(shi)施(shi)具(ju)有(you)成(cheng)本(ben)競(jing)爭(zheng)力(li)的(de)本(ben)地(di)生(sheng)產(chan)流(liu)程(cheng)。

圖1.數字工廠剖析

圖2.數字工廠的優勢。

數據——數字工廠的命脈

源自全工廠多個來源的實時和非實時數據，必須在智能邊緣（產生數據的地方）進(jin)行(xing)快(kuai)速(su)可(ke)靠(kao)的(de)分(fen)析(xi)，並(bing)在(zai)中(zhong)心(xin)層(ceng)麵(mian)進(jin)行(xing)彙(hui)總(zong)，從(cong)而(er)揭(jie)示(shi)整(zheng)個(ge)工(gong)廠(chang)運(yun)作(zuo)的(de)全(quan)貌(mao)。從(cong)這(zhe)些(xie)數(shu)據(ju)得(de)出(chu)的(de)運(yun)營(ying)洞(dong)察(cha)對(dui)於(yu)充(chong)分(fen)釋(shi)放(fang)工(gong)廠(chang)的(de)全(quan)部(bu)運(yun)行(xing)效(xiao)率(lv)潛(qian)力(li)至(zhi)關(guan)重(zhong)要(yao)。

傳感器——數字工廠的“耳目”

工廠需要部署更多傳感器並通過各種檢測（例如溫度
、壓力、流量、接近度和振動）來獲取必要的數據。為了持續感知、測量
、解讀工廠資產，工廠需要精密測量和檢測技術。IO-Link®技術使傳感器變得智能化。壓力傳感器可在本地判斷壓力是否超過所需閾值，因此隻需要向控製器提供單比特的布爾型變量（是或否），它隻代表一位數據
，而不是表示實際壓力測量結果的完整數字值。本地化決策可節省通信和處理時間，實現高效的分布式控製。

執行器——數字工廠的肌肉

執行器通常是數字工廠的無名英雄，相當於人體中的肌肉，對於完成工作至關重要。執行器用於控製閥門、活塞和其他機械裝置。它們可以準確控製流體的流動，確保將正確數量的物料輸送到流程的每個部分。

傳感器和執行器都需要耐受應用的環境條件。工廠環境很惡劣，存在高溫、電磁(EMC)輻射
、電源電壓瞬態尖峰、機ji械xie振zhen動dong等deng等deng。對dui於yu這zhe些xie邊bian緣yuan檢jian測ce和he驅qu動dong係xi統tong，電dian力li傳chuan輸shu是shi另ling一yi個ge關guan鍵jian考kao慮lv因yin素su。隨sui著zhe傳chuan感gan器qi和he執zhi行xing器qi越yue來lai越yue小xiao
，對dui電dian力li傳chuan輸shu的de性xing能neng要yao求qiu也ye越yue來lai越yue高gao，同tong時shi信xin號hao采cai集ji的de精jing度du和he質zhi量liang也ye不bu斷duan提ti高gao。這zhe就jiu需xu要yao高gao效xiao
、低噪聲、xiaochicundedianyuanguanlijiejuefangan。duiyukongjiantongchangshouxiandeshejieryan，zhezhongjiejuefanganzhiguanzhongyao。ruguomeiyoushihetedingjianceyaoqiudebiyaodianyuanjishu，jiuwufashixianshuzigongchangdeshishikepeizhiyoushi。

圖3.現代數字工廠的構建模塊

邊緣智能和中央智能——數字工廠的大腦

鑒(jian)於(yu)數(shu)字(zi)工(gong)廠(chang)要(yao)求(qiu)邊(bian)緣(yuan)設(she)備(bei)具(ju)有(you)更(geng)多(duo)功(gong)能(neng)和(he)更(geng)高(gao)水(shui)平(ping)的(de)智(zhi)能(neng)，設(she)備(bei)本(ben)身(shen)必(bi)須(xu)進(jin)行(xing)更(geng)多(duo)的(de)計(ji)算(suan)和(he)分(fen)析(xi)，以(yi)實(shi)現(xian)本(ben)地(di)化(hua)決(jue)策(ce)。為(wei)了(le)實(shi)現(xian)這(zhe)種(zhong)邊(bian)緣(yuan)自(zi)主(zhu)性(xing)，需(xu)要(yao)本(ben)地(di)人(ren)工(gong)智(zhi)能(neng)(AI)/機器學習(ML)引擎、低功耗加速器、更geng大da的de內nei存cun和he處chu理li能neng力li。傳chuan感gan器qi融rong合he是shi另ling一yi種zhong類lei型xing的de邊bian緣yuan智zhi能neng
，其qi中zhong來lai自zi多duo個ge不bu同tong類lei型xing傳chuan感gan器qi的de數shu據ju可ke以yi同tong步bu結jie合he以yi呈cheng現xian更geng準zhun確que的de測ce量liang結jie果guo——這是使用任何單個傳感器所不能實現的。借助新型高精度和高帶寬ADC，單個傳感器前端可用於監控多個傳感器元件，從而節省空間和功耗。AI微控製器技術使神經網絡能夠以超低功耗運行
，而低功耗發射器可以增強遠程加工廠（通常是智能工廠的延伸）的診斷能力。

圖4.通過智能傳感器實現邊緣自主

連接——數字工廠的神經係統

。雖然邊緣設備具有自主性，但對於製造商來說

，要從大量可用數據中提取有價值且能提高生產力的洞察信息
，傳輸
、分析這些數據並將其與工廠內現有信息流合並的能力至關重要。這需要低延遲
、有時限、低功耗

、穩健的工業連接技術。10BASE-T1L是一種以太網物理層標準(IEEE 802.3cg-2019)
，旨在通過與現場設備（傳感器和執行器）建立無縫以太網連接來顯著提高工廠運營效率
，變革過程自動化行業。

圖5.數字工廠內的IT/OT融合

在當今的工廠中，信息技術(IT)網絡部署在辦公室/企業層級。IT網絡傳統上關注數據存儲
、shujufenxiheyewuyingyongchengxudengshiwu。zhexiedouhenzhongyao，dantongchangbuxianggongchangchejiandeshujujiaohuannayangduishijianyaoqiufeichangkeke。zaigongchangchejianyunxingshengchanxiandewangluochengweiyunyingjishu(OT)控製網絡。在這種控製網絡中，可能存在多個不同的生產單元或機器，它們相互通信的能力通常有限。數字工廠中的IT/OT網絡融合概念改變了這一切。它提供一個統一的工廠網絡
，所有設備、機器和機器人都連接在網絡中或進行互連，並使用相同的語言。每個IP可尋址設備都能實時或近乎實時地通信，並且可以獨立於網絡上的其他設備進行配置。這種融合數字工廠網絡的關鍵支持技術包括：工業以太網、時間敏感網絡(TSN)、Ethernet-APL（高級物理層）和IO-Link。所有設備都使用相同的第2層語言，因此現在可以使用相同的控製和網絡管理係統來控製網絡的IT和OT部bu分fen，同tong時shi不bu會hui影ying響xiang運yun營ying網wang絡luo的de時shi間jian敏min感gan流liu量liang。時shi間jian關guan鍵jian型xing流liu量liang和he非fei時shi間jian關guan鍵jian型xing流liu量liang都dou很hen龐pang大da，要yao求qiu升sheng級ji網wang絡luo以yi增zeng加jia帶dai寬kuan，確que保bao無wu延yan遲chi的de數shu據ju傳chuan輸shu

，這zhe對dui於yu提ti高gao製zhi造zao工gong廠chang的de產chan品pin質zhi量liang和he運yun營ying效xiao率lv至zhi關guan重zhong要yao。OT和IT的融合釋放出幾乎無限的擴展機會。

網絡安全——保護可信數字工廠數據的皮膚層

隨著互聯互通程度的提高，智能工廠環境將人員、技術、流程和知識產權暴露於網絡威脅之下
，因此需要加強數據安全保護。為了應對安全挑戰，數字工廠亟需發展安全引導
、安全軟件更新、安an全quan傳chuan輸shu認ren證zheng和he硬ying件jian信xin任ren根gen等deng功gong能neng。保bao護hu網wang絡luo安an全quan的de一yi個ge基ji本ben方fang麵mian是shi對dui嚐chang試shi連lian接jie到dao網wang絡luo的de每mei個ge新xin設she備bei進jin行xing身shen份fen驗yan證zheng。這zhe包bao括kuo先xian檢jian查zha該gai設she備bei是shi否fou是shi正zheng品pin
，隻zhi有you是shi正zheng品pin才cai授shou權quan與yu之zhi進jin行xing網wang絡luo事shi務wu處chu理li。與yu設she備bei身shen份fen驗yan證zheng一yi樣yang，安an全quan引yin導dao也ye是shi必bi須xu具ju備bei的de

，以yi確que保bao現xian場chang設she備bei僅jin執zhi行xing來lai自zi可ke信xin來lai源yuan的de軟ruan件jian，並bing采cai用yong公gong鑰yao加jia密mi技ji術shu來lai驗yan證zheng固gu件jian的de數shu字zi簽qian名ming。

目前有哪些技術解決方案可用？

一直以來
，ADI公司以其創新的精密技術而受到重視
，這些技術可用於檢測、測量、準確控製整個工廠的設備。ADI公司還擁有豐富的工業連接和電源產品組合，以及包括AI專業知識在內的其他數字能力。這些技術和領域專長可以幫助將數字工廠的願景變為現實。

• 低帶寬、多通道Σ-Δ ADC（如AD4130 係列）集成了完整的模擬前端電路，可輕鬆連接多種類型的傳感器。傳感器得以與高級診斷功能融合，以支持本地化故障檢測和快速決策。
• 低功耗10BASE-T1L ADIN1110 MAC-PHY和配套的ADIN1100 PHY支持向無縫連接現場設備過渡
  ，並通過1.7公裏的單對以太網電纜將以太網APL一直延伸到過程智能邊緣。
• 在網絡安全方麵，基於硬件的交鑰匙解決方案使客戶能夠輕鬆地將數據安全性集成到其產品中。 DS28S60 和MAXQ1065 是超低功耗安全集成電路(IC)，即使在功耗和計算資源極其受限的設計中也能實現公鑰加密。
• u    MAX78000 AI微控製器讓神經網絡能夠以超低功耗運行，提供來自邊緣AI的可操作洞察。    

數字工廠普及之路

行業調查顯示，85%的公司在過去2至3年加速推進其製造工廠的數字化轉型。3然(ran)而(er)，全(quan)麵(mian)實(shi)施(shi)數(shu)字(zi)化(hua)工(gong)廠(chang)尚(shang)未(wei)成(cheng)為(wei)常(chang)態(tai)。由(you)領(ling)先(xian)製(zhi)造(zao)商(shang)組(zu)成(cheng)的(de)世(shi)界(jie)經(jing)濟(ji)論(lun)壇(tan)全(quan)球(qiu)燈(deng)塔(ta)網(wang)絡(luo)，展(zhan)示(shi)了(le)數(shu)字(zi)化(hua)戰(zhan)略(lve)和(he)融(rong)入(ru)數(shu)字(zi)技(ji)術(shu)的(de)運(yun)營(ying)不(bu)僅(jin)能(neng)提(ti)升(sheng)生(sheng)產(chan)力(li)，更(geng)為(wei)可(ke)持(chi)續(xu)和(he)有(you)利(li)可(ke)圖(tu)的(de)增(zeng)長(chang)奠(dian)定(ding)了(le)基(ji)礎(chu)。這(zhe)些(xie)製(zhi)造(zao)商(shang)運(yun)用(yong)創(chuang)新(xin)技(ji)術(shu)激(ji)發(fa)潛(qian)能(neng)，把(ba)生(sheng)產(chan)力(li)的(de)提(ti)升(sheng)轉(zhuan)化(hua)為(wei)實(shi)際(ji)收(shou)益(yi)。這(zhe)些(xie)技(ji)術(shu)提(ti)高(gao)了(le)效(xiao)率(lv)，進(jin)而(er)產(chan)生(sheng)了(le)對(dui)環(huan)境(jing)有(you)利(li)的(de)結(jie)果(guo)。這(zhe)既(ji)提(ti)高(gao)了(le)生(sheng)產(chan)效(xiao)率(lv)，又(you)增(zeng)強(qiang)了(le)可(ke)持(chi)續(xu)性(xing)，實(shi)現(xian)了(le)生(sheng)態(tai)和(he)經(jing)濟(ji)效(xiao)益(yi)的(de)雙(shuang)贏(ying)。

結語：讓數字工廠成為現實

數shu字zi化hua轉zhuan型xing不bu斷duan加jia速su
，工gong廠chang麵mian臨lin的de機ji遇yu與yu挑tiao戰zhan並bing存cun。新xin技ji術shu是shi提ti高gao效xiao率lv的de關guan鍵jian，但dan實shi施shi這zhe些xie技ji術shu可ke能neng很hen複fu雜za，需xu要yao慎shen重zhong規gui劃hua和he執zhi行xing。要yao實shi現xian優you化hua運yun營ying
，充chong分fen提ti升sheng效xiao率lv，與yu擁yong有you深shen厚hou行xing業ye專zhuan長chang的de合he作zuo夥huo伴ban密mi切qie合he作zuo至zhi關guan重zhong要yao。這zhe種zhong合he作zuo是shi打da造zao未wei來lai更geng強qiang大da、更靈活的數字工廠的核心。

參考文獻

1“工業領域能源消耗”。美國能源信息署
，2016年。

2 Maurice O’Brien和Volker Goller。“通過 10BASE-T1L 連接實現無縫現場以太網”。ADI公司。

3 Janet Foutty。“數字化轉型如何在充滿挑戰的環境中 實現敏捷性和韌性”。Deloitte Insights，2021年4月。