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

數shu字zi工gong廠chang是shi基ji於yu數shu據ju運yun行xing的de係xi統tong，其qi中zhong各ge組zu成cheng要yao素su協xie同tong工gong作zuo，以yi優you化hua工gong廠chang車che間jian的de運yun營ying效xiao率lv。在zai某mou些xie方fang麵mian
，它ta可ke以yi與yu人ren體ti相xiang類lei比bi。傳chuan感gan器qi充chong當dang眼yan睛jing和he耳er朵duo，使shi中zhong央yang控kong製zhi器qi（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

在(zai)探(tan)討(tao)數(shu)字(zi)工(gong)廠(chang)的(de)組(zu)成(cheng)部(bu)分(fen)之(zhi)前(qian)，我(wo)們(men)首(shou)先(xian)概(gai)述(shu)一(yi)下(xia)其(qi)優(you)勢(shi)。數(shu)字(zi)工(gong)廠(chang)的(de)優(you)勢(shi)主(zhu)要(yao)體(ti)現(xian)為(wei)提(ti)高(gao)生(sheng)產(chan)力(li)，進(jin)而(er)促(cu)使(shi)製(zhi)造(zao)業(ye)格(ge)局(ju)發(fa)生(sheng)變(bian)革(ge)。來(lai)自(zi)數(shu)字(zi)工(gong)廠(chang)生(sheng)態(tai)係(xi)統(tong)的(de)新(xin)見(jian)解(jie)有(you)助(zhu)於(yu)為(wei)實(shi)時(shi)決(jue)策(ce)提(ti)供(gong)信(xin)息(xi)。因(yin)此(ci)，產(chan)品(pin)質(zhi)量(liang)得(de)到(dao)改(gai)善(shan)，整(zheng)體(ti)運(yun)營(ying)效(xiao)率(lv)更(geng)高(gao)，最(zui)終(zhong)實(shi)現(xian)更(geng)加(jia)可(ke)持(chi)續(xu)的(de)生(sheng)產(chan)流(liu)程(cheng)。工(gong)業(ye)部(bu)門(men)消(xiao)耗(hao)的(de)能(neng)源(yuan)約(yue)占(zhan)全(quan)球(qiu)總(zong)能(neng)耗(hao)的(de)50%，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(de)3D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、jixiezhendongdengdeng。duiyuzhexiebianyuanjiancehequdongxitong，dianlichuanshushilingyigeguanjiankaolvyinsu。suizhechuanganqihezhixingqiyuelaiyuexiao
，duidianlichuanshudexingnengyaoqiuyeyuelaiyuegao，tongshixinhaocaijidejingduhezhiliangyebuduantigao。zhejiuxuyaogaoxiao、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、數(shu)據(ju)分(fen)析(xi)和(he)業(ye)務(wu)應(ying)用(yong)程(cheng)序(xu)等(deng)事(shi)務(wu)。這(zhe)些(xie)都(dou)很(hen)重(zhong)要(yao)，但(dan)通(tong)常(chang)不(bu)像(xiang)工(gong)廠(chang)車(che)間(jian)的(de)數(shu)據(ju)交(jiao)換(huan)那(na)樣(yang)對(dui)時(shi)間(jian)要(yao)求(qiu)非(fei)常(chang)苛(ke)刻(ke)。在(zai)工(gong)廠(chang)車(che)間(jian)運(yun)行(xing)生(sheng)產(chan)線(xian)的(de)網(wang)絡(luo)稱(cheng)為(wei)運(yun)營(ying)技(ji)術(shu)(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OTbufen
，tongshibuhuiyingxiangyunyingwangluodeshijianminganliuliang。shijianguanjianxingliulianghefeishijianguanjianxingliuliangdouhenpangda，yaoqiushengjiwangluoyizengjiadaikuan
，quebaowuyanchideshujuchuanshu
，zheduiyutigaozhizaogongchangdechanpinzhiliangheyunyingxiaolvzhiguanzhongyao。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。