作者：Jeff Shepard

工業(yè) 4.0 依賴于電子產(chǎn)品制造的智能自動(dòng)化。自動(dòng)化功能不僅越來越強(qiáng)大，而且無處不在，從邊緣到云，已經(jīng)運(yùn)用到傳感器、機(jī)器人和協(xié)作機(jī)器人、可編程邏輯控制器（PLC）和各種各樣的其他設(shè)備中。半導(dǎo)體晶圓、集成電路、無源元件、包裝和電子系統(tǒng)都依賴于智能自動(dòng)化生產(chǎn)，涵蓋了消費(fèi)、綠色能源、汽車、醫(yī)療、工業(yè)、軍事/航空航天等許多應(yīng)用領(lǐng)域。統(tǒng)一的制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES） 對(duì)從原材料到成品的整個(gè)制造鏈進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、控制、跟蹤和記錄。

工業(yè) 4.0 中的網(wǎng)絡(luò)物理自動(dòng)化系統(tǒng)超越了傳統(tǒng)的制造活動(dòng)，依靠從云端深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)到邊緣微型機(jī)器學(xué)習(xí) （tinyML） 的各種形式的機(jī)器學(xué)習(xí)（ML），以實(shí)現(xiàn)靈活生產(chǎn)、持續(xù)改進(jìn)和穩(wěn)定的高品質(zhì)。連接層數(shù)越來越多以及邊緣計(jì)算、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) （IIoT）和云計(jì)算的結(jié)合，日益加劇與網(wǎng)絡(luò)安全有關(guān)的挑戰(zhàn)。區(qū)塊鏈最近已進(jìn)入人們的視野，能夠?qū)崿F(xiàn)全面、安全的供應(yīng)鏈管理。

本文探討電子制造業(yè)領(lǐng)域中的關(guān)鍵自動(dòng)化趨勢(shì)，包括不斷增加的連接層、網(wǎng)絡(luò)安全方面日益增長(zhǎng)的需求、專門實(shí)施正在部署的 ML，以及可追溯性和 MES如何支持實(shí)時(shí)生產(chǎn)指標(biāo)和分析。然后，介紹全面實(shí)現(xiàn)工業(yè) 4.0 對(duì)高質(zhì)量、低成本化大規(guī)模定制的承諾而所需的一些技術(shù)，包括 DigKey如何以廣泛的解決方案來滿足自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)者的需求。最后，介紹區(qū)塊鏈?zhǔn)侨绾斡脕聿渴鸶叨劝踩钠髽I(yè)級(jí)供應(yīng)鏈管理系統(tǒng)的。

連接層越來越多

工業(yè) 4.0 中的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) （IIoT） 包括了更多用于傳感器網(wǎng)絡(luò)、自主移動(dòng)機(jī)器人 （AMR） 和其他系統(tǒng)的有線和無線網(wǎng)絡(luò)層。例如，開發(fā) IO-Link的目的是為了向大量傳感器、執(zhí)行器、指示器以及其他以前未連接的傳統(tǒng)邊緣設(shè)備提供簡(jiǎn)化的有線網(wǎng)絡(luò)連接，使其與諸如以太網(wǎng) IP、Modbus TCP/IP 和
PROFINET 等更高級(jí)別的網(wǎng)絡(luò)連接。借助 IO-Link，這些設(shè)備的輸入和輸出 （IO） 被捕獲后轉(zhuǎn)換為 IO-Link 協(xié)議，用于通過 IEC60974-5-2 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的單一 4 線或 5 線非屏蔽電纜實(shí)現(xiàn) IEC 61131-9 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的串行連接（圖1）。除了提供新網(wǎng)絡(luò)層以獲取有關(guān)工廠流程的更細(xì)化信息外，IO-Link 還支持快速部署和遠(yuǎn)程配置、監(jiān)測(cè)和診斷所連接的設(shè)備，以支持工業(yè) 4.0工廠實(shí)現(xiàn)大規(guī)模定制所需的生產(chǎn)線和流程變化。

從傳感器到機(jī)器人的各種無線 IIoT 設(shè)備也有助于實(shí)現(xiàn)不斷增加的網(wǎng)絡(luò)層。包括 Wi-Fi、5G、LTE 等各種無線協(xié)議都已應(yīng)用于現(xiàn)代工廠。例如，AMR使用板載傳感器和 Wi-Fi 連接的組合來了解其周圍環(huán)境，識(shí)別可能的障礙物并安全有效地從一個(gè)地方移動(dòng)至另一個(gè)地方。協(xié)作機(jī)器人 （cobots）用于與人合作，以提高工作效率。這種機(jī)器人通常需要采用無線連接。某些情況下，AMR 會(huì)根據(jù)需要使協(xié)作機(jī)器人在不同的任務(wù)間切換（圖 2）。

越來越多的網(wǎng)絡(luò)危險(xiǎn)

工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的層數(shù)越來越多，而且所連接設(shè)備的數(shù)量在爆炸性增長(zhǎng)，從而導(dǎo)致了安全威脅載體越來越多，網(wǎng)絡(luò)危險(xiǎn)越來越大。目前，已經(jīng)制定的一些工業(yè)和物聯(lián)網(wǎng)安全標(biāo)準(zhǔn)及方法包括國(guó)際電工委員會(huì)（IEC） 62443、物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)安全評(píng)估標(biāo)準(zhǔn) （SESIP）。

IEC 62443 是由國(guó)際自動(dòng)化學(xué)會(huì) （ISA） 99 委員會(huì)制定并由 IEC 批準(zhǔn)的一系列標(biāo)準(zhǔn)。IEC 62443 標(biāo)準(zhǔn)是一個(gè)有 800多頁的工業(yè)自動(dòng)化和控制系統(tǒng) （IACS） 系列標(biāo)準(zhǔn)，包括 4 個(gè)大部分 14 個(gè)子部分（圖 3）。界定產(chǎn)品開發(fā)和組件安全要求的關(guān)鍵部分是：

IEC
62443-4-1：產(chǎn)品安全開發(fā)生命周期要求——定義安全產(chǎn)品開發(fā)生命周期，包括初始需求定義、安全設(shè)計(jì)和實(shí)施、驗(yàn)證和批準(zhǔn)、缺陷和修補(bǔ)管理以及壽命終結(jié)。

IEC 62443-4-2：工業(yè)自動(dòng)化和控制系統(tǒng)的安全：IACS 組件的技術(shù)安全要求——規(guī)定安全能力，使組件能夠減輕特定安全級(jí)別的威脅。

SESIP 標(biāo)準(zhǔn)由 GlobalPlatform發(fā)布，定義評(píng)估互聯(lián)產(chǎn)品安全的通用結(jié)構(gòu)，并解決了物聯(lián)網(wǎng)特有的合規(guī)性、安全性、隱私性和可擴(kuò)展性方面的挑戰(zhàn)。SESIP 以安全功能要求 （SFR）的形式對(duì)組件和平臺(tái)的安全功能給出了明確的定義。該標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定了強(qiáng)度指標(biāo)，以 SESIP“等級(jí)”的形式衡量在受到攻擊時(shí)的穩(wěn)健性，具體分為 1 級(jí)到 5 級(jí)，其中 1級(jí)是自我認(rèn)證，5 級(jí)對(duì)應(yīng)于廣泛的測(cè)試和第三方認(rèn)證。

從云到邊緣的機(jī)器學(xué)習(xí)

ML 是智能自動(dòng)化的關(guān)鍵推動(dòng)因素，支持持續(xù)流程改進(jìn)和高品質(zhì)產(chǎn)品。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的使用是工業(yè) 4.0領(lǐng)域中一項(xiàng)成熟的機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)。這是通過云端的深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)進(jìn)行補(bǔ)充的開始。深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)核心增加了一種目標(biāo)導(dǎo)向型算法框架。強(qiáng)化學(xué)習(xí)最初局限于如玩游戲等可重復(fù)環(huán)境，今天，算法已能夠在現(xiàn)實(shí)世界中的更模糊環(huán)境下運(yùn)行。在未來，實(shí)施高級(jí)強(qiáng)化學(xué)習(xí)可能會(huì)實(shí)現(xiàn)通用人工智能。

ML 不僅僅是在云端，而且正深入到工廠車間和邊緣。工廠車間的工業(yè) PC 和可編程控制器的擴(kuò)展槽越來越多地插入 ML 和 AI加速卡，以實(shí)現(xiàn)智能化過程控制。

微型機(jī)器學(xué)習(xí) （tinyML）針對(duì)在低功耗應(yīng)用中部署進(jìn)行了優(yōu)化。微型機(jī)器學(xué)習(xí)在傳感器應(yīng)用中的使用量在飛速增長(zhǎng)。例如，在通過電池或能量收集供電的邊緣設(shè)備中，IIoT傳感器分析就是一種微型機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用。Arduino 提供了采用 Arduino Nano 33 BLE Sense 板的微型機(jī)器學(xué)習(xí)套件，該板上具有 MCU和各種傳感器，可以監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)、加速度、旋轉(zhuǎn)、聲音、手勢(shì)、接近、顏色、光強(qiáng)度和移動(dòng)（圖 4）。此外，還包括一個(gè) OV7675 相機(jī)模塊和一塊 Arduino盾板。板載 MCU 可以實(shí)現(xiàn)基于 TensorFlow Lite 開源深度學(xué)習(xí)框架的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，用于設(shè)備端推理。

實(shí)時(shí)指標(biāo)和分析

實(shí)時(shí)指標(biāo)和分析是智能自動(dòng)化的重要方面。可追溯性 4.0結(jié)合了前幾代可追溯性中的產(chǎn)品可視性、供應(yīng)鏈可視性和生產(chǎn)線可視性，并提供了一個(gè)涵蓋產(chǎn)品所有方面的完整歷史。此外，還包括所有機(jī)器和流程參數(shù)，支持優(yōu)化制造過程的整體設(shè)備效率（OEE） 指標(biāo)（圖 5）。

可追溯性在許多行業(yè)都至關(guān)重要，涵蓋從醫(yī)療設(shè)備制造到汽車、航空航天等眾多行業(yè)。就醫(yī)療設(shè)備而言，根據(jù)監(jiān)管要求，需要進(jìn)行廣泛的跟蹤和追溯。汽車和航空航天系統(tǒng)可能有數(shù)以萬計(jì)的部件需要追蹤。不僅僅是零件歷史，可追溯性還包括跟蹤單個(gè)零件的幾何尺寸和公差（GD&T）。GD&T 使精密制造成為可能，并根據(jù)零件的精確 GD&T 值進(jìn)行安裝，以支持航空航天、汽車制造等行業(yè)的高精度裝配。

可追溯性可以提高產(chǎn)品召回準(zhǔn)確性和召回效率?？勺匪菪允怪圃焐棠軌虼_定受到影響的產(chǎn)品和供應(yīng)商，以及任何缺陷部件的供應(yīng)商。

通過可追溯性，可以加速實(shí)施糾正性和預(yù)防性行動(dòng)。與產(chǎn)品召回一樣，了解完整的產(chǎn)品原產(chǎn)地信息使制造商能夠有效地、有針對(duì)性地安排產(chǎn)品的現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)、維護(hù)。

可追溯性和 MES

融合了可追溯性的統(tǒng)一實(shí)施 MES可以產(chǎn)生一個(gè)可搜索的數(shù)據(jù)庫，其中包括與單個(gè)產(chǎn)品相關(guān)的所有信息，涵蓋了計(jì)劃中的設(shè)計(jì)和竣工結(jié)果。例如，開始生產(chǎn)之前，可追溯性用來在單個(gè)部件或材料到達(dá)時(shí)實(shí)施跟蹤，包括進(jìn)貨質(zhì)量測(cè)試數(shù)據(jù)、供應(yīng)工廠的位置等等。MES根據(jù)規(guī)劃好的設(shè)計(jì)來驗(yàn)證這些信息，并將其輸入配套作業(yè)和在制品數(shù)據(jù)庫。

通過 IIoT 與 MES 結(jié)合提供的可追溯性數(shù)據(jù)可支持工業(yè) 4.0 環(huán)境下的大規(guī)模產(chǎn)品定制。MES能使正確的材料、流程和其他資源處于正確的位置，從而確保實(shí)現(xiàn)最低的生產(chǎn)成本、最高的產(chǎn)品質(zhì)量。同時(shí)，MES可以和可追溯性相結(jié)合并證明符合政府法規(guī)，使審核或其他人員可以根據(jù)需要隨時(shí)查閱數(shù)據(jù)。

區(qū)塊鏈

區(qū)塊鏈?zhǔn)且粋€(gè)去中心化或分布式數(shù)字賬本系統(tǒng)，用于以可驗(yàn)證的、不可篡改的方式記錄多方之間的交易。任何信任是重要因素的交易，如供應(yīng)鏈管理，都是區(qū)塊鏈的潛在用武之地。在有許多參與者的供應(yīng)鏈中，區(qū)塊鏈可以提高交易效率，并使交易可驗(yàn)證、防篡改。區(qū)塊鏈在供應(yīng)鏈活動(dòng)中的使用優(yōu)勢(shì)如下所列：

替換人工流程。依靠簽名或其他形式的物理驗(yàn)證的紙質(zhì)手工流程，有可能利用區(qū)塊鏈進(jìn)行改進(jìn)。其局限性在于，賬本中的參與者的范圍必須有限且容易識(shí)別?？爝f公司擁有不斷變化的陌生客戶數(shù)據(jù)庫，就可能不是區(qū)塊鏈的好選擇。一個(gè)擁有有限的、緩慢變化的以及可信賴的供應(yīng)商群體的制造業(yè)務(wù)，則是一個(gè)很好的區(qū)塊鏈選擇。

加強(qiáng)可追溯性。區(qū)塊鏈可以為提高供應(yīng)鏈透明度，滿足日益增長(zhǎng)的監(jiān)管和消費(fèi)者信息要求提供一種良好的工具。例如，區(qū)塊鏈可以支持《藥品供應(yīng)鏈和安全法》以及美國(guó)食品和藥物管理局的唯一設(shè)備標(biāo)識(shí)符授權(quán)。在汽車和其他行業(yè)中，整個(gè)供應(yīng)鏈上的供應(yīng)商都可以參與召回，區(qū)塊鏈可以為實(shí)施汽車行業(yè)行動(dòng)小組發(fā)布的可追溯性指南提供一種良好的工具。

結(jié)束語

作為工業(yè) 4.0基礎(chǔ)的智能自動(dòng)化依賴于實(shí)施眾多的技術(shù)，包括越來越多的有線連接和無線網(wǎng)絡(luò)層，這招致了越來越復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)安全威脅。此外，機(jī)器學(xué)習(xí)正在從邊緣擴(kuò)展到云端，以支持實(shí)時(shí)指標(biāo)和分析，包括可追溯性和統(tǒng)一的MES。最后，正在為支持防篡改的、可驗(yàn)證的數(shù)據(jù)庫引入?yún)^(qū)塊鏈技術(shù)。