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ST “控制、通信、传感”三大法宝为智能工业加速

王洁 2018/7/18 17:58:00

18世纪,第一次工业革命改变了驱动能量,水和蒸汽代替人力和牲畜力驱动机械生产设备;到了20世纪初,第二次工业革命通过分工概念和使用电力,实现大规模量产,改变了整个工业的能源;到了70年代,第三次工业革命因电子信息技术进入工业化,极大提升了工业自动化的程度,尽管大量自动化设备进入实际应用,但是这些机器都是相互独立的。

如今人类社会迎来了第四次工业革命,使用网络物理系统、通信、物联网和分散式决策,使得机器被大量地互联,这就是人们常说的工业4.0智能工业,现在一个人就可能管理一条非常大的全自动化的生产线。

显然,在工业4.0时代,要求半导体厂家有更多智能的意识、更高的效率、更多的连接以及更高性能的安全保护。 意法半导体(以下简称ST)作为全球领先的半导体供应商, 公司层面两个核心战略是IoT和自动驾驶,智慧工业就是其IoT战略的重要部分,面向智能工业拥有完整的产品线和系统解决方案。

ST覆盖整个工业自动化的三个层次:执行器件、通信、传感器,这是整个工业自动化里最核心的部分。“在整个工业自动化领域,ST有超过30年的经验,可以给客户提供很创新性的产品,我们的产品线也非常广泛,能够覆盖工业自动化的各个方面,可以从传感到信号整理,到通信、中央处理器、MCU等做一些预处理。在执行机构方面,我们有全套的方案,包括有全套的工业方案来支持整个工系统。” 意法半导体公司Power Discretes及Analog Sub产品部市场及应用资深总监Francesco Muggeri介绍道。

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意法半导体公司Power Discretes及Analog Sub产品部市场及应用资深总监Francesco Muggeri

ST之所以能够提供这么多的产品,是因为其拥有多样化的半导体工艺。从标准的CMOS(数字产品),到BCD(模拟产品),MEMS(微机电产品)到功率器件,都是自有的独立工艺。因此,ST可以在这些工艺之间任意地组合,给客户制作片上系统或者系统级的封装。

ST在工业自动化领域丰富的产品线具体体现在:执行器件方面,包括各种不同的负载,驱动各种不同的马达;通信方面,涵盖所有的有线通信到无线的通信;传感器方面,包括加速度、速度、温度等各种各样传感器。ST通过与客户的深度合作和深度定制,可以把各种不同的工艺集成在一个系统集封装里。通过独特的系统级封装,达到目前市场上史无前例的500W/cm2的工业密度。

数字化的运动控制

智能工业要求电机组件发展为不受地域限制的智能和诊断系统,ST智能运动控制设备拥有大功率和简洁性,适用于智能工业。作为电机和运动控制领域的先锋,ST提供了丰富的电机驱动器,在广泛的额定电压和电流范围上满足了有刷直流电机、步进电机和无刷直流的要求。ST经典的产品中集成MCU和模拟控制芯片。因为集成了STM32的MCU,所以所有的生态系统都非常完整,可以找到非常多的软件库。

ST推出的两个创新的产品,一个是STSPIN233,应用于手持设备;另一个是STSPIN830,应用于交流供电的设备。8系列支持带交流供电的设备,它输入电压比较高,适合应用于舞台照明、3D打印机。2系列针对功率较小的电子气门、电子锁,且不限于此,ST有一些客户考虑将其用在手机上。STSPIN32更灵活,因为里面用MCU的核,可以用在机械臂、电动工具、工业自动化和控制中。

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采用STSPIN系列产品的3D打印机

STDrive栅极驱动器会产生必要的电压和电流电平,以准确有效地激活工业、消费品、计算机和汽车应用中的功率级。STGAP2系列中, S是单路的,D是双路的,可以用在工业车辆、1200V变频器、服务器、步进电源、工业压缩机、太阳能等领域。2系列是工业级的,ST还有针对汽车级的1系列产品。

智能化的通信连接

工业4.0要求机器相互连接起来,通信是其中很重要的环节。这里的通信是双向通信,不仅要把信息发过去,还要能够把信息收回来。当这些机器互联的时候,就需要一个统一的标准,机器之间的通信才能够实现。在工业自动化领域,IO-Link标准应用非常广泛。

意法半导体的通信解决方案用于IO-Link的主机和设备,以及通用型收发器;简单且兼容性强,不需要特殊电缆,与现有网络完全兼容,无需现场总线;具有高功能型,高性能过程数据传输,自动参数设置和扩展诊断;提供错误检测和校正功能,轻松处理。

ST用于工业自动化的通信解决方案,适用于各种类型的负载和应用。IO-Link主要用在工业场合,可以驱动各种负载,在逻辑可编控制器,包括工业I/O口,都可以使用到;KNX主要用在智能楼宇;而在需要在现场做一些处理,不需要把所有的信息都传回主机的情况下,通常对通信协议、性能质量和对工作环境要求都会非常高,IPS系列就非常合适,主要应用领域是可编程逻辑控制、工业PC外接I/O、数控机床和适用于各类负载的驱动器。

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典型IO-Link的应用

一个工厂自动化的典型IO-Link的应用,在中央端有传统的PLC, L6360是Master,L6362是Sliver,一个Master可以挂4个Sliver,Sliver端可以和各种不同传感器配对,这样在节点上就可以监测整个工厂里面各种信息,传回到中央的PLC。

符合工业4.0要求的MEMS

工业自动化的生态系统中,有各种各样的设备需要监测,通过传感去监测这些设备的状态。现代工业的生产线都是流水线式的,当中间有任何一个设备损坏的时候,会导致整个流水线停下来,在中间的半成品最后都可能变成废品。

ST根据实际应用和测算认为,可预测的维护系统可以将因为设备损害而造成的停歇时间减少50%,可以帮助客户将因为设备损害而造成的直接的设备的损失减少40%。

ST的传感器可以提供的除了传统的加速度、角速度传感器以外,还有温度、语音和湿度的探测。为了适应工业化的应用需求,这些产品ST都承诺至少十年的生命周期。

ST可以提供分布式的诊断和分布式的智能设备,当传感器采集到信息以后,在端点的地方做智能的运算,可以避免传输大量的数据到中央处理器,造成中央处理器过载和对输链路的更高要求。

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振动监测演示

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振动监测传感器

ST提供了一个可预测性的维护的demo板,演示对马达振动的监测。传感器监测振动,通过IO-Link传到数据中心或者传到机房里,在传感器端可以用MCU做初步的运算和管理。同时, ST还可以提供有安全功能的MCU,可以预防病毒或者黑客、不良分子的破坏。

ST的预测性维护解决方案会根据客户的具体情况,提供3种相应的产品或系统:

  1. 如果客户本身非常很强,有非常多的专业知识,愿意自己做,ST可以提供单独的器件给客户,由客户来搭建自己的网络,ST同时也会提供基本的软件和中间件,支持客户来实现他们的平台。

  2. ST正在研究做一些模块化的产品,这样可以根据客户的需求,把分离的产品实现指定的功能。

  3. 如果客户没有这方面的技术,ST会提供模块化的产品;同时,在电脑端,会提供GUI和技术支持,来帮助客户实现他们的功能。

3种情况下,ST都可以提供每一个模块的中间件,同时提供GUI给客户。

大家熟知的ST产品可能在消费产品方面更多,对工业级产品线相对了解会少一些,事实上,ST关注工业应用已经有30多年的历史,对各种应用都有很深的了解,在消费领域的出货量比较大,数据对于消费者更透明,大家了解自然更多一些。Francesco Muggeri在1995年加入了ST,是ST第一批设计工程师,当时就是从工业和汽车开始进行产品设计的。相对于消费电子领域,工业应用更分散,要求也更高,ST强大的产品组合和过硬的产品质量能满足工业自动化未来的要求,加速智能工业进程。


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