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24小時連續作業，無人工干預，機器自助配合，質量遠程監控……產業界將具備這些特點的工廠定義為“熄燈工廠”，也可稱為“關燈工廠”或“黑燈工廠”。當前，全球頭部品牌的汽車制造工廠，智能手機/PC代工廠，很多都是以“熄燈工廠”標準來打造。 “熄燈工廠”的架構和價值 “熄燈工廠”代表著全自動化的生產流程。通過“關燈”運轉模式，工廠在生產效率和庫存周期等方面得到明顯改善，助力企業的可持續發展戰略。達沃斯世界經濟論壇與管理咨詢公司麥肯錫將這些先進的工廠定義為“燈塔工廠”，截至目前，全球共有132座“燈塔工廠”，其中50座位于中國。 “熄燈工廠”作為工業4.0的典型應用，其體系架構和工業4.0類似，如下圖所示。 
圖1：工業4.0體系框圖（圖源：Plattform Industrie 4.0） 這樣看可能不夠具體，我們以富士康工業互聯網的智能工廠架構來具體看一下“熄燈工廠”的組成。如下圖所示，“熄燈工廠”是富士康工業互聯網的主要應用之一，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：富士康工業互聯網云架構和“熄燈工廠”應用（圖源：富士康） 在人工成本快速上漲，產品迭代速度日益加快的大背景下，“熄燈工廠”是工業制造領域發展的必然趨勢，帶來了更高的柔性生產效率和協同生產能力。同時，“熄燈工廠”具備更高效、高質量的自動質量檢測能力，有效避免了人工主觀造成的漏檢與誤檢，能大幅提高產品交付質量。當然，“熄燈工廠”并不意味著完全無人化，只是將生產、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。 通過圖2我們能夠清晰地看到，“熄燈工廠”的企業層主要由各種功能軟件和系統組成，車間層主要是各種硬件系統和連接技術，設備層則是具體的設備和儀器。“熄燈工廠”涉及的關鍵技術包括云計算、大數據、物聯網、人工智能、自動質量和工業自動化等，這些關鍵技術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為產業發揮賦能價值的地方。 為了持續提升這些核心技術的整體性能，信號鏈、微控制器、傳感器、網關芯片和電源管理芯片等也在持續突破。以傳感器為例，已經不僅是簡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。 下面我們就來具體看一下，構建“熄燈工廠”可以用到哪些性能領先的電子元器件。 “熄燈工廠”中的機器視覺 上面已經提到，“熄燈工廠”一大顯著特點是僅需要少數幾個人根據現場信號燈來解決一些突發情況。我們都知道在傳統工廠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，也需要具備這種視覺能力，這就是為什么機器視覺會如此被重視。 GGII數據顯示，2022年中國機器視覺市場規模為170.65億元，預計到2027年將達到565.65億元，其中2D視覺市場規模將達到407.15億元，3D視覺市場規模將達到158.5億元。快速增長的機器視覺技術在“熄燈工廠”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線設備能夠找準目標物的位置，基于圖像處理和分析技術的視覺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、裝配等環節發揮重要作用，其配置模式包括固定機位模式、移動機位模式以及混合模式。 #02 外觀檢測 機器視覺質檢技術是一種信號鏈、無損傷的自動檢測技術，過往這是生產制造環節用人工較多的地方，換用機器視覺檢測系統之后，在尺寸檢測、形狀檢測、外觀缺陷檢測等方面得到明顯改善。 #03 高精度檢測 在檢測環節，引入機器視覺之后，系統檢測的能力已經超出人類極限，可以實現毫米級，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 機器視覺能夠對圖像進行處理、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習法。同時，系統基于識別的結果還可以進一步結合機械臂增加分揀環節，這在目前的倉儲和快遞行業已經非常普遍。 因此，機器視覺是實現工業自動化和智能化的必要手段，相當于人類視覺在機器上的延伸，具備精確性、持續性、高效性和可重復性等特點。為了幫助大家更好地打造機器視覺方案，在此我們為大家推薦一款來自制造商ADI的100萬像素飛行時間模塊，貿澤電子官網上該器件的料號為ADTF3175BMLZ。
圖3：ADTF3175 100萬像素飛行時間模塊（圖源：貿澤電子） ADTF3175基于ADSD3100進行設計，集成了用于成像器的鏡頭和光學帶通濾波器、包含光學元件的紅外照明源、激光二極管、激光二極管驅動器和光電檢測器、閃存以及電源穩壓器，可產生本地電源電壓。
圖4：ADTF3175模塊系統框圖（圖源：ADI） 作為ADTF3175模塊的核心，ADSD3100是一款100萬像素CMOS間接飛行時間（ITF）成像器，設計用于高分辨率3D深度傳感和視覺系統。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英寸光學格式。
圖5：ADSD3100系統框圖（圖源：ADI） ADSD3100通過移動行業處理器接口(MIPI)、攝像頭串行接口2（CSI-2）接口與主機系統進行電氣連接，這一點在ADTF3175模塊上得到了充分利用。同時，ADTF3175模塊編程和操作通過4線SPI和I2C串行接口進行控制。 除了機器學習系統以外，ADTF3175模塊還可用于機器人、樓宇自動化和增強現實(AR)系統等應用方向。 “熄燈工廠”中的狀態監測 機器視覺的應用很多都是為了讓工業制造系統清晰地了解產品的狀態量，其實系統自身的狀態量監測也很重要。如果系統能夠及時發現和預測出故障的發生，將會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生故障停機，有一個發生和發展的過程，很多故障并不是突發的。因此，在“熄燈工廠”里都會有一個工況監測系統，屬于設備管理系統的一部分。通過這個系統，能夠準確把握系統中各設備的運轉情況。這樣做對于產線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和位置信息，讓物體能夠了解自身狀態，因此在“熄燈工廠”里得到廣泛應用，典型應用包括振動檢測、姿態控制、安防報警、狀態記錄、動作識別等。 接下來，我們便為大家介紹一款性能領先的MEMS加速計，同樣是來自制造商ADI，貿澤電子官網上，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，在運動觸發喚醒模式下消耗180nA電流。與使用功率占空比來實現低功耗的加速計不同，ADXL367沒有通過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帶寬進行采樣。器件內部的低通濾波器轉角自動設置，以確保滿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，在較低分辨率足夠時，還提供8位格式化數據實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，以及防止誤觸發的狀態機。
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應用以外，ADXL367 MEMS加速計還可用于運動使能省電開關、運動使能計量設備、數字醫療保健、單節電池供電的智能手表、智能家居、產銷合一商品和生命體征監控設備等應用中。 “熄燈工廠”的下一步：精益化 “熄燈工廠”的廣泛部署打通了離散制造企業的設備、網絡、控制、車間、企業間的信息流與控制流，幫助企業實現了數字化和智能化升級。不過，當前很多“熄燈工廠”解決的痛點還主要是機器替代人工，雖然提高了生產效率，不過對于生產任務的變動不能靈活地響應。在生產的過程中，大部分自動化設備只能從事簡單重復的工作，對于使用復雜系統的產品生產難以勝任。另外，有些企業為了強制性推動“熄燈工廠”的概念，導致工廠能耗大幅度上漲。 因此，“熄燈工廠”下一步發展趨勢是精益化。精益化首先要求“熄燈工廠”各環節的設備和系統需要具備更高的智能化水平，與時下另一大熱門理念——“柔性生產”進行融合，從機械自動化邁向柔性自動化，對產品具有自主建模、自主規劃的能力。 精益化其次是要求“熄燈工廠”和企業的可持續發展戰略相一致，在提升生產效率的同時降低工廠整體能耗，持續降低制造型企業的碳排放，助力工業的“雙碳目標”實現。 從“熄燈工廠”后續發展態勢不難看出，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點。 |
