节能组件提高工业能源效率

在过去几年中，工业物联网 (IIoT) 和工业 4.0 的重点完全放在子系统、传感器和开关等组件、大数据和互连上。然而，随着工业 4.0 的不断发展，能源效率对于真正实现工业 4.0 的进步至关重要。

工业设施是主要的能源消费者，可靠电力的可用性对于先进的制造工艺至关重要。工业部门可以对全球可持续性产生重大影响。 2016年，根据国际能源署的数据，该行业占全球用电量的41.6%。

电源和电源管理对于加强维护并最大程度地减少工业机器人在必须避免停机时间的市场中的中断是必要的。然而，更重要的是，提高效率具有节省大量资源的潜力。

有多种方法可以实现能源效率，包括但不限于以下方法：

• 安排生产过程以跟踪可再生能源发电的峰值。

• 通过优化操作速度来提高工业机器人的效率，而不仅仅是通过编程使它们工作得更快，从而增加节省到 30%。

• 使用 3D 打印减少材料浪费。

• 通过使用预防策略减少通常用于维护的能量。

• 如果可能，为远程设备改造智能电表和控制器。

• 实现一个“熄灯”环境，所有人类都被替换。这不仅可以提高工厂车间的能源效率，还可以提高设施内实际能源系统的能源效率。

• 使用低功耗组件。

将所有这些能效努力结合起来才能产生结果，而不是仅仅选择一种方法并期望它就足够了。

节能组件

许多新产品即将上市，它们可提供大量节能效果。以下是示例。

Infineon Technologies AG 解决了电源转换方案中对节能碳化硅 (SiC) 解决方案快速增长的需求，例如电池充电基础设施、不间断电源、电机驱动和能量存储。例如，该公司将 ANPC 拓扑用于其混合 SiC 和 IGBT 功率模块 EasyPACK 2B 在 1200-V 系列中。

该模块具有更高的功率密度和高达 48 kHz 的开关频率，支持超过 99% 的系统效率。混合型 Easy 2B 电源模块的重量明显小于相应的带有纯硅组件的逆变器。碳化硅的损耗比硅小，散热少，散热片也能收缩。

混合 EasyPACK 2B 模块具有更高的功率密度和高达 48 kHz 的开关频率。 （图片：英飞凌科技股份公司）

STMicroelectronics 继续通过其 STM32WBx5 等新产品解决能源效率问题 双核无线微控制器 (MCU) 和 STM32G4 微控制器。

STM32WBx5 无线 MCU 提供超低功耗性能，配备蓝牙 5、OpenThread 和 ZigBee 3.0 连接。虽然该产品具有功耗意识，但它能够并发无线协议和实时应用程序执行，适用于远程传感器、可穿戴跟踪器、楼宇自动化控制器、计算机外围设备、无人机和物联网设备。功能包括多种省电模式，例如 13nA 关断模式、自适应电压缩放和自适应实时 ART 加速器，可最大限度地提高能效并确保持久的性能。集成无线电发射器针对高射频性能和低功耗进行了优化，以最大限度地延长电池运行时间。

STMicro 的 STM32WBx5 MCU 提供超低功耗性能以及蓝牙 5、OpenThread 和 ZigBee 3.0 连接。 （图片：意法半导体）

针对高级数字电源应用以及消费类和工业产品，新的 STM32G4 微控制器引入了两个新的硬件数学加速器，可使用坐标旋转数字计算机 (CORDIC) 提高应用的处理能力。 CORDIC 是一种用于处理基本数学函数的计算效率高的算法，并支持提高性能和能源效率。

MCU 可加速节能电机控制的计算以及信号调节或数字电源控制的滤波。加速器比通用主处理器更快、更高效地计算结果，提高了解决智能工厂和智能能源应用的各种产品的能效。

STM32G4 的算法处理具有高精度的基本数学函数和支持提高性能和能效的过滤函数。 （图片：意法半导体）

Microchip Technology Inc. 最近发布了一款智能嵌入式视觉 该计划为低功耗、小尺寸机器视觉设计提供以 FPGA 为中心的 IP、硬件和工具。该公司的子公司 Microsemi 同时推出了一系列低功耗 PolarFire FPGA . Microsemi 声称 PolarFire FPGA 的功耗比基于 SRAM 的 FPGA 低 30% 到 50%，静态功耗低 5 到 10 倍。它们适用于计算密集型边缘设备以及热量和功率受限的环境。

Microchip 的智能嵌入式视觉为低功耗机器视觉提供 IP、硬件和工具。 （图片：Microchip Technology Inc.）

瑞萨电子公司推出了一款单芯片微控制器，该微控制器具有用于工业以太网应用的 EtherCAT 从控制器。 RX72M MCU 系列为工业设备提供更大的内存容量，这些设备要求在节能紧凑型工业机器人、可编程逻辑控制器 (PLC)、远程 I/O 和工业网关等应用中具有强大的控制和通信功能。瑞萨电子声称它是第一款包含 EtherCAT 从控制器的 RX 微控制器，该控制器具有 1 MB SRAM 和 4 MB 闪存。

RX72M 器件与早期器件相比，电路板面积减少了约 50%。 （图片：瑞萨电子公司）

另一个重要的新兴趋势是提供低功耗机器智能的人工智能 (AI)。例如，Eta Compute 的 最新的机器学习 SoC TENSAI 为超低功耗嵌入式解决方案执行图像分类、关键字识别和唤醒词检测。

TENSAI 芯片包含 Eta 的延迟不敏感逻辑，使产品能够在最低电源电压下可靠运行，从而实现极低的功耗。其图像分类应用程序每张图片仅消耗 0.4 mJ，与竞争结果相比，功耗降低了 30 倍。该公司的 DIAL 架构与其算法相结合，可以执行数百微瓦的机器学习推理，为网络边缘提供机器智能。

总结

随着物联网解决方案取代传统制造解决方案，工业自动化预计将大幅增长。先进的机器人和传感器；人工智能及其子集，包括机器学习和深度学习；云计算;大数据分析将继续改变制造业的格局。由振动能量或集光电源供电的传感器将成为常态。

在工厂中推出工业 4.0 所需资源的资本成本将抵消短期内的潜在节省。然而，将取代通信技术、执行器、传感器、处理器等的系统将依赖相关数据来提高效率，同时需要一小部分能量来运行并长期节省成本。

>> 本文最初发表于我们的姊妹网站 Electronic Products：“在工厂车间实现能源效率。”