工業(yè) 4.0 依賴于電子產(chǎn)品制造的智能自動化。自動化功能不僅越來越強大，而且無處不在，從邊緣到云，已經(jīng)運用到傳感器、機器人和協(xié)作機器人、可編程邏輯控制器(PLC)和各種各樣的其他設備中。半導體晶圓、集成電路、無源元件、包裝和電子系統(tǒng)都依賴于智能自動化生產(chǎn)，涵蓋了消費、綠色能源、汽車、醫(yī)療、工業(yè)、軍事/航空航天等許多應用領域。統(tǒng)一的制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES) 對從原材料到成品的整個制造鏈進行實時監(jiān)測、控制、跟蹤和記錄。

　　工業(yè) 4.0 中的網(wǎng)絡物理自動化系統(tǒng)超越了傳統(tǒng)的制造活動，依靠從云端深度強化學習到邊緣微型機器學習 (tinyML) 的各種形式的機器學習(ML)，以實現(xiàn)靈活生產(chǎn)、持續(xù)改進和穩(wěn)定的高品質。連接層數(shù)越來越多以及邊緣計算、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT)和云計算的結合，日益加劇與網(wǎng)絡安全有關的挑戰(zhàn)。區(qū)塊鏈最近已進入人們的視野，能夠實現(xiàn)全面、安全的供應鏈管理。

　　本文探討電子制造業(yè)領域中的關鍵自動化趨勢，包括不斷增加的連接層、網(wǎng)絡安全方面日益增長的需求、專門實施正在部署的 ML，以及可追溯性和 MES如何支持實時生產(chǎn)指標和分析。然后，介紹全面實現(xiàn)工業(yè) 4.0 對高質量、低成本化大規(guī)模定制的承諾而所需的一些技術，包括 DigKey如何以廣泛的解決方案來滿足自動化系統(tǒng)設計者的需求。最后，介紹區(qū)塊鏈是如何用來部署高度安全的企業(yè)級供應鏈管理系統(tǒng)的。

　　連接層越來越多

　　工業(yè) 4.0 中的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 包括了更多用于傳感器網(wǎng)絡、自主移動機器人 (AMR) 和其他系統(tǒng)的有線和無線網(wǎng)絡層。例如，開發(fā) IO-Link的目的是為了向大量傳感器、執(zhí)行器、指示器以及其他以前未連接的傳統(tǒng)邊緣設備提供簡化的有線網(wǎng)絡連接，使其與諸如以太網(wǎng) IP、Modbus TCP/IP 和

　　PROFINET 等更高級別的網(wǎng)絡連接。借助 IO-Link，這些設備的輸入和輸出 (IO) 被捕獲后轉換為 IO-Link 協(xié)議，用于通過 IEC60974-5-2 標準規(guī)定的單一 4 線或 5 線非屏蔽電纜實現(xiàn) IEC 61131-9 標準規(guī)定的串行連接(圖1)。除了提供新網(wǎng)絡層以獲取有關工廠流程的更細化信息外，IO-Link 還支持快速部署和遠程配置、監(jiān)測和診斷所連接的設備，以支持工業(yè) 4.0工廠實現(xiàn)大規(guī)模定制所需的生產(chǎn)線和流程變化。

　　從傳感器到機器人的各種無線 IIoT 設備也有助于實現(xiàn)不斷增加的網(wǎng)絡層。包括 Wi-Fi、5G、LTE 等各種無線協(xié)議都已應用于現(xiàn)代工廠。例如，AMR使用板載傳感器和 Wi-Fi 連接的組合來了解其周圍環(huán)境，識別可能的障礙物并安全有效地從一個地方移動至另一個地方。協(xié)作機器人 (cobots)用于與人合作，以提高工作效率。這種機器人通常需要采用無線連接。某些情況下，AMR 會根據(jù)需要使協(xié)作機器人在不同的任務間切換。

　　越來越多的網(wǎng)絡危險

　　工業(yè)網(wǎng)絡的層數(shù)越來越多，而且所連接設備的數(shù)量在爆炸性增長，從而導致了安全威脅載體越來越多，網(wǎng)絡危險越來越大。目前，已經(jīng)制定的一些工業(yè)和物聯(lián)網(wǎng)安全標準及方法包括國際電工委員會(IEC) 62443、物聯(lián)網(wǎng)平臺安全評估標準 (SESIP)。

　　IEC 62443 是由國際自動化學會 (ISA) 99 委員會制定并由 IEC 批準的一系列標準。IEC 62443 標準是一個有 800多頁的工業(yè)自動化和控制系統(tǒng) (IACS) 系列標準，包括 4 個大部分 14 個子部分(圖 3)。界定產(chǎn)品開發(fā)和組件安全要求的關鍵部分是：

　　IEC

　　62443-4-1：產(chǎn)品安全開發(fā)生命周期要求——定義安全產(chǎn)品開發(fā)生命周期，包括初始需求定義、安全設計和實施、驗證和批準、缺陷和修補管理以及壽命終結。

　　IEC 62443-4-2：工業(yè)自動化和控制系統(tǒng)的安全：IACS 組件的技術安全要求——規(guī)定安全能力，使組件能夠減輕特定安全級別的威脅。

　　SESIP 標準由 GlobalPlatform發(fā)布，定義評估互聯(lián)產(chǎn)品安全的通用結構，并解決了物聯(lián)網(wǎng)特有的合規(guī)性、安全性、隱私性和可擴展性方面的挑戰(zhàn)。SESIP 以安全功能要求 (SFR)的形式對組件和平臺的安全功能給出了明確的定義。該標準還規(guī)定了強度指標，以 SESIP“等級”的形式衡量在受到攻擊時的穩(wěn)健性，具體分為 1 級到 5 級，其中 1級是自我認證，5 級對應于廣泛的測試和第三方認證。

　　從云到邊緣的機器學習

　　ML 是智能自動化的關鍵推動因素，支持持續(xù)流程改進和高品質產(chǎn)品。神經(jīng)網(wǎng)絡的使用是工業(yè) 4.0領域中一項成熟的機器學習技術。這是通過云端的深度強化學習進行補充的開始。深度強化學習為神經(jīng)網(wǎng)絡核心增加了一種目標導向型算法框架。強化學習最初局限于如玩游戲等可重復環(huán)境，今天，算法已能夠在現(xiàn)實世界中的更模糊環(huán)境下運行。在未來，實施高級強化學習可能會實現(xiàn)通用人工智能。

　　ML 不僅僅是在云端，而且正深入到工廠車間和邊緣。工廠車間的工業(yè) PC 和可編程控制器的擴展槽越來越多地插入 ML 和 AI加速卡，以實現(xiàn)智能化過程控制。

　　微型機器學習 (tinyML)針對在低功耗應用中部署進行了優(yōu)化。微型機器學習在傳感器應用中的使用量在飛速增長。例如，在通過電池或能量收集供電的邊緣設備中，IIoT傳感器分析就是一種微型機器學習應用。Arduino 提供了采用 Arduino Nano 33 BLE Sense 板的微型機器學習套件，該板上具有 MCU和各種傳感器，可以監(jiān)測運動、加速度、旋轉、聲音、手勢、接近、顏色、光強度和移動(圖 4)。此外，還包括一個 OV7675 相機模塊和一塊 Arduino盾板。板載 MCU 可以實現(xiàn)基于 TensorFlow Lite 開源深度學習框架的深度神經(jīng)網(wǎng)絡，用于設備端推理。

　　實時指標和分析

　　實時指標和分析是智能自動化的重要方面?？勺匪菪? 4.0結合了前幾代可追溯性中的產(chǎn)品可視性、供應鏈可視性和生產(chǎn)線可視性，并提供了一個涵蓋產(chǎn)品所有方面的完整歷史。此外，還包括所有機器和流程參數(shù)，支持優(yōu)化制造過程的整體設備效率(OEE) 指標。

　　可追溯性在許多行業(yè)都至關重要，涵蓋從醫(yī)療設備制造到汽車、航空航天等眾多行業(yè)。就醫(yī)療設備而言，根據(jù)監(jiān)管要求，需要進行廣泛的跟蹤和追溯。汽車和航空航天系統(tǒng)可能有數(shù)以萬計的部件需要追蹤。不僅僅是零件歷史，可追溯性還包括跟蹤單個零件的幾何尺寸和公差(GD&T)。GD&T 使精密制造成為可能，并根據(jù)零件的精確 GD&T 值進行安裝，以支持航空航天、汽車制造等行業(yè)的高精度裝配。

　　可追溯性可以提高產(chǎn)品召回準確性和召回效率?？勺匪菪允怪圃焐棠軌虼_定受到影響的產(chǎn)品和供應商，以及任何缺陷部件的供應商。

　　通過可追溯性，可以加速實施糾正性和預防性行動。與產(chǎn)品召回一樣，了解完整的產(chǎn)品原產(chǎn)地信息使制造商能夠有效地、有針對性地安排產(chǎn)品的現(xiàn)場服務、維護。

　　可追溯性和 MES

　　融合了可追溯性的統(tǒng)一實施 MES可以產(chǎn)生一個可搜索的數(shù)據(jù)庫，其中包括與單個產(chǎn)品相關的所有信息，涵蓋了計劃中的設計和竣工結果。例如，開始生產(chǎn)之前，可追溯性用來在單個部件或材料到達時實施跟蹤，包括進貨質量測試數(shù)據(jù)、供應工廠的位置等等。MES根據(jù)規(guī)劃好的設計來驗證這些信息，并將其輸入配套作業(yè)和在制品數(shù)據(jù)庫。

　　通過 IIoT 與 MES 結合提供的可追溯性數(shù)據(jù)可支持工業(yè) 4.0 環(huán)境下的大規(guī)模產(chǎn)品定制。MES能使正確的材料、流程和其他資源處于正確的位置，從而確保實現(xiàn)最低的生產(chǎn)成本、最高的產(chǎn)品質量。同時，MES可以和可追溯性相結合并證明符合政府法規(guī)，使審核或其他人員可以根據(jù)需要隨時查閱數(shù)據(jù)。

　　區(qū)塊鏈

　　區(qū)塊鏈是一個去中心化或分布式數(shù)字賬本系統(tǒng)，用于以可驗證的、不可篡改的方式記錄多方之間的交易。任何信任是重要因素的交易，如供應鏈管理，都是區(qū)塊鏈的潛在用武之地。在有許多參與者的供應鏈中，區(qū)塊鏈可以提高交易效率，并使交易可驗證、防篡改。區(qū)塊鏈在供應鏈活動中的使用優(yōu)勢如下所列：

　　替換人工流程。依靠簽名或其他形式的物理驗證的紙質手工流程，有可能利用區(qū)塊鏈進行改進。其局限性在于，賬本中的參與者的范圍必須有限且容易識別。快遞公司擁有不斷變化的陌生客戶數(shù)據(jù)庫，就可能不是區(qū)塊鏈的好選擇。一個擁有有限的、緩慢變化的以及可信賴的供應商群體的制造業(yè)務，則是一個很好的區(qū)塊鏈選擇。

　　加強可追溯性。區(qū)塊鏈可以為提高供應鏈透明度，滿足日益增長的監(jiān)管和消費者信息要求提供一種良好的工具。例如，區(qū)塊鏈可以支持《藥品供應鏈和安全法》以及美國食品和藥物管理局的唯一設備標識符授權。在汽車和其他行業(yè)中，整個供應鏈上的供應商都可以參與召回，區(qū)塊鏈可以為實施汽車行業(yè)行動小組發(fā)布的可追溯性指南提供一種良好的工具。

　　總結

　　作為工業(yè) 4.0基礎的智能自動化依賴于實施眾多的技術，包括越來越多的有線連接和無線網(wǎng)絡層，這招致了越來越復雜的網(wǎng)絡安全威脅。此外，機器學習正在從邊緣擴展到云端，以支持實時指標和分析，包括可追溯性和統(tǒng)一的MES。最后，正在為支持防篡改的、可驗證的數(shù)據(jù)庫引入?yún)^(qū)塊鏈技術。