如何开启智能工厂“效率与生产力的新时代”

“在边缘处理方面，我们的观察是，客户正在将数据处理从云端向边缘侧转移，以便实现更低的延迟、更好的隐私保护、以及更多元化的应用，这些都推动了对更多边缘智能的需求。”恩智浦安全连接边缘事业部副总裁、工业边缘处理总经理Jeff Steinheider日前在接受《电子工程专辑》采访时，以智能工厂为例，讲述了边缘智能如何赋能“效率与生产力的新时代”。

恩智浦安全连接边缘事业部副总裁、工业边缘处理总经理Jeff Steinheider

构建智能工厂生态体系

Jeff Steinheider指出，智能工厂的真正推动力是工业4.0或工业物联网，其核心是将真实物理工厂的数据连接到云端，并创建数字孪生。在这一趋势下，工厂对更多数据、更多互联和更强处理能力的需求呈指数级上升，他们既需要可编程逻辑控制器(PLC)、远程IO控制器(IO)、驱动/电机控制等传统应用，也需要机器人、机器视觉和人机界面(HMI)等先进系统，从而实现更复杂的自动化流程。

然而，仅有技术是远远不够的。据世界银行估计，全球18%的GDP来自制造业，整个行业规模达到17万亿美元。但与此同时，全球工业领域能源使用总量占比超过了38%，制造了全球50%的废弃物，每年的计划外停机成本高达1.5万亿美元。更何况，预测数据显示，未来30年，全球人口将增加近20亿，如何在提高运营效率、提高能效、减少废弃物的前提下，继续扩大工厂规模来满足20亿人的巨大需求，成为了现实的挑战。

Jeff Steinheider认为解决问题的关键，是尽快建立包括利益相关方(原始设备制造商OEM、半导体商、板卡和元器件制造商、软件和云服务提供商)、基础设施(灵活的生产线、运营效率)、标准与法规(ISO162443功能安全标准、IEEE802.1时间敏感网络、可持续发展指南)和用户在内的“智能工厂生态体系”。

在他的描述中，未来的智能工厂将在智能异构处理、机器学习、时间敏感网络和工业以太网、EdgeLock安全岛区域和EdgeLock安全等技术的加持下，变得更加灵活，抗风险能力和功能/信息安全防护能力更加强大，例如可编程的机器界面能够被迅速调整修改；预测性维护、 智能机器、融合且可升级的有线/无线网络成为常态；带防火墙的专网让功能安全、网络 安全防护能力再上一层楼，等等。

半导体能做些什么？

这样的智能工厂的确令人激动，但制造业的生态系统非常复杂，在打造智能工厂、重新定义工厂车间的过程中，需要将诸多新技术(如边缘计算、云计算、连接和人工智能)融入其中；需要整合大量的传感器、驱动器和电机等设备，并对它们产生的数据进行连接、分析和处理；需要让工厂车间具有可重新配置的能力，以应对快速变化的需求……这些最终都会加剧打造智能工厂的复杂性，带来更大的挑战。

而一切问题的解决，最终都要依靠半导体芯片技术。让我们以NXP i.MX RT1180跨界MCU、赋能机器学习的MCX MCU和N-AFE模拟前端为例，一起了解一下目前芯片行业在化解智能工厂复杂性上取得的最新成就。

• i.MX RT1180：弥合不同协议标准间缺口

i.MX RT1180跨界MCU是恩智浦首款集成千兆时间敏感网络(TSN)交换机的MCU，支持实时通信和多种通信协议，包括EtherCAT、PROFINET、Ethernet/IP、CC-Link IE和HSR，可广泛应用于工厂自动化、紧凑型运动控制、电机控制工业网关、网络终端设备、交流/伺服驱动器、远程I/O管理和IO链路控制器等场景，实现了现有工业系统和Industry 4.0平台之间的融合。

同时，这也是恩智浦首款带有EdgeLock安全岛区域的跨界MCU。恩智浦大中华区工业及物联网市场高级总监孙航表示，EdgeLock安全岛区域是一个预配置、自管理式自主片上安全子系统，可简化为工业物联网和智能制造部署可靠的系统层面安全的复杂性。

• MCX微控制器：30倍机器学习效能提升

MCX是恩智浦面向智能家居、智能工厂、智慧城市以及新兴工业和物联网边缘应用领域推出的微控制器产品组合，首次集成了用于加快边缘推理的神经处理单元(NPU)，与单独的CPU内核相比，可提供高达30倍的机器学习吞吐量。

这意味着，之前利用CPU处理的事项，现在可以由NPU来完成，而不占用CPU资源。通过CPU和NPU的并行处理，可同时做到控制和外界的交互，因此，人工智能处理和通用的输入输出控制可以并行实现。由此在一颗通用MCU上，既实现了传统MCU功能，也实现了人工智能的运算加速。

NPU加速器支持基于eIQ的机器学习软件开发环境，这与恩智浦MCU/MPU基于CPU的开发环境和开发工具保持一致，为用户增加机器学习功能和智能元素提供了便捷。也就是说，从进行数据整理、数据库建立以及标注这个阶段开始，全链路均可实现赋能。而一旦数据库被建立并被标注之后，所有的机器学习开发者就可以在他们想要达到的特定目标中应用模型；当模型最终在目标平台运行时，eIQ同样能帮助做更好的调试和优化的工作，以使模型获得最佳表现。

• N-AFE模拟前端：助力软件定义工厂

恩智浦模拟前端(N-AFE)系列，作为软件可配置的通用模拟输入器件，可为软件定义工厂提供支持，帮助操作员简化智能工厂的配置流程，并根据不断变化的市场需求轻松调整设置。

具体来讲，恩智浦N-AFE模拟前端可配置为多种不同的输入方式，例如电压、电流、热电偶和热电阻等，为实现软件定义工厂提供支持。同时，得益于准确性和分辨率的提高，产品质量有望得到改善。此外，N-AFE高级诊断和异常检测功能可实现预测性维护，为打造成功的智能工厂奠定了基础。

但实际上，上述这些不过是恩智浦智慧工厂解决方案的“冰山一角”，按照Jeff Steinheider的说法，NXP的目标是要把工业处理器、安全、连接、传感器/执行器、电源管理等丰富的产品组合和技术资源整合在一起，形成面向智慧工厂的工业自动化平台，为定义和构建智能工厂提供极大的灵活性。