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半导体行业的智能制造基石与先行者

2022/10/27
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智能制造,本质上是为了让智能系统代替人类,进行高效的生产过程。智能制造的发展离不开工业机器人,同样,工业机器人的发展也多是围绕智能制造展开。本期与非主题月,请来了国内外知名半导体领域厂商——意法半导体(ST)、国民技术以及长电科技,将结合各自的产品甚至产线,以工业机器人为切入点,围绕芯片在智能制造领域的发展进行讨论。

他们的产品组成了智能制造的基石,亦或自身也是智能制造的先行者。他们在不断创新,不断突破,为半导体行业、为智能制造注入新的活力。而这些,正是我们所需要的。

半导体产品与技术的应用

在智能制造领域,各类工业机器人的开发与量产,使得机器人技术在搬运、焊接、喷涂、加工、装配、检测等领域得到了规模化的应用,大幅提高了生产效率及产品的稳定性,同时又降低了生产成本。工业机器人作为智能制造的前沿,半导体器件及技术也嵌入其各个环节中。

电机驱动器微控制器是构成当今工业机器人大脑的核心组件,ST在这方面富有经验,其工业自动化技术创新中心技术市场经理姚春雷向与非网表达了这一观点,尤其是在市场中被广泛使用的STM32微控制器,以及集成了微控制器的一体化电机控制整体解决方案STSPIN32。此外,ST还有种类繁多的功率分立器件,以及用于控制反馈的业内领先的微传感器,在这些产品的加持下,ST的整体解决方案可应用于各种不同的高低压工业机器人设计。

工艺方面,微控制器采用ST最新的 CMOS制造技术,模拟芯片和功率器件制造采用BCD 技术。另外,ST 还是前沿的宽禁带技术的领导者,其GaNSiC产品已经应用于市场。

国民技术市场总监刘杰文则认为,该公司主要通过四大产品系列来为工业机器人及智能制造领域提供相关服务,包括安全芯片射频芯片、通用MCU以及电池管理。

其中,高等级安全芯片可对客户的重要资产进行加密,保证系统的信息安全。射频芯片N32WB031和N32WB452系列,可用于工控系统中蓝牙通讯模块。

通用MCU分为基于Cortex-M0的N32G0,可用于工业模块、传感器等一般性控制;基于Cortex-M4的N32G4系列,主频高达144MHz,配备大容量存储及先进的模拟外设,可用于变频、伺服、运动控制系统的主控;明年国民技术会基于Cortex-M4及Cortex-M7,推出一系列处理性能更强、模拟性能更强、控制精度更高的产品,满足工业机器人对主控产品的新需求。国民技术采用业内最为先进的40nm平台,使得产品性能和集成度更高,未来也将向更先进的工艺平台发展。

工业机器人市场的高度多样化

对于芯片半导体厂商来说,市场方向通常按应用会分为消费、工业、通信、汽车等。其中,工业机器人作为工业领域的一个分支,市场关注度似乎一直不太高,厂商对待的态度也有所区别。

在刘杰文看来,工业机器人市场在不断变化,对于性能和控制精度的要求不断提升,这也导致了针对该市场的专用芯片难以跟上。目前主流还是使用通用产品来覆盖该市场变化。市面上虽然那么多通用MCU,但每个系列又是针对特定的一个领域,例如国民技术的N32G4系列,配备5MSPS的ADC运算放大器以及比较器等,都是针对工业控制所配备的先进外设。同时,也在持续关注该领域的技术革新,例如控制精度和响应速度,人工智能物联网等,国民技术均在积极布局产品,以满足市场需求。

ST同样认可工业机器人行业面临的高度多样化挑战,这源于机器人通常是为特定应用专门设计。 因此,可以看到实时性能、高能效、可靠性和适用于恶劣工业环境的鲁棒性是在设计工业机器人时选择半导体器件所要考虑的重要因素。针对这些需求,意法半导体提供高集成度的智能功率模块、系统级封装、单片电机驱动器、快速高效的功率开关,有瞬变保护的三端双向晶闸管,以及性能强大的微控制器和安全微控制器。

智能制造中其他半导体技术

除工业机器人以外,半导体在推进智能制造继续前进的道路上,依然扮演着极为重要的角色。刘杰文认为,智能制造还包含了人工智能技术、大数据技术、云计算技术、物联网技术以及整体的信息化系统。半导体是这些技术的嵌入式硬件平台,里面包括了功率半导体材料的革新,提升效率与能耗;无线传输技术,包含BLE、工业通讯总线,NB-IOT,4G/5G通讯技术,LoRa无线协议,CAT-1,WIFI等,通过不断更新迭代,使得物联网技术和云接入更加高效而可靠;主控芯片越来越高的集成度,更高的处理性能以及更好的能效,以实现智能制造中从感知、决策到执行的控制平台。

姚春雷则认为,人工智能、边缘计算和预测性维护是 ST 专注的新领域,这将帮助其客户构建智能制造生产流程。ST在人工智能产品和生态系统中不断投资并提供系统级解决方案,从而推动智能制造技术发展。

所谓智能制造,也分为制造自动化和智能化两块。往前几十年,大家都在关注制造自动化,关注设备对人力重复劳动的简单替代;而目前,智能化得到了更多的关注,意味着智能制造在我国也进入了下半场。

“智能化”或更智能的系统将是智能制造行业主要关注的领域。例如,边缘计算将提高制造流程效率,这是因为现场控制器(MCU)可快速做出与特定功能相关的决策,这避免了通过云端处理分析所带来的延迟或安全问题,以及带宽要求。 目前,ST 正在加快这一领域的投入,针对工厂自动化开发出了更智能的传感器,以及用于本地分析和决策控制的高性能MPU(微处理器),以提高执行速度和设备效率。

智能制造未来的机会点

通常,谈到工业物联网及智能制造,环节上可以分为感知、决策、执行。针对智能化工业时代,刘杰文认为机会点最多的是在感知与决策。要实现工业智能化,首要解决的是智能传感,我们需要将众多传感器的数据,实时地通过有线,或更多的无线传输方式连接到工业云平台。其次,因为工业过程中数据是变化的,通过某一段数据训练的模型无法用到整个生产过程中,因而必须要做一个自适应的机器学习系统,也就是智能化工业中的决策层。对于这个系统而言,必须要考虑工业网络化系统安全,这是有特殊的安全要求的。这样,这个系统就实现了制造流程的全局化、个性制造流程化。为此,国民技术提供了丰富的SoC平台,高等级的安全芯片,无线射频等多系列产品,为智能化制造提供硬件实现平台。

姚春雷认为,智能制造发展的趋势是高能效、高智能化和高集成度。SiC 和 GaN 驱动器的广泛使用将会提高系统能效,分别涉及STGAP2SiC 系列 和STDRIVEG 系列。智能传感器和IO Link等现场通信技术将在工业生产制造领域中越来越普及,这将有助于提升生产线的智能化程度。高度集成的电机驱动控制整体解决方案(STSPIN32F0系列)将在协作机器人和小型物流运输设备市场广泛应用。在这些领域,ST有着丰富的经验和领先的技术。

智能制造先行者

长电科技作为国内半导体封测领域的头部企业,对开展智能制造而言,可以说是“以身作则”,不断推进“制造”迈向“智造”的数字化转型,并制定了全面智能化方针策略。

具体表现在设备全面联网、实现人机互联、机机互联,人机协调;质量数据实时采集,SPC、FDC系统导入,加快发现异常的速度,提高反应的效率;降低人工作业难度,提高人效;运用JIT物料调度,提高物料运转效率,降低停机率;全面进入大数据时代,建立全生产要素的数字化工厂。

步骤上,长电科技将智能制造分为五个阶段进行:

1.    构建整体基础生态,实现基础的生产自动化、生产信息化;
2.    智能仓储/智能物流,打造生产物流系统,将产品数字化、位置信息数字化;
3.    数字工厂:在实现第一、第二步的基础上,运用生产大数据,构建数字化工厂,让数据充分发挥作用;
4.    无人化制造:实现整体工厂的无人化,丰富生产大数据的应用;
5.    实现全面的智能制造:虚拟生产演算,智能化工厂规划。

目前,长电科技已建成车间级工业互联网,达到设备之间互联互通,并利用智能系统对生产设备运行状态进行实时监控和指挥调度。

“智改数转”也不仅仅是软硬件的组合重置,更是对企业全方位、全角度、全链条、全生命周期的重塑与再造。为“智改数转”再加一把力,长电科技在研发设计上,积极运用个性化定制,缩短研发设计周期,降低研发设计成本,提高研发成功率;在生产制造上,加快标准再造、流程再造、工艺再造,提高产品质量和竞争力;在市场服务上,开展平台化、定制化、轻量化服务模式创新,以数字化的技术和应用拓展服务渠道、延伸服务触角、提升服务质量。

长电科技智能工厂建成以来,主要生产设备技术水平达到国际先进水平。车间设备互联互通,所有数据通过数据平台进行交互,推动生产效率显著提升,助力企业生产效率不断提升。

写在最后

企业数字化转型是对企业战略、业务创新、核心业务能力、管理体系和数字化支撑系统的全面数字化。在众多企业智能制造的改造过程中,国民技术、意法半导体这样的厂商提供了底层的相关产品,而长电科技则基于自己的需求,率先加入改造的浪潮,自身不断蜕变和突破。这一切都是智能制造势不可挡的缩影。

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工科学士跨界金融硕士,曾任私募基金高级投资分析师,擅长解析企业内在成长性与投资价值,带你看清行业内的干货和泡沫