数字化工厂以数据驱动运营，它由多个组件构成，这些组件协同工作，旨在优化整个生产工厂的运营效率。从某种意义上说，它可以比作人体。传感器如同眼睛和耳朵，使中央控制器（即大脑）能够感知周围环境；执行器如同肌肉，进行必要的调整；工厂的连接网络如同遍布全身的神经系统；而保护数据的关键网络安全技术则如同“皮肤”。.

数字化工厂的优势
在深入探讨数字化工厂的组成部分之前，我们先来概述一下它的优势。数字化工厂的优势在于能够显著提高生产效率，从而改变制造业格局。来自数字化工厂生态系统的全新洞察有助于实时决策。这转化为更高的产品质量和更高效的整体运营，最终实现更可持续的生产流程。鉴于工业部门消耗了全球约 50% 的能源¹，对于致力于实现净零排放的制造商而言，互联的数字化工厂是这一转型的核心。除了可持续性优势之外，数字化工厂还提供了灵活性和实时配置能力，能够快速响应消费者需求的变化。例如，在医疗保健领域，对个性化医疗器械的需求日益增长，例如根据每位患者的解剖结构量身定制的 3D 打印关节植入物。随着工厂设计变得更加模块化，生产单元变得更小、更灵活，工作流程可以进行实时编程和修改，从而提高制造速度，并支持在欧洲和北美开展具有竞争力的离岸外包业务。

图 1. 数字工厂的构造。.

图 2. 数字工厂的优势。.

数据：数字化工厂的灵魂。
来自工厂各处多个数据源的实时和非实时数据必须在智能边缘（数据源头）进行快速可靠的分析，并集中汇总，才能展现整个工厂运营的全貌。从这些数据中获得的运营洞察对于充分释放工厂的运营效率潜力至关重要。

传感器：数字化工厂的耳目。
为了获取必要的数据，需要部署更多传感器和更多传感模式，例如温度、压力、流量、接近度和振动。持续检测、测量和解读工厂资产需要精准的测量和传感技术。IO-Link® 技术使传感器具备智能功能。压力传感器能够本地判断压力是否超过所需阈值，因此只需向控制器提供一个布尔值（是或否），该值代表一个数据位，而不是代表实际压力测量的完整数字值。本地决策节省了通信和处理时间，从而实现高效的分布式控制。

执行器：数字化工厂的肌肉。
执行器常常是数字化工厂中默默无闻的英雄，它们如同肌肉一般，是完成工作的关键。这些执行器用于控制阀门、活塞和其他机械装置，从而实现对流体流量的精确控制，确保将适量的物料输送到流程的每个环节。
传感器和执行器都必须能够适应其应用环境中的各种条件。严苛的工业环境包括高温、电磁干扰 (EMF) 辐射、瞬态电源电压尖峰以及机械振动。对于这些边缘传感和执行系统而言，电源是另一个关键考虑因素。随着传感器和执行器尺寸的缩小，以及信号采集精度和质量的提高，对电源性能的要求也随之提高。这就需要高效、低噪声且占用空间小的电源管理解决方案——这在空间受限的设计中至关重要。如果没有针对特定检测需求的合适电源技术，数字化工厂的实时配置优势就无法实现。

图 3. 现代数字工厂的组成模块。.

外围智能与中央智能：数字化工厂的大脑。
由于数字化工厂要求外围设备具备更高的功能和智能水平，因此必须在设备内部执行更多计算和分析，以实现本地化决策。为了实现这种外围设备的自主性，需要本地人工智能 (AI)/机器学习 (ML) 引擎、低功耗加速器以及更大的内存和处理能力。传感器融合是另一种外围智能，它可以同时组合来自多种不同类型传感器的数据，从而获得更精确的测量结果——这是使用单个传感器无法实现的。借助新型高精度、高带宽模数转换器 (ADC)，单个前端传感器即可用于监测多个传感器元件，从而节省空间和能源。人工智能微控制器技术使神经网络能够以超低功耗运行，而低功耗发射器即使在远程加工厂（通常是智能工厂的延伸）也能提供更强大的诊断能力。

图 4. 利用智能传感器实现外围设备自主性。.

连接性：数字化工厂的神经系统
⁾ ，它将通过与现场设备（传感器和执行器）的无缝以太网连接，显著提高工厂运行效率，从而彻底改变过程自动化行业。

图 5. 数字工厂中的 IT/OT 融合。.

在当今的工厂中，信息技术 (IT) 网络部署在办公室/企业层面。传统上，IT 网络负责数据存储、数据分析和业务应用等问题。虽然这些功能很重要，但通常不如生产车间的数据交换那么关键。管理工厂车间生产线的网络被称为运营技术 (OT) 控制网络。在该控制网络中，可能存在多个不同的生产单元或机器，它们之间的通信能力往往有限。数字化工厂中融合的 IT/OT 网络概念改变了这一切。它提供了一个统一的工厂网络，所有设备、机器和机器人连接互联，使用同一种语言进行通信。每个具有 IP 地址的设备都可以实时或近实时通信，并且可以独立于网络上的其他设备进行配置。实现这种融合的数字化工厂网络的关键技术包括工业以太网、时间敏感网络 (TSN)、以太网高级物理层 (Ethernet-APL) 和 IO-Link。由于所有设备现在都使用相同的二层协议，因此可以使用同一套网络管理和控制系统来控制网络中的 IT 和 OT 部分，同时还能兼顾运营网络的时效性流量。大量的流量，无论紧急与否，都要求进行网络升级，以提高带宽并确保零延迟数据传输，这对于生产车间的高质量和运营效率至关重要。OT 和 IT 的融合使得可扩展性几乎无限。.

网络安全：保护工厂中可信数字数据的屏障。
随着互联互通程度的提高，对数据安全的需求也日益增长，因为智能工厂环境将人员、技术、流程和知识产权暴露于网络威胁之下。这促使人们需要安全启动、安全软件更新、安全传输认证和硬件信任根等功能。网络安全的关键在于对每个尝试连接网络的新设备进行身份验证。这需要在授权任何网络交易之前验证设备的真实性。与设备身份验证类似，安全启动也至关重要，因为它确保现场设备仅运行来自可信来源的软件，并使用公钥加密技术来验证固件的数字签名。

目前有哪些技术解决方案？
ADI 一直以其创新的精密技术而著称，这些技术用于在整个工厂中精确地感知、测量和控制设备。结合其广泛的工业连接和电源解决方案产品组合，以及包括人工智能专业知识在内的其他数字功能，ADI 拥有实现先进数字工厂所需的技术和领域专业知识。
低带宽、多通道 Σ-Δ ADC（例如AD4130 系列）集成了所有模拟前端电路，可轻松与多种传感器类型互连。这使得传感器能够与高级诊断功能融合，从而支持局部故障检测和快速决策。业界
MAC-PHY ADIN1110和配套的 ADIN1100 PHY 可实现与现场设备的无缝过渡，通过 1.7 公里的单对以太网电缆将以太网 APL 传输到过程边缘。-
在网络安全方面，交钥匙硬件解决方案使客户能够轻松地将数据安全集成到其产品中。 DS28S60和MAXQ1065是安全、超低功耗的集成电路 (IC)，即使在功耗和计算能力受限的设计中也能实现公钥加密。MAX78000 AI
微控制器使神经网络能够以超低功耗运行，从而在边缘提供可操作的 AI 洞察。
数字化工厂广泛部署之路：
行业调查显示，过去两到三年中，85% 的公司加快了其制造工厂的数字化转型。³ 然而，全面实施数字化工厂尚未成为常态。世界经济论坛的全球领先制造商网络正在展示，数字化战略和数字化运营如何带来超越生产力提升的效益，为可持续盈利增长奠定基础。这些制造商通过部署创新技术释放产能，从而提高生产力。这些技术提高了效率，进而产生了环保效益。这转化为生产力提高和可持续性增强的双重效益——换句话说，就是有效的生态效率。

结论：将您的数字化工厂变为现实。
随着数字化转型不断加速，工厂面临着机遇与挑战并存的局面。新技术是提高效率的关键，但其实施可能十分复杂，需要精心执行。与拥有深厚行业经验的合作伙伴携手，对于改进运营、释放效率至关重要。这种合作是构建更强大、更具适应性的未来数字化工厂的核心所在。

参考文献
1 《工业部门能源消耗》。美国能源信息署，2016 年。
2 Maurice O'Brien 和 Volker Goller。 “利用 10BASE-T1L 连接实现现场无缝以太网连接”。Analog Devices 公司。
3 Janet Foutty。“数字化转型和充满挑战的环境如何构建敏捷性和韧性”。德勤洞察，2021 年 4 月。

作者简介：
特蕾西·约翰逊 (Tracey Johnson) 是 Analog Devices 公司的高级市场经理，领导着一支专注于工业自动化市场的数字营销团队。2003 年，特蕾西毕业于爱尔兰利默里克大学，获得电子工程学位。她最初以设计评估工程师的身份加入 ADI，之后先后在应用和市场营销部门担任过多个职位。
玛格丽特·诺顿 (Margaret Naughton) 是 Analog Devices 公司的市场工程师，也是专注于工业自动化市场的数字营销团队的一员。自 2007 年加入 ADI 担任软件开发人员以来，玛格丽特先后在 CAD、工程支持和市场营销部门担任过多个职位。她拥有利默里克大学的计算机工程学士学位和硕士学位。