本文作者是 ADI公司現(xiàn)場應用工程師 Thomas Brand

目前，一場頻繁地被稱為工業(yè)4.0（德國稱為Industrie 4.0）的范式轉變正在發(fā)生。在國際使用中，像（工業(yè)）物聯(lián)網(wǎng)、智能工廠或信息物理（生產(chǎn)）系統(tǒng)這樣的術語都指代相同的東西，它們常常可以互換使用。工業(yè)4.0指的是工業(yè)價值鏈及其產(chǎn)品轉向數(shù)字化與聯(lián)網(wǎng)的全球趨勢。

特別地，在德國工業(yè)4.0不僅僅在商業(yè)界具有高知名度，。由于其經(jīng)濟影響，工業(yè)4.0也受到政治推動，例如進一步發(fā)展德國制造業(yè)的競爭力。在這種情況下，政府官員正在推動一種將供應商視角和用戶公司視角結合起來的雙重戰(zhàn)略，主要領域是工業(yè)自動化和工廠工程。為此，制造商必須將最新技術用于自己的生產(chǎn)過程，另一方面還要將這些技術和產(chǎn)品投向市場。

從主導供應商的角度來看，信息或通信技術與傳統(tǒng)高科技方法的整合主要是為了擴展生產(chǎn)部門及其技術。為了實現(xiàn)這一擴展，需要滿足不斷增強的市場動能和市場復雜性所產(chǎn)生的先決條件。從制造企業(yè)的角度來看，重要的是為新市場設計智能技術和產(chǎn)品，并相應地為這些市場服務。為了滿足供應商和制造商的需求，企業(yè)需要兼顧這兩種視角的戰(zhàn)略。例如，半導體行業(yè)中的公司就很擅長運用此類雙重戰(zhàn)略。

如ADI公司等半導體制造商正在消化這個復雜的概念，將自己的生產(chǎn)線轉變成全自動智能工廠。此外，這些制造商還向制造業(yè)中的其他公司提供創(chuàng)新技術，幫助他們將其制造設施改造成智能工廠。因此，中小企業(yè)便被賦予了一個重要角色，它們占德國工業(yè)企業(yè)絕大部分（超過98%）。可能獲得什么樣的支持，半導體制造商面臨哪些挑戰(zhàn)，以及工業(yè)4.0會帶來哪些機會——這些問題將在下文進行探討。

企業(yè)需要判斷，將其生產(chǎn)設施轉變?yōu)橹悄芄S是徒勞無益的努力，還是會真正提高生產(chǎn)率并降低成本。

為了找到以下關鍵問題的答案，許多市場研究公司進行了大量研究。他們都得出了同樣的結論：工業(yè)4.0將為中小企業(yè)提高附加值，它們應該抓住相關機會以鞏固公司的成功。尤其是對半導體制造商來說，研究結果可分為三個方面：新技術、新產(chǎn)品和新商業(yè)模式。所有這三個方面一起涵蓋了生產(chǎn)及其產(chǎn)品的整個價值鏈——從傳感器節(jié)點開始經(jīng)云端再到下游服務。

Figure 1. Signal chain of a smart factory.

圖1.智能工廠信號鏈

為實現(xiàn)智能工廠轉型，必須提供智能和節(jié)能產(chǎn)品，或者說完全自主的系統(tǒng)，它們可以很簡單地集成到現(xiàn)有生產(chǎn)結構中（例如即插即用）。這些系統(tǒng)由各種半導體器件和傳感器組成，并與模擬和數(shù)字信號處理IC相結合。價值鏈從這些器件開始：首先，傳感器負責從真實的物理世界收集數(shù)據(jù)，之后將它們轉換成數(shù)字信號，再在數(shù)字領域中進行處理（見圖1）。

新需求有哪些？

隨著價值鏈的發(fā)展，市場需求將需要改變。這就是為什么半導體制造商必須將自己的企業(yè)和產(chǎn)品適應智能工廠的現(xiàn)實原因。技術趨勢正朝著智能節(jié)能產(chǎn)品以及集成安全安保功能和能源采集能力方向發(fā)展。在圖2中顯示了一個器件或者說一個完整的系統(tǒng)，其中以ADI公司基于MEMS的加速度計ADXL356為例。

ADXL356是一款低成本、低噪聲、3軸加速度計，測量范圍可達±40 g （FSR）。該器件的主要特性是超低失調(diào)漂移和低功耗。由于其密封封裝，ADXL356特別適合惡劣環(huán)境條件下的精確傾斜測量，高分辨率振動測量，以及低電流或電池供電無線傳感器中的高性能（長時間）測量，適用于結構健康監(jiān)測（SHM）、姿態(tài)和航向參考系統(tǒng)（AHRS）或其他具有突然過大作用力的應用等。ADXL356是構成一個系統(tǒng)的基礎，并且可以通過其他功能實現(xiàn)擴展：利用模數(shù)轉換器、微控制器以及各種模擬、數(shù)字（部分隔離）或無線接口集成信號處理，支持以太網(wǎng)、6LpoWPAN或ADRadioNet等通信標準。ADRadioNet是由ADI公司開發(fā)的通信標準，其特點是采用無線自愈式多跳頻的通信協(xié)議，具有高擴展性，且內(nèi)存消耗低。此外，它還集成加密方法（例如AES-128和AES-256）可阻止可能的網(wǎng)絡攻擊，提高了安全性。最后但同樣重要的是，功能安全在這些系統(tǒng)的開發(fā)過程中起著重要作用，因為這對智能工廠而言也非常重要。

對于半導體制造商來說，未來僅擴充傳感器和其他半導體器件的品種是不夠的。為了成為市場上的全球性玩家，以及充分發(fā)掘工業(yè)4.0的潛力，其現(xiàn)有產(chǎn)品范圍必須通過通信和低功耗微處理器技術加以擴展。考慮到這一點，ADI公司已經(jīng)在其產(chǎn)品組合中提供了相關解決方案。例如在通信領域，有多種采用HART?調(diào)制解調(diào)器的解決方案。通過使用現(xiàn)有基礎設施來實現(xiàn)新的節(jié)能技術，這些HART解決方案能夠以相當簡單的方式改進傳統(tǒng)擁擠不堪的通信網(wǎng)絡。

Figure 2. MEMS-based smart sensor solution.

圖2.基于MEMS的智能傳感器解決方案

市場研究還顯示，中小型企業(yè)希望得到制造商和供應商的大力支持，以便更快更有效地將新產(chǎn)品集成到其系統(tǒng)中。通過這種方式，企業(yè)可以減少額外的工作量，繼續(xù)聚焦于其核心業(yè)務。具體說來，供應商和企業(yè)之間的合作或協(xié)同努力便屬于支持類型。

雖然工業(yè)4.0有諸多優(yōu)點，但是現(xiàn)在的問題是為什么許多企業(yè)尚未投資于智能工廠？

猶豫的原因

投資的主要障礙之一是企業(yè)還沒有認識到智能工廠會帶來利益，故不愿付出相關成本。例如，由于缺乏貨幣化評估標準，目前要計算投資率仍然相當困難。因此，半導體制造商必須提高客戶的意識，提供教育資料以說明智能工廠的優(yōu)勢，同時指出投資智能工廠會獲得的價值。

但是，不僅僅是有興趣將自己的設施變成智能工廠的中小企業(yè)需要進行投資，像半導體制造商之類的智能解決方案提供商也必須投資于自己的產(chǎn)品，可能的話還需要重組其各個業(yè)務部門。這些投資對于新技術和商業(yè)模式，以及開發(fā)和拓展營銷活動、資格認定措施、銷售管理都是必要的。

隨著生產(chǎn)部門的轉型，數(shù)據(jù)和IT安全等領域會一再發(fā)揮重要作用。這些方面不僅僅是成功引入工業(yè)4.0的重要需求，而且還應該作為關鍵的成功要素持續(xù)地貫徹到數(shù)字系統(tǒng)中。

對于企業(yè)來說，重要的是要在開始實施工業(yè)4.0的早期階段制定基本戰(zhàn)略路線，收集相關技術經(jīng)驗。然而，這個過程需要耐心，因為許多相關技術可能要經(jīng)過5年、10年甚至更長時間才能充分展現(xiàn)其潛力。因此，工業(yè)4.0的實施過程將需要很長時間。而且，由于缺乏明確的定義，工業(yè)4.0將于何時完全實現(xiàn)并沒有一個確切日期。與其談論“工業(yè)革命”，不如使用“工業(yè)演進”可能更有意義。

隨著生產(chǎn)環(huán)境的改變，新的參與者和競爭者也將出現(xiàn)或影響市場。聯(lián)盟即將出現(xiàn)，并會對塑造生產(chǎn)形象產(chǎn)生重大影響。在未來的工業(yè)或企業(yè)廠房中，人會越來越少。軟件和服務業(yè)也將發(fā)揮重要作用，因為只有將虛擬與現(xiàn)實世界聯(lián)系并融合起來才能提供巨大的生產(chǎn)潛力。

很明顯，對于企業(yè)來說，正在加速當前的發(fā)展步伐，如果錯失機會，他們將很難趕上。

因此，企業(yè)不再相信工業(yè)4.0是暫時的炒作。與此同時，目前的市場清楚地顯示出工業(yè)4.0和智能工廠不可逆轉的發(fā)展趨勢。而對于缺少標準、缺乏安全性、知識不足等方面的最大問題正在變得越來越小。此外，關于未來生產(chǎn)環(huán)境的困惑也在減少。

總之，工業(yè)4.0智能工廠的轉型以及其所需的技術，為半導體制造商創(chuàng)造了巨大的可能和成功。