相比其他經濟領域，制造業更早就進入了數字化轉型的階段----那就是人們熟知的工業 4.0階段，通過將工業 4.0 模式與先進的分析、人工智能 (AI) 和工業物聯網 (IIoT) 相結合，可以為各種工廠運營提供速度和精確度，提高生產率和可靠性?？萍嫉难杆侔l展以及在整個工業、制造業中的整合，工業系統的“智商”正快速提升，這些改變正在重塑制造商運營和生產優質產品的方式。
以工業設備的維護為例，借助多種技術的融合，高度自動化的生產正在線減少定期和手動檢查，能夠為制造商提高生產效率、降低生產成本、提高產品質量、增加靈活性、提高安全性。根據 Cummins提供的數據，生產線停機時給制造公司帶來的成本高達每小時 60,000 英鎊，使用預測性維護(predictive maintenance，PdM) 可將設備正常運行時間和可用性提高 10-20%，并將總體維護成本降低 5-10%。一些工廠使用了智能維護解決方案為制造流程升級，收獲了較高的投資回報率。
工業自動化系統涉及多種技術 圖片來源element14.com
包括計算、感知、工業控制、I/O接口、連接、通信、電源以及安全防護等多個模塊共同構成了現代的工業自動化系統。半導體IC公司、接口和線纜，系統集成、軟件系統供應商都是供應鏈的重要組成部分，越來越“聰明”的工業自動化系統，離不開全產業鏈各環節的努力。
“感知”推動工業自動化系統
人工智能和高精度效率傳感設備越來越多地在工業自動化系統中得到應用，分布式的物聯網節點為整個系統提供大量重要的實時數據，以便進行決策，很多時候這些決策都不需要人工進行干預。為降低計算中心的負擔和壓力，同時提升邊緣端的決策速度，邊緣計算能力不斷提升，傳感器的的不斷加入，讓整個工業自動化系統的感知能力越來越強。因此,與其他經濟領域一樣，邊緣計算和感知系統一直是近些年來的熱點。
Velodyne Lidar 首席營銷官 Sally Frykman在其署名文章中表示：雖然自動駕駛汽車的全面應用還未到來，但這并不會減緩市場對激光雷達的需求。相反，在工業和機器人技術、智能基礎設施、以及智慧城市等應用領域的推動下，激光雷達的市場需求將迅猛增長，進而迎來大規模商用的機會。
很明顯，Velodyne Lidar感受到了工業應用對感知系統的強烈需求。
在當前全球經濟不確定性加劇的情況之下，世界各地的公司正在實現供應鏈自動化，以節省資金、提高效率并緩解疫情和其他宏觀問題所造成的瓶頸與危機。越來越多地企業在工廠、倉庫、港口和其他商業環境中采用智能自動化。例如，由于日益增長的港口擁堵和生產延誤所造成的高需求和大量損失，導致供應鏈運營面臨著巨大壓力，物流和倉庫流程被要求以更快、更高效的方式完成訂單。
麥肯錫研究發現，工業4.0的轉型幫助94%的公司在新冠危機期間保持正常運營。
安森美總裁兼首席執行官(CEO) Hassane El-Khoury在2022年9月的財報中表示：“我們執行業務轉型的能力繼續帶來創紀錄的業績，第二季度收入同比增長25%，non-GAAP毛利率增長1,130個基點至49.7%。我們的智能電源和智能感知方案的差異化。在汽車功能電子化、先進駕駛輔助系統(ADAS)、能源基礎設施和工廠自動化等加速發展的大趨勢中保持領先地位，使得我們能擴大長期供應協議并提高需求的可視性。”
工業控制系統數字化程度越來越高
在如今的工業應用中，盡可能多的數據都被放到了互聯網中。
工業控制系統 (ICS) 包括管理控制和數據采集 (SCADA) 系統、分布式控制系統 (DCS) 和其他控制系統配置，如可編程邏輯控制器 (PLC)、智能電子設備 (IED)、遠程終端單元 (RTU) 和其他現場設備。ICS 通過持續控制和監控每個工業過程并減少人工工作，提高了性能、安全性和可靠性。
其中SCADA 是一種控制系統架構，使用計算機、圖形用戶界面 (GUI) 和網絡數據通信來執行高級別的監督管理。SCADA 系統管理用于監控和發布過程命令的操作員界面。網絡模塊連接到其他外圍設備，如執行邏輯計算和實時控制的離散 PID 控制器和可編程邏輯控制器。這些控制器與機械設備連接。
PLC將多個輸入和輸出 (I/O) 放置在一個與處理器集成的外殼中，其中有數千個 I/O 與 SCADA 系統聯網。ICS 內部的可編程邏輯控制器 (PLC) 充當了物理世界和網絡世界之間的有用橋梁。ICS 和 PLC 扮演著重要角色，因此常常為了復雜網絡攻擊的目標。一旦得逞，對這些設備的攻擊會造成社會動蕩和經濟損失。
I/O接口創新推動新老系統自動化
處理系統從數字輸入裝置（比如開關、繼電器或接觸器）接收到的信號或數據，來自各種傳感器的模擬輸入可以指示物理參數的狀態，比如溫度、壓力等。處理系統發送給數字輸出裝置（比如指示器、燈、警報、繼電器或接觸器）和模擬輸出裝置（比如電機、閥和比例控制器等）的信號或數據稱為輸出。如今的一些 I/O 模塊提供了特殊的參數，包括頻率 (Hz)、電阻（歐姆）或電壓 (mV)。集成電路溫度檢測器 (ICTD)、熱電偶 (TC) 和電阻溫度檢測器 (RTD) 可能是是專門的人工智能 (AI) 版本。
由于標準以太網可用于連接現代化 I/O 系統，因此很多新的架構可以彌合傳統有線和幾乎無處不在智能無線以及 I/O IIoT 之間的差距。這些系統可以將 I/O 控制與嵌入式 IT 技術配對，將遠程從屬節點轉換為分布式數據節點。新一代的 I/O 系統正在推動這一趨勢，通過以太網為對等系統、其他設備和軟件系統提供了更強的連通性，而不局限于單個主機。這種新的 I/O 使創建完全具有 IIoT 能力的自動化系統成為可能。
連接要求更加苛刻
為了在工業機器之間、工廠車間內、云和 IT 之間傳輸數據、電力和命令，工業自動化和控制高度依賴電纜和連接器。工業環境需要堅固、耐用和高性能的連接設計。它們必須耐油、耐高溫，在拖鏈中始終有效。
工業連接器在多種應用中至關重要，包括工廠車間環境、機械、采礦、地球物理勘探、發電/配電、農業設備等。重型連接器是一種可配置的通用解決方案。它們提供最高 IP 69k 級保護和 216 個觸點，適合在惡劣環境中使用。額定電流范圍為 10a 到 200a。M8/M12 連接器系統提供全面的連接器、IO 模塊和電纜組件。
生產線需要復雜耐用的各種接口 圖片來源：amphenol.com
如模塊化結構的重型連接器 (HDC) 產品系列高度可配置且穩定，是機器人和自動化應用的理想選擇。這樣的安排可結合使用電力和現有的接口技術。護罩和外殼提供垂直和直角電纜方向以及 IP65 至 IP69k 的防水防護等級。
5G在工業通信中“戲份”更重
工業系統的信息流變得越來越大，數字控制器、大量自動化相關軟件工具、現場設備和外部系統之間的通信協議也變得越來越多。這些協議通過無線或有線通信通道執行，并集成到任何復雜的自動化系統中。大多數現代自動化系統使用具有不同協議類型的數字共享通信網絡，如 RS-485、PROFIBUS、EtherCAT PROFINET、CAN 控制、以太網/IP、PowerLink、PROFINET、Modbus、Modbus™ TCP/IP 等。
以太網廣域網 (WAN) 普遍用于工廠規劃和管理信息交換。在很多場合無線通信技術是靈活和高效的自動化解決方案的理想選擇，可以避免布線的缺點和相關的硬連線連接。用戶可以根據發射點和接收點之間的距離考慮很多通信方法。例如，在距離較長的情況下使用 GSM 或 CDMA，在距離較短的情況下使用藍牙、Wireless HART Zigbee 和 Wi-Fi。Wi-Fi 提供高帶寬且便于與 Internet 協議 (IP) 網絡集成。藍牙可以滿足廣泛的吞吐量和功耗需求。藍牙低能耗技術可以通過可靠的電池供電信號燈提供室內定位能力，這些信號燈可運行幾個月到一年不等。
可靠、安全、及時地傳輸數據是工業通信技術的關鍵要求之一。時間敏感網絡（Time-Sensitive Networking ，TSN）是這些需求的推動者，3GPP標準化的5G移動技術通過不斷調整，滿足工業通信領域對數據傳輸的需求。5G可以將工業傳感器或執行器等設備通過無線連接到 TSN 網絡。與 4G 相比，5G 的新特性，特別是在無線接入網絡（RAN）中的新特性，提供了更好的可靠性和傳輸時延，并且新的 5G 系統架構允許網絡靈活部署。
愛立信預測，5G和TSN的互聯將使工業自動化的全面通信成為可能，5G集成TSN作為提供確定性連接技術在工業自動化中將起到重要作用。
愛立信的無線工業通信概念演示 圖片來源:ericsson.com
在工業自動化中引入5G技術具有很多優點。首先，5G技術可以降低布線等基礎設施的相關成本，支持自動小車或移動自動導航車輛（AGV）等移動設備，提高工業應用的靈活性。此外，由于制造業對定制產品的需求不斷地增加，就要求生產場所更加靈活。由于5G可以支持到遠程站點的連接，使分散在不同地點的工廠連接起來，因此新的生產器件或者設備在5G的支持下，就可以在不需要線纜的情況下接入生產環境，新產品安裝也不需要在同一個生產場所完成。
電源和系統保護
工業電源連接器旨在為惡劣、極端環境中的設備提供安全可靠的電源。從24V直流點到高達500V的交流電，這里面計算、控制設備通常需要更小的直流電源，而自動化系統中大量使用的各式電機則需要非常大的功率輸入，有些甚至要在溫度范圍極端（從 -40°C 到 +70°C）的環境中。因此需要種類繁多的電源產品，第三代半導體功率器件，GaN和SiC材料也在工業應用中不斷深入，工業電源正在尺寸，可靠性以及模塊化等諸多方向不斷改進，為智能工廠和工業 4.0 計劃的不斷發展的工業數字化基礎設施提供未來所需的能力。
將電源系統類比為人類的心臟，那么對于“心臟”的保護就十分重要?？煽康谋Ｗo裝置可以維護和監控系統的環境，而不妨礙正常功能。現在的保護設備緊湊且節能，可以快速響應危險事件（如過流、短路、溫度、電涌），確保長時間穩定地運行。
比如過流引起包括導體絕緣失效、設備損壞、火災、人身傷害、觸電和財產損失等嚴重問題。斷路器可以防止出現這種危險情況；而短路發生時，流經保險絲組件的電流會迅速提高并斷開電路。
各種創新解決方案層出不窮
“信息物理系統 (CPS: 一個包括由物理組件和計算組件構成的交互網絡的智能系統)的概念帶來了技術融合，我們正在經歷一個新的自動化時代。”這是在不久前的2022 年國際固態電路會議 (ISSCC 2022) 上，意法半導體模擬、MEMS 和傳感器產品部總裁 Marco Cassis對當工業自動化現況的概述。
各種新型的解決方案，讓工業自動化進入一個使機器系統具有自主意識的時代。
ADI ADXL100x MEMS加速度計適用于無線預測性維護方案
ADI ADXL1002 電機健康監控 無線方案演示
監控機器的健康狀態可以實現預測性維護，讓各個行業能夠預測故障并節省大量運營成本、縮短停機時間。制造商使用振動、噪聲和溫度測量值等參數來確定觸發維護操作的恰當時間。旋轉機械（發動機、發電機等）中的異常振動可能是由滾珠軸承故障、軸安裝誤差、不平衡或松動等原因造成的。使用低噪聲、高帶寬加速度計在第一時間發現異常，避免措手不及。
Analog Devices ADXL100x MEMS加速度計可實現高分辨率振動測量，適用于工業條件監測應用。加速度計具有集成的全靜電自檢 (ST) 功能和超范圍 (OR) 指示特性。ST功能和OR指示支持先進的系統級特性，非常適合用于嵌入式應用。這些加速度計采用3.3V至5.25V單電源供電，功耗低，還有助于無線傳感產品的設計。
Microchip LAN9668系列TSN交換器 為工業自動化網絡更高時鐘精度
Microchip ，LAN9668系列TSN交換器
從減少搬運和儲存到提高產量, 工廠自動化正全面提高生產效率。具有信息科技（IT）和營運科技（OT）融合架構的聯網倉儲和其他工業生態系統依靠時效性網絡（TSN）和以太網絡實現精確計時、同步和設備連接，包括相機鏡頭、條形碼閱讀器、掃描儀和輸送機。這些生態系統需要下一代網絡技術來實現設備、傳感器和設備通信的連結。作為業界首個提供符合IEEE標準的功能的交換器解決方案，LAN9668系列TSN交換器組件可實現更低延遲的數據流量和更高的時鐘精度。
意法：具有自主意識的高精度測斜儀
意法半導體的IIS2ICLX是一款高精度、低功耗的雙軸數字測斜儀，用于工業自動化和結構健康監測 等應用，具有可設置的機器學習內核和16個獨立的可設置有限狀態機，有助于邊緣設備節能省電，減少向云端傳輸的數據量。
IIS2ICLX具有高穩定性和可重復性、高精度和高分辨率的優點，特別適合工業應用，例如天線指向監測、云臺調平、叉車和建筑機械、調平儀器、設備安裝監測、以及太陽能板安裝和光線跟蹤，以及工業4.0應用，例如，機器人和自動駕駛汽車(AGV)。
德州儀器 ISO676x 6信道增強型數字隔離器
電涌是電氣設備故障的主要原因。瞬態電涌描述的是電力流突然上升。瞬態電涌的來源有多個，最常見的是內部，如負載開關，甚至可能是正常的設備操作。電涌保護裝置 (SPD) 與被保護的設備并聯，因此在發生電涌期間，SPD 會在幾納秒的時間內降低其阻抗，從而導致沖擊電流被分流。
德州儀器 ISO676x 6信道增強型數字隔離器設計用于需要高達5000VRMS隔離等級的成本敏感型應用（符合UL 1577標準）。Texas Instruments還通過VDE、TUV、CSA和CQC認證。這些器件借助隔離電源，能幫助防止UART、SPI、RS-485、RS-232和CAN等數據總線上的噪聲電流損壞敏感電路。憑借創新的芯片設計和布局技術，ISO676x隔離器的電磁兼容性得到了顯著增強，從而可確保提供系統級ESD、EFT和浪涌保護并符合輻射標準。
u-blox用于工業及室內定位應用 精巧低功耗藍牙模塊
室內資產追蹤解決方案激發了許多新興應用的出現，這些應用將受益于 ANNA-B4 的精巧尺寸、低功耗需求，以及關鍵的藍牙測向支持，讓用戶可以在室內環境中精確定位被標記的移動資產。在各種環境，包括智慧建筑、工廠、醫院和倉庫，室內資產追蹤的應用越來越受到歡迎。
u-blox ANNA-B4模塊，是一款功能豐富、尺寸超精巧的Bluetooth 5.1 系統級封裝（SiP） 模塊。ANNA-B4 鎖定惡劣環境的應用，例如智能照明網絡和工業斷路器，以及制造現場、倉庫、醫院和智能城市的室內定位使用案例。這款SiP 模塊支持藍牙網狀網絡、遠距離傳輸和測向功能，以及Thread 和 Zigbee，工作溫度可高達 105 °C，且已獲得全球認證。
參考資料：
