與4.0時代的其他領域一樣，制造4.0也是使用數(shù)據(jù)和連接讓流程變得高效、精簡，并讓智能系統(tǒng)能夠做出決策。此類發(fā)展與功能的實現(xiàn)，得益于眾多技術的支持。而其中，人工智能、機器學習、大數(shù)據(jù)、云計算和增強現(xiàn)實常常風光獨占；但要實現(xiàn)這些目標，還有其他一些支持性技術不可或缺。本文探討了傳感器、可編程邏輯控制器、低功耗組件和系統(tǒng)以及視覺系統(tǒng)（至關重要但尚未得到充分認可）在推進制造4.0發(fā)展方面發(fā)揮的作用。

傳感器

傳感器在制造4.0中扮演著多重角色。除了捕獲用于洞察和決策的數(shù)據(jù)外，它們還捕獲整個產(chǎn)品制造過程中所需的數(shù)據(jù)。例如：

01、位置傳感器

極常見的傳感器類型之一。這些傳感器有助于測量機械位置，例如氣缸在啟動裝配線上的下一個產(chǎn)品之前是否返回到原始位置。

02、存在檢測傳感器

大致相同。例如，光學存在檢測傳感器會發(fā)出一束光或激光，除非有東西阻擋，否則這束光始終可見，據(jù)此判斷其視野中是否存在某物。

03、尺寸檢測傳感器

數(shù)據(jù)可用于質(zhì)量控制，以及確定裝配時設備是否能夠安全地在生產(chǎn)線上移動。

04、接觸傳感器

可用于感應車廂門是打開還是關閉，或是急停以防設備損壞—兩者都具有安全隱患。

05、振動傳感器

通常用于確定設備的健康狀況；比如，伺服電機出現(xiàn)振動說明有零件出現(xiàn)磨損。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，可以在問題發(fā)生之前預測維護需求。

沒有傳感器就沒有制造自動化。在使用將45000公斤壓力壓到另一個表面上的壓力機時，您需要知道該區(qū)域是否干凈。傳感器相當于自動化的數(shù)字眼睛、耳朵、鼻子和手指，無需猜測或想當然，從而實現(xiàn)更安全、一致且高效的狀態(tài)。更重要的是，穩(wěn)固設計才是真正所需，這些設計可能需要耐受熱量、濕氣、油、灰塵和/或其他各種可能的惡劣條件。

從數(shù)據(jù)收集的角度來看，傳感器是洞察一切的門戶，它們提供的原始數(shù)據(jù)可以讓用戶了解生產(chǎn)線上發(fā)生的一切。許多制造商仍在改造他們的舊設備；在這種情形下，要付出很多努力來開發(fā)既能連接舊的可編程邏輯控制器，又不影響其功能的數(shù)據(jù)接入點。還有一些制造商，雖擁有來自多個來源的數(shù)據(jù)流，但卻不清楚如何用其獲得有用的見解。

傳感器融合提高了可收集數(shù)據(jù)的質(zhì)量和類型，以及從數(shù)據(jù)中獲得洞察力的確定性。比如，可使用激光傳感器檢測高度，再使用視覺傳感器加以確認。大多數(shù)情況下，使用兩個或以上不同傳感器收集數(shù)據(jù)會產(chǎn)生冗余；然而，傳感器融合讓您能夠根據(jù)各種傳感器的優(yōu)勢來組合數(shù)據(jù)，從而提高洞察力。盡管如此，了解如何應用現(xiàn)如今的繁雜傳感器技術獲得有用的見解仍面臨著挑戰(zhàn)。

可編程邏輯控制器

從機器收集信息時，通信不是從傳感器到傳感器，而是從傳感器到制造網(wǎng)絡中的可編程邏輯控制器（PLC）。PLC是堅固耐用的固態(tài)工業(yè)計算機，用于控制制造流程。它是制造系統(tǒng)的大腦：既是存儲邏輯和流程信息的地方，也是網(wǎng)絡通信開始的地方。

PLC的主要功能是接收輸入，做出基于邏輯的實時決策，并通過輸出發(fā)送操作指令，確定復雜流程的操作順序。PLC的輸入可來自開關、傳感器、視覺系統(tǒng)和其他來源，而輸出目標可包括警報器、繼電器、指示燈、氣缸、螺線管、模擬輸出、機器人，甚至其他可編程邏輯控制器。PLC確保接收到正確的輸入。例如，一臺機器可能配有一個啟動傳送帶的紅色大按鈕；但是，PLC會監(jiān)視以確保先啟動通電信號和可能的安全功能，才可以啟動傳送帶。

PLC還通過為閉環(huán)數(shù)字孿生（CLDT）提供運營數(shù)據(jù)來幫助提高制造效率。CLDT使用一個虛擬模型，理想情況下該模型考慮影響生產(chǎn)效率的所有系統(tǒng)與變量。在這里，PLC提供歷史和實時輸入/輸出數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)連同來自其他系統(tǒng)的數(shù)據(jù)可用于微調(diào)機器設置、人員配備、物料存儲和其他運營配置。不論規(guī)模大小，均可實施CLDT，從單個設備到整條生產(chǎn)線乃至整個制造運營部門皆可。

在支持邊緣計算的環(huán)境中，虛擬化PLC勢頭正盛，消除了對物理PLC和機箱的需求。否則，整個制造車間的PLC可以安裝在單個機箱中，或采用模塊化設計，按功能（電源、處理、輸入/輸出選擇等）分組。模塊化PLC具有易于維護的優(yōu)點，因為它們不依賴于其他系統(tǒng)。不論是物理形式還是虛擬形式，PLC始終是制造流程的大腦。

低功耗組件和子系統(tǒng)

未被充分認可的技術還包括在每個電子設備、電氣設備和子系統(tǒng)（包括PLC）中使用低功耗組件。低功耗組件一般位于設計的底層—晶體管、印刷電路板 (PCB)、電阻器、現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）……等等。就實現(xiàn)制造4.0而言，低功耗是一個重要的推動因素，因為它顯著縮小了組件的尺寸。如果沒有低功耗組件的進步，機電系統(tǒng)可能要包含一整箱繼電器，大得如同你房間的一面墻。

隨著組件和子系統(tǒng)的尺寸越來越小，系統(tǒng)也變得更出色，因為系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量更少，效率更高，而且尺寸更緊湊。所有這些因素使得設計師構建的復雜機械與工藝不會占據(jù)整個制造空間。當然，尺寸越小還意味著成本越低。

現(xiàn)在，我們能夠應用那些過去雖可提供但價格讓人望而卻步的各種技術與方法。埃隆·馬斯克在接受采訪時提到，將東西送到火星要花費每噸14萬美元。他認為，我們雖然擁有這項技術，但卻沒有人愿意花這么大的代價去資助這個項目。

視覺系統(tǒng)

您可以把視覺系統(tǒng)看作是能夠識別物體、將關鍵信息傳達給其他系統(tǒng)并根據(jù)所見內(nèi)容采取行動的高級機器人。它的應用通常分為以下四類：

定位?— 確定零件的位置和方向

識別?— 識別零件、識別條形碼、進行庫存分類等

計量?— 測量并計算兩點之間的距離，以及確定測量是否符合規(guī)范

檢驗?— 包括檢測缺陷或異常

在制造環(huán)境中，視覺系統(tǒng)可被訓練用于識別能夠被測量、計數(shù)、解碼或定位的對象。與其他機器學習應用一樣，訓練需要大型數(shù)據(jù)集，其中有形狀、大小、方向、邊緣、圖案、顏色等特征。例如，在訓練系統(tǒng)識別翅片管中的缺陷時，系統(tǒng)經(jīng)訓練可能會識別出具有以下特征的翅片管：指定長度與周長，帶條形翅片（而非金屬絲翅片），表面平整（非鋸齒狀），焊縫相距0.14英寸。經(jīng)訓練的系統(tǒng)可儲存圖像（即各種不同形式的像素集合），用作比較的基礎。

在使用中，視覺系統(tǒng)會提供通過/失敗這兩種結(jié)果。繼續(xù)以此為例，系統(tǒng)攝像頭將在翅片管制造過程完成時獲取其圖像。圖像由捕獲的光組成，具有黑色、白色、灰色和可能的彩色區(qū)域。圖像被傳送到圖像傳感器，該傳感器捕獲反射光并將其轉(zhuǎn)換為不同形式的像素。然后，系統(tǒng)會解析該圖像，確定其是否與自己被訓練識別的具體像素形式相匹配。

視覺系統(tǒng)的使用給制造業(yè)帶來了多方面的提升，例如提高產(chǎn)品質(zhì)量、減少浪費（材料和時間）、減少停機時間、創(chuàng)建可追溯性和問責制以及促進合規(guī)性。

結(jié)語

制造4.0在令人驚嘆的技術支持下，正飛速發(fā)展。盡管人工智能、大數(shù)據(jù)、云計算和增材制造常常占據(jù)頭條，但也有一些不起眼的技術在發(fā)揮著重要作用：

傳感器捕獲用于洞察和決策的數(shù)據(jù)，推動產(chǎn)品制造流程順暢進展。

PLC是制造系統(tǒng)的大腦：它是存儲程序、信息和備份以及進行通信的地方。

低功耗組件和子系統(tǒng)使我們現(xiàn)在能夠應用以前成本過高、尺寸過大的技術與方法。

視覺系統(tǒng)使機器人能夠看到物體、將關鍵信息傳達給其他系統(tǒng)并執(zhí)行任務。

華麗光鮮的技術可能會搶占風頭，奪人眼球，但對于制造4.0及其未來技術而言，這些不那么光鮮的技術也同樣舉足輕重。

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