18世紀,第一次工業革命改變了驅動能量,水和蒸汽代替人力和牲畜力驅動機械生產設備;到了20世紀初,第二次工業革命通過分工概念和使用電力,實現大規模量產,改變了整個工業的能源;到了70年代,第三次工業革命因電子信息技術進入工業化,極大提升了工業自動化的程度,盡管大量自動化設備進入實際應用,但是這些機器都是相互獨立的。
如今人類社會迎來了第四次工業革命,使用網絡物理系統、通信、物聯網和分散式決策,使得機器被大量地互聯,這就是人們常說的工業4.0或智能工業,現在一個人就可能管理一條非常大的全自動化的生產線。
顯然,在工業4.0時代,要求半導體廠家有更多智能的意識、更高的效率、更多的連接以及更高性能的安全保護。 意法半導體(以下簡稱ST)作為全球領先的半導體供應商, 公司層面兩個核心戰略是IoT和自動駕駛,智慧工業就是其IoT戰略的重要部分,面向智能工業擁有完整的產品線和系統解決方案。
ST覆蓋整個工業自動化的三個層次:執行器件、通信、傳感器,這是整個工業自動化里最核心的部分。“在整個工業自動化領域,ST有超過30年的經驗,可以給客戶提供很創新性的產品,我們的產品線也非常廣泛,能夠覆蓋工業自動化的各個方面,可以從傳感到信號整理,到通信、中央處理器、MCU等做一些預處理。在執行機構方面,我們有全套的方案,包括有全套的工業方案來支持整個工系統。” 意法半導體公司Power Discretes及Analog Sub產品部市場及應用資深總監Francesco Muggeri介紹道。
意法半導體公司Power Discretes及Analog Sub產品部市場及應用資深總監Francesco Muggeri
ST之所以能夠提供這么多的產品,是因為其擁有多樣化的半導體工藝。從標準的CMOS(數字產品),到BCD(模擬產品),MEMS(微機電產品)到功率器件,都是自有的獨立工藝。因此,ST可以在這些工藝之間任意地組合,給客戶制作片上系統或者系統級的封裝。
ST在工業自動化領域豐富的產品線具體體現在:執行器件方面,包括各種不同的負載,驅動各種不同的馬達;通信方面,涵蓋所有的有線通信到無線的通信;傳感器方面,包括加速度、速度、溫度等各種各樣傳感器。ST通過與客戶的深度合作和深度定制,可以把各種不同的工藝集成在一個系統集封裝里。通過獨特的系統級封裝,達到目前市場上史無前例的500W/cm2的工業密度。
數字化的運動控制
智能工業要求電機組件發展為不受地域限制的智能和診斷系統,ST智能運動控制設備擁有大功率和簡潔性,適用于智能工業。作為電機和運動控制領域的先鋒,ST提供了豐富的電機驅動器,在廣泛的額定電壓和電流范圍上滿足了有刷直流電機、步進電機和無刷直流的要求。ST經典的產品中集成MCU和模擬控制芯片。因為集成了STM32的MCU,所以所有的生態系統都非常完整,可以找到非常多的軟件庫。
ST推出的兩個創新的產品,一個是STSPIN233,應用于手持設備;另一個是STSPIN830,應用于交流供電的設備。8系列支持帶交流供電的設備,它輸入電壓比較高,適合應用于舞臺照明、3D打印機。2系列針對功率較小的電子氣門、電子鎖,且不限于此,ST有一些客戶考慮將其用在手機上。STSPIN32更靈活,因為里面用MCU的核,可以用在機械臂、電動工具、工業自動化和控制中。
采用STSPIN系列產品的3D打印機
STDrive柵極驅動器會產生必要的電壓和電流電平,以準確有效地激活工業、消費品、計算機和汽車應用中的功率級。STGAP2系列中, S是單路的,D是雙路的,可以用在工業車輛、1200V變頻器、服務器、步進電源、工業壓縮機、太陽能等領域。2系列是工業級的,ST還有針對汽車級的1系列產品。
智能化的通信連接
工業4.0要求機器相互連接起來,通信是其中很重要的環節。這里的通信是雙向通信,不僅要把信息發過去,還要能夠把信息收回來。當這些機器互聯的時候,就需要一個統一的標準,機器之間的通信才能夠實現。在工業自動化領域,IO-Link標準應用非常廣泛。
意法半導體的通信解決方案用于IO-Link的主機和設備,以及通用型收發器;簡單且兼容性強,不需要特殊電纜,與現有網絡完全兼容,無需現場總線;具有高功能型,高性能過程數據傳輸,自動參數設置和擴展診斷;提供錯誤檢測和校正功能,輕松處理。
ST用于工業自動化的通信解決方案,適用于各種類型的負載和應用。IO-Link主要用在工業場合,可以驅動各種負載,在邏輯可編控制器,包括工業I/O口,都可以使用到;KNX主要用在智能樓宇;而在需要在現場做一些處理,不需要把所有的信息都傳回主機的情況下,通常對通信協議、性能質量和對工作環境要求都會非常高,IPS系列就非常合適,主要應用領域是可編程邏輯控制、工業PC外接I/O、數控機床和適用于各類負載的驅動器。
典型IO-Link的應用
一個工廠自動化的典型IO-Link的應用,在中央端有傳統的PLC, L6360是Master,L6362是Sliver,一個Master可以掛4個Sliver,Sliver端可以和各種不同傳感器配對,這樣在節點上就可以監測整個工廠里面各種信息,傳回到中央的PLC。
符合工業4.0要求的MEMS
工業自動化的生態系統中,有各種各樣的設備需要監測,通過傳感去監測這些設備的狀態。現代工業的生產線都是流水線式的,當中間有任何一個設備損壞的時候,會導致整個流水線停下來,在中間的半成品最后都可能變成廢品。
ST根據實際應用和測算認為,可預測的維護系統可以將因為設備損害而造成的停歇時間減少50%,可以幫助客戶將因為設備損害而造成的直接的設備的損失減少40%。
ST的傳感器可以提供的除了傳統的加速度、角速度傳感器以外,還有溫度、語音和濕度的探測。為了適應工業化的應用需求,這些產品ST都承諾至少十年的生命周期。
ST可以提供分布式的診斷和分布式的智能設備,當傳感器采集到信息以后,在端點的地方做智能的運算,可以避免傳輸大量的數據到中央處理器,造成中央處理器過載和對輸鏈路的更高要求。
振動監測演示
振動監測傳感器
ST提供了一個可預測性的維護的demo板,演示對馬達振動的監測。傳感器監測振動,通過IO-Link傳到數據中心或者傳到機房里,在傳感器端可以用MCU做初步的運算和管理。同時, ST還可以提供有安全功能的MCU,可以預防病毒或者黑客、不良分子的破壞。
ST的預測性維護解決方案會根據客戶的具體情況,提供3種相應的產品或系統:
如果客戶本身非常很強,有非常多的專業知識,愿意自己做,ST可以提供單獨的器件給客戶,由客戶來搭建自己的網絡,ST同時也會提供基本的軟件和中間件,支持客戶來實現他們的平臺。
ST正在研究做一些模塊化的產品,這樣可以根據客戶的需求,把分離的產品實現指定的功能。
如果客戶沒有這方面的技術,ST會提供模塊化的產品;同時,在電腦端,會提供GUI和技術支持,來幫助客戶實現他們的功能。
3種情況下,ST都可以提供每一個模塊的中間件,同時提供GUI給客戶。
大家熟知的ST產品可能在消費產品方面更多,對工業級產品線相對了解會少一些,事實上,ST關注工業應用已經有30多年的歷史,對各種應用都有很深的了解,在消費領域的出貨量比較大,數據對于消費者更透明,大家了解自然更多一些。Francesco Muggeri在1995年加入了ST,是ST第一批設計工程師,當時就是從工業和汽車開始進行產品設計的。相對于消費電子領域,工業應用更分散,要求也更高,ST強大的產品組合和過硬的產品質量能滿足工業自動化未來的要求,加速智能工業進程。