熄灯不停产，这样的超级工厂是如何打造出来的？
【导读】24小时连续作业，无人工干预，机器自助配合，质量远程监控……产业界将具备这些特点的工厂定义为“熄灯工厂”，也可称为“关灯工厂”或“黑灯工厂”。当前，全球头部品牌的汽车制造工厂，智能手机/PC代工厂，很多都是以“熄灯工厂”标准来打造。
24小时连续作业，无人工干预，机器自助配合，质量远程监控……产业界将具备这些特点的工厂定义为“熄灯工厂”，也可称为“关灯工厂”或“黑灯工厂”。当前，全球头部品牌的汽车制造工厂，智能手机/PC代工厂，很多都是以“熄灯工厂”标准来打造。
“熄灯工厂”的架构和价值
“熄灯工厂”代表着全自动化的生产流程。通过“关灯”运转模式，工厂在生产效率和库存周期等方面得到明显改善，助力企业的可持续发展战略。达沃斯世界经济论坛与管理咨询公司麦肯锡将这些先进的工厂定义为“灯塔工厂”，截至目前，全球共有132座“灯塔工厂”，其中50座位于中国。
“熄灯工厂”作为工业4.0的典型应用，其体系架构和工业4.0类似，如下图所示。
图1：工业4.0体系框图（图源：Plattform Industrie 4.0）
这样看可能不够具体，我们以富士康工业互联网的智能工厂架构来具体看一下“熄灯工厂”的组成。如下图所示，“熄灯工厂”是富士康工业互联网的主要应用之一，其非常大的改变是软硬件对人的替代：系统中的决策者变成了各种智能软件系统，管理者则是操作系统配合硬件系统，执行者是各种终端设备。
图2：富士康工业互联网云架构和“熄灯工厂”应用（图源：富士康）
在人工成本快速上涨，产品迭代速度日益加快的大背景下，“熄灯工厂”是工业制造领域发展的必然趋势，带来了更高的柔性生产效率和协同生产能力。同时，“熄灯工厂”具备更高效、高质量的自动质量检测能力，有效避免了人工主观造成的漏检与误检，能大幅提高产品交付质量。当然，“熄灯工厂”并不意味着完全无人化，只是将生产、决策、调度的权利留给了前端设备，极少数的人员在后端负责监管和运维。
通过图2我们能够清晰地看到，“熄灯工厂”的企业层主要由各种功能软件和系统组成，车间层主要是各种硬件系统和连接技术，设备层则是具体的设备和仪器。“熄灯工厂”涉及的关键技术包括云计算、大数据、物联网、人工智能、自动质量和工业自动化等，这些关键技术均以电子元器件为基础构建底层系统，这是贸泽电子携手原厂为产业发挥赋能价值的地方。
为了持续提升这些核心技术的整体性能，信号链、微控制器、传感器、网关芯片和电源管理芯片等也在持续突破。以传感器为例，已经不仅是简单地将物理信号转换为数字信号，在小型化、集成化的前提下，也逐步具备了智能化的能力。
下面我们就来具体看一下，构建“熄灯工厂”可以用到哪些性能领先的电子元器件。
“熄灯工厂”中的机器视觉
上面已经提到，“熄灯工厂”一大显著特点是仅需要少数几个人根据现场信号灯来解决一些突发情况。我们都知道在传统工厂中很多工作需要人眼去做判断，那么机器在执行相同的操作，甚至是更复杂的操作时，也需要具备这种视觉能力，这就是为什么机器视觉会如此被重视。
GGII数据显示，2022年中国机器视觉市场规模为170.65亿元，预计到2027年将达到565.65亿元，其中2D视觉市场规模将达到407.15亿元，3D视觉市场规模将达到158.5亿元。快速增长的机器视觉技术在“熄灯工厂”里主要从事以下几方面的工作：
#01. 引导定位
为了让包括机械臂在内的产线设备能够找准目标物的位置，基于图像处理和分析技术的视觉定位引导系统便是系统中不可或缺的一部分，在上下料、生产、装配等环节发挥重要作用，其配置模式包括固定机位模式、移动机位模式以及混合模式。
#02. 外观检测
机器视觉质检技术是一种信号链、无损伤的自动检测技术，过往这是生产制造环节用人工较多的地方，换用机器视觉检测系统之后，在尺寸检测、形状检测、外观缺陷检测等方面得到明显改善。
#03. 高精度检测
在检测环节，引入机器视觉之后，系统检测的能力已经超出人类极限，可以实现毫米级，甚至是微米级的检测，比如电路板引脚检测、硬币字符检测等。
#04. 识别和分拣
机器视觉能够对图像进行处理、分析和理解，以识别各种不同模式的目标和对象，主要的识别手段包括Blob分析法（BlobAnalysis）、模板匹配法和深度学习法。同时，系统基于识别的结果还可以进一步结合机械臂增加分拣环节，这在目前的仓储和快递行业已经非常普遍。
因此，机器视觉是实现工业自动化和智能化的必要手段，相当于人类视觉在机器上的延伸，具备精确性、持续性、高效性和可重复性等特点。为了帮助大家更好地打造机器视觉方案，在此我们为大家推荐一款来自制造商ADI的100万像素飞行时间模块，贸泽电子官网上该器件的料号为ADTF3175BMLZ。
图3：ADTF3175 100万像素飞行时间模块（图源：贸泽电子）
ADTF3175基于ADSD3100进行设计，集成了用于成像器的镜头和光学带通滤波器、包含光学元件的红外照明源、激光二极管、激光二极管驱动器和光电检测器、闪存以及电源稳压器，可产生本地电源电压。
图4：ADTF3175模块系统框图（图源：ADI）
作为ADTF3175模块的核心，ADSD3100是一款100万像素CMOS间接飞行时间（ITF）成像器，设计用于高分辨率3D深度传感和视觉系统。该芯片支持1024（水平）×1024（垂直）像素阵列，3.5μm×3.5μm方形像素，以及1/3.6英寸光学格式。
图5：ADSD3100系统框图（图源：ADI）
ADSD3100通过移动行业处理器接口(MIPI)、摄像头串行接口2（CSI-2）接口与主机系统进行电气连接，这一点在ADTF3175模块上得到了充分利用。同时，ADTF3175模块编程和操作通过4线SPI和I2C串行接口进行控制。
除了机器学习系统以外，ADTF3175模块还可用于机器人、楼宇自动化和增强现实(AR)系统等应用方向。
“熄灯工厂”中的状态监测
机器视觉的应用很多都是为了让工业制造系统清晰地了解产品的状态量，其实系统自身的状态量监测也很重要。如果系统能够及时发现和预测出故障的发生，将会大幅度提升设备运行的可靠性。
一般而言，设备从正常运转到发生故障停机，有一个发生和发展的过程，很多故障并不是突发的。因此，在“熄灯工厂”里都会有一个工况监测系统，属于设备管理系统的一部分。通过这个系统，能够准确把握系统中各设备的运转情况。这样做对于产线良率的保持也很有帮助。
作为MEMS惯性元件的一种，MEMS加速度计能够测量物体的加速力，从而得到物体的振动和位置信息，让物体能够了解自身状态，因此在“熄灯工厂”里得到广泛应用，典型应用包括振动检测、姿态控制、安防报警、状态记录、动作识别等。
接下来，我们便为大家介绍一款性能领先的MEMS加速计，同样是来自制造商ADI，贸泽电子官网上，该器件的料号为ADXL367BCCZ-RL7。
图6：ADXL367 MEMS加速计（图源：贸泽电子）
ADXL367 MEMS加速计是一款超低功耗三轴微机电系统(MEMS)加速计，在100Hz输出数据速率下仅消耗0.89μA电流，在运动触发唤醒模式下消耗180nA电流。与使用功率占空比来实现低功耗的加速计不同，ADXL367没有通过欠采样混叠输入信号，而是采用全数据速率对传感器的整个带宽进行采样。器件内部的低通滤波器转角自动设置，以确保满足奈奎斯特采样准则。
图7：ADXL367 MEMS加速计在几种电源电压下的电流消耗与输出数据率（图源：ADI）
ADXL367 MEMS加速计具有14位恒定输出分辨率。同时，在较低分辨率足够时，还提供8位格式化数据实现更高效的单字节传送。为了兼容ADXL362设计，还支持12位格式化数据。该器件具有±2g、±4g和±8g测量范围可供选择，在±2g范围内，分辨率为0.25mg/LSB。
ADXL367是一款高集成、多性能的器件，内置微功率温度传感器，用于同步转换额外模拟输入和具有中断能力的内部模数转换器(ADC)、可以在任何输出数据速率下工作和仅增加35nA电流的单击和双击检测，以及防止误触发的状态机。
图8：ADXL367 MEMS加速计功能框图（图源：ADI）
图9：ADXL367单击和双击检测（图源：ADI）
ADXL367 MEMS加速计提供深度多模输出先进先出(FIFO)功能。
图10：ADXL367 MEMS加速计FIFO读取功能（图源：ADI）
图11：ADXL367 MEMS加速计SPI FIFO读取功能（图源：ADI）
除了24/7全天候不间断感测和工业应用以外，ADXL367 MEMS加速计还可用于运动使能省电开关、运动使能计量设备、数字医疗保健、单节电池供电的智能手表、智能家居、产销合一商品和生命体征监控设备等应用中。
“熄灯工厂”的下一步：精益化
“熄灯工厂”的广泛部署打通了离散制造企业的设备、网络、控制、车间、企业间的信息流与控制流，帮助企业实现了数字化和智能化升级。不过，当前很多“熄灯工厂”解决的痛点还主要是机器替代人工，虽然提高了生产效率，不过对于生产任务的变动不能灵活地响应。在生产的过程中，大部分自动化设备只能从事简单重复的工作，对于使用复杂系统的产品生产难以胜任。另外，有些企业为了强制性推动“熄灯工厂”的概念，导致工厂能耗大幅度上涨。
因此，“熄灯工厂”下一步发展趋势是精益化。精益化首先要求“熄灯工厂”各环节的设备和系统需要具备更高的智能化水平，与时下另一大热门理念——“柔性生产”进行融合，从机械自动化迈向柔性自动化，对产品具有自主建模、自主规划的能力。
精益化其次是要求“熄灯工厂”和企业的可持续发展战略相一致，在提升生产效率的同时降低工厂整体能耗，持续降低制造型企业的碳排放，助力工业的“双碳目标”实现。
从“熄灯工厂”后续发展态势不难看出，智能化和低功耗的属性是非常明显的，这就要求应用于这一方向的元器件同样具备这些特征，当然这也是贸泽电子元器件新品的卖点。
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