工业领域传感器（工业传感器的作用）

当前，行业数字化转型正如火如荼地进行。几乎每个人都在使用（工业）物联网、智能工厂或网络物理（生产）系统等流行语。在工业强国之一的德国被称为工业4.0，而在世界其他地区则被称为“工业4.0”。

然而，似乎没有人知道它的确切含义。尽管存在多种解释，但没有明确的定义。对于许多人来说，向工业4.0的转变已经成为日常生活的一部分，不断的重复使得这个概念不再新鲜。尽管数字化、网络化已成为常用的流行语，但理解工业4.0并无帮助。

聚焦工业4.0，尤其是在德国，很多行业都受到政治的影响。但其他国家已经认识到它对其经济和竞争力的积极影响，鼓励他们进一步创新。在此背景下，政府官员正在推行一种将供应商视角和用户公司视角相结合的双重战略，主要集中在工业自动化和机械/制造工程领域。制造商一方面必须在自己的生产过程中使用新的高效智能技术，另一方面将这些技术和产品推向市场。

相比之下，大家都认为工业4.0不仅会推动新技术和智能产品的发展，而且有助于扩大生产领域。这也为利用现有和新兴市场日益增长的市场动力和复杂性创造了条件。能够涉足多个领域的公司似乎处于一个特别好的起点。

这尤其适用于半导体行业的公司。 Analog Devices 等半导体制造商已经在消化这一复杂的概念，并将其生产线转变为全自动智能工厂。 Analog Devices 还为制造业公司提供创新技术，帮助他们将制造设施转变为智能工厂。然而，要开始这种转变，重要的是要认识到，在提供附加值、提高生产率并相应降低成本的同时，需要付出巨大的努力。

工业4.0不仅意味着生产的变革和技术的扩展，也意味着对创新商业模式的需求日益增加。关于工业 4.0 已进行广泛的讨论，并有很多不同的解读，研究结果大致可以分为三个方面：新技术、新产品和新商业模式。所有这三个方面一起涵盖了生产及其产品的整个价值链——从传感器节点开始经云端再到下游服务（图1）。

图1. 电流信号链

通常有一个节点包含某种形式的传感器或执行器，它也建立了与真实物理世界的连接。这些设备传入和传出的信号通常非常小，并且源自噪声水平较高的恶劣环境。它必须被处理、转换并转发到信号链中的下一个链路。

由于该信号链出现问题，必须更改信号链。最初纯数据传输到云端，但越来越多的数据处理发生在节点上，如图2所示。

图2. 未来信号链

这种数据处理需要对node——有更高的洞察力和知识，才能将数据转化为信息。这种智能检测技术可降低整体功耗，减少带宽浪费，并促进从反应式工业物联网向预测性实时工业物联网的转变。

这就涉及到技术了。许多半导体制造商已将其列为核心能力之一，并需要不断改进。

此外，能源效率也发挥着重要作用。鼓励半导体制造商不仅利用其专业知识进一步开发产品，而且还开发自己的设计和工艺技术，因为网络是整个工业物联网解决方案的重要组成部分。无论是有线还是无线，未来对这两种技术的需求都会增加，并且两者都必须包含在解决方案组合中。

如果深入到系统层面，聚焦垂直细分市场，就能为客户提供更完整的系统。硬件平台齐全，节点均配有相应的软件包。这还可能包括相关算法来分析节点中现有的数据，最终只将结果传输到网络（云端），减少信息中的数据量。

尽管工业4.0是一个有意义且重要的话题，但半导体制造商在选择过程中必须非常谨慎。整个市场还处于探索阶段，需要了解自己处于什么领域，如何正确运用自己的优势和技术来满足客户或应用的真实需求。

IIoT市场有哪些新需求？

从产业价值链来看，未来市场需求将会发生变化。这就是为什么半导体制造商必须使其业务和产品适应智能工厂的现实等原因。技术趋势正在转向智能和超高效节能产品，并在可能的情况下，集成安全和安保功能以及能量收集功能。

图3 显示了此类设备或完整系统，以Analog Devices 的基于MEMS 的加速度计ADXL356 为例。

图3. 基于MEMS 的智能传感器解决方案

ADXL356 是一款低功耗、低噪声、具有超低失调漂移的3 轴加速度计。由于采用密封封装，ADXL356 特别适用于恶劣环境条件下的精确倾斜测量，以及低功耗或电池供电无线传感器网络中的高性能（长时间）测量。这些应用需要预测性维护和状态监测。两者都与工业4.0密切相关。在这些操作期间，必须确定驱动元件的损坏程度，例如通过执行永久或定期振动诊断。

对于此类智能传感器解决方案，如图2所示，加速度计是整个系统的基础。它通过附加功能进行了扩展：带有模数转换器、微控制器以及各种模拟和数字（部分隔离或无线）接口的集成信号处理。无线接口支持以太网、6LoWPAN或WirelessHART等通信标准，具有最高的可靠性。特别是对于后两个标准，SmartMesh IP和SmartMesh WirelessHart等无线通信网络提供了非常好的解决方案。前者符合6LoWPAN 标准，为每个节点提供本机IPv6 寻址能力，并使传感器数据可以轻松地从云端访问。后者符合专为工业应用设计的WirelessHART 标准(IEC 62591)，并且可与其他供应商的WirelessHART 设备互操作。两者都通过AES 128 位端到端加密提供极其可靠和安全的数据传输，并且可以扩展到多达50,000 个节点。

最后，在这些系统的开发过程中不能忽视功能安全。为了使安全成为完整系统解决方案的一部分，半导体制造商还应该投资网络安全解决方案（CSS）和加密等技术。

图3 所示系统的后果是，未来可集成在电路板上的芯片级标准产品将会减少。标准产品的集成已经发生在硅晶圆上或称为系统级封装(SiP) 的封装中。这意味着制造商必须对芯片级或者至少是板级以及相应的生态系统有深入的了解。这样，客户可以更加专注于他们的应用程序，并使自己从竞争对手中脱颖而出。

Analog Devices 等供应商必须考虑使用或集成其他市场的成熟技术。这可能有助于降低高成本并延长生命周期。 MEMS 是在其他产品中成功实施的技术的一个例子。 MEMS 技术从未用于创建加速度计以外的设备，但现在已用于超快速开关，例如ADGM1304。这款带有集成驱动器的单刀四掷(SP4T) 开关的工作频率为0 Hz/DC 至14 GHz，使其成为各种RF 应用或继电器替代产品的理想开关解决方案。

这种技术组合不仅有助于服务个人客户，还有助于制造商进入不同的（有时是新的）市场。在许多情况下，制造商的各种技术可以通过这种方式轻松组合，以创建新的高效应用程序。

然而，对于半导体制造商来说，仅仅扩大其传感器和其他半导体器件的范围是不够的。为了继续被认可为全球市场参与者并充分挖掘工业4.0的潜力，其产品组合还应在通信技术领域得到扩展。例如，在工业自动化领域可以清楚地看到向以太网（准确地说是确定性以太网）的转变。因此，ADI 公司最近收购了Innovasic，这是一家确定性以太网领域的半导体和软件解决方案供应商。通过此次收购，ADI 公司增加了在高度同步网络中强大的实时连接方面的专业知识，通过独特的软件解决方案扩展了其产品组合。因此，即使在当前数字化趋势下，许多半导体制造商的目标仍然是从模拟技术转向垂直系统领域，提供连接物理世界和数字世界的完整系统解决方案。

然而，为了引起客户对此类系统的兴趣，可能有一些重要因素。不仅仅是正确的软件，还有围绕软件的工具和正确的生态系统，这将为客户创造附加值。因此，未来还需要新的服务和算法来分析所生成的数据。

未来附加值对客户意味着什么？

如今，客户的资源越来越多地被引入软件中。这对整个半导体行业来说是一个挑战，这意味着必须为客户提供更多、更高效的开发工具，同时也需要培训机会、文档和支持；这可以通过生态系统直接提供，也可以通过供应商提供的分销提供。

当然，仅仅因为技术上可行就开发所有这些支持工业4.0的产品和系统是没有任何意义的。重要的是必须为客户带来显着的附加值。为了证明购买和运行工业4.0 应用程序的额外成本是合理的，这种附加值必须对客户可见且可访问。

通常，与客户相关的附加值可分为三大类：

通过节省时间、资源和金钱来提高运营效率；

通过分析使用数据提高客户满意度和忠诚度；

通过扩展或创新业务模式来创造额外的收入来源。

智能产品的成功与否直接关系到其附加价值能否得到认可。这些因素最终决定了所有与实施相关的技术和商业参数，因此应进行详细分析。分析的结果也可能是该产品创意在经济上不可行，或者至少还不可行。为了使开发更加可行并更快、更有效地集成到系统中，制造商的支持将发挥重要作用。制造商将把他们的专业知识嵌入到客户的开发流程中，从而减少客户的额外工作量和成本。此外，制造商可以继续专注于其核心业务，而无需浪费宝贵的时间学习新技术，而合作伙伴和其他合作者可以帮助推动持续增长。

虽然工业4.0有很多优点，但问题是为什么很多企业还没有投资智能工厂呢？

犹豫的原因

主要障碍之一是企业尚未认识到智能工厂将带来的显着好处，因此不愿意支付相关成本。例如，由于缺乏货币化评估标准，计算投资回报率（ROI）仍然很困难。因此，半导体制造商必须提高客户意识并提供教育材料，解释智能工厂的好处，同时指出投资智能工厂将获得的价值。新技术和商业模式以及营销活动、资格措施和销售管理的发展和扩展都需要投资。

随着生产部门的转型，数据和IT安全等问题变得越来越重要。这些内容不仅是成功引入工业4.0的重要要求，而且还必须作为关键采用和成功因素在数字系统中实施。

此外，企业在实施工业4.0的初期制定基本战略路线并积累相关技术经验也很重要。然而，这个过程需要耐心，因为许多相关技术可能需要5年、10年甚至更长时间才能充分展示其潜力。而且，由于缺乏明确的定义，工业4.0全面实现的具体日期尚无定论。与其谈论“工业革命”，不如说“工业进化”更有意义。

随着生产环境的变化，新的参与者和竞争对手也会出现或影响市场。联盟即将到来，将对塑造生产形象产生重大影响。工厂车间发生的事情对企业未来的影响越来越小。此外，软件和服务业也将发挥重要作用，因为只有连接和整合虚拟和现实世界，制造商才能确保实现最大的生产潜力。

尽管如此，半导体制造商不应忽视其现有业务或过去已经或仍然成功的产品。这些关键产品应得到进一步开发，并在未来继续通过保持适当的制造能力得到支持。虽然今天的数据转换器架构非常稳定，并将继续作为未来的基础，但仍然需要对其基本架构进行改进。例如，由于此类产品采用较小尺寸的工艺，因此要达到相同甚至更好的性能并不容易。

新市场趋势下的适度增长

近年来大规模的并购引发了半导体市场的整合。销售和分销从设备转向系统。为了在未来取得成功，个人或公司必须认识到工业4.0 中颠覆性技术和新市场的潜力，并重新定位自己。公司必须继续利用半导体行业为数不多的有机增长来源。不幸的是，半导体行业年销售额增长30%至40%的辉煌岁月已经成为过去，现在这种增长速度似乎已经结束。 2015年至2020年间，年均增长率预计仅为3.4%。企业必须思考以下基本战略问题：未来增长将源自何方？

以下增长来源可能至关重要： 由碳化硅(SiC) 制成的功率半导体目前被视为未来产品的新增长来源。碳化硅产品比普通硅基半导体产品更快、更坚固、更高效，因此被认为是一种颠覆市场的技术。由于混合动力和电动汽车以及再生发电和某些工业应用的需求不断增长，SiC 及其姊妹技术氮化镓(GaN) 技术将在未来几年占据主导地位。

结论

作为更大的物联网（也称为“万物互联”）的一部分，工业4.0 具有巨大的潜力。在未来几十年中，其市场价值预计在万亿级范围。在工业 4.0 的帮助下，任何能够提高生产力的东西都会让不同规模的公司产生浓厚兴趣。

要充分发挥物联网市场的潜力，需要的不仅仅是硬件。我们需要的是一个由硬件、软件和服务组成的生态系统。这种新环境鼓励灵活的小公司与大公司合作。

然而，半导体制造商不应忽视工业4.0 热潮之外的当前趋势和发展。有些技术传统上属于某个市场，但最终会影响其他市场，例如5G。传统上，5G 是一种用于移动设备和基础设施的通信技术。但未来推动5G需求的市场之一将是汽车市场。与其他系统的通信对于自动驾驶尤为重要。每辆车都成为复杂生态系统的一部分，其中通信起着关键作用。除了汽车之间的数据交换外，这个生态系统还包括路边基础设施、5G网络和大型数据中心。此外，车辆还依靠摄像头、激光雷达和雷达等传感器来获取有关环境的必要信息。整个通信系统必须协同工作。鉴于自动驾驶需要以更高的速度、更低的延迟和卓越的可靠性处理大量数据，5G 似乎是目前最有前途的通信标准。

简而言之，工业4.0智能工厂的转型及其所需的技术为半导体制造商创造了巨大的可能性和成功。