智能制造之传感器篇-01

在开始正文之前，作者想分享一下为什么会分享传感器的知识，众所周知一套好的自动化系统包括控制部分，执行部分，而控制和执行的中间部分就是反馈部分，一个好的智能制造系统，反馈部分是控制部分的“眼睛”，利用它的感知能力为控制中心提供环境参数和运行数据，而反馈部分也是执行部分的重要辅助，是保证安全执行的关键和辅助助手，可以说反馈部分非常重要，没有反馈的系统通常无法适应复杂的运行环境，同样没有反馈的系统也不可能实现真正的智能化。作者写这一段话不是卖弄知识，而是这些多年工业自动化跟进下来的一个思考。

智能制造系统组成

智能制造系统的反馈部分如此重要，那么反馈部分的主要种类有几种呢？反馈主要分为电信号反馈，I/O信号反馈，和图像信号反馈等几种。而反馈的关键是传感器，本章我们就重点讲一下传感器的基本知识，以便大家有一个初步的了解，后面我们再说具体的运用。

传感器的分类：

1> 以 “光”检测方式，这就是我们常说的光电传感器，它的使用是把光信号转变为电信号，具体说是I/O信号，然后接入上位机进行识别判断。

2> 以 “电流”感应的方式，这就是我们常说的涡流传感器，它是通过物体位移的变化，进而影响到传感器的电流变化，从而来检测物体位移的变化。

3> 以“接触”感应的方式，这就是我们常说的接触式开关，使用起来比较简单，但对位移精度要求较高，接触式传感器多输出I/O信号。

4> 以“超声波”感应的方式，这就是我们所说的超声波传感器，以感应超声波的强弱来工作。

5> 最后一大类是以“图像”检测的方法来工作的，这一类目前发展比较迅速，应用也比较广泛，CMOS类的图像传感器通常是应用在单一的场景中，而复杂的应用，我们通常会选择相机，光源，软件，图像分析仪等进行二次开发。

传感器的分类

为了帮助大家了解反馈系统，我这里举一个关于传感器工作原理的例子，下一讲再具体讲各种传感器。

传感器工作原理

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智能制造传感器严重依赖进口，提高国产化率该从哪里切入？

我国首个面向工业4.0的智能工厂解决方案和示范生产线以中科院沈阳自动化研究所自主研发的WIA-FA技术为支撑，融入一系列前沿核心技术，有着极高的灵活性和智能化，但就其应用的传感器而言，主要还是进口产品。

《<中国制造2025>重点领域技术路线图》要求，到2020年智能型光电传感器、智能型接近传感器、中低档视觉传感器、MEMS传感器及芯片、光纤传感器的国产化率要提高到20%。那么，我国智能制造传感器的国产化应该从哪里切入?

国产传感器并不比国外逊色?

智能工厂用的都是进口传感器?我国智能制造传感器尤其是工业机器人传感器，自主研发能力落后国际10年?“我不这么认为。”中国石化智能工厂建设试点单位——燕山石化信息部部长刘彦波在接受《中国电子报》记者采访时，并不认同这些坊间流传的观点，“我们的智能工厂里用的基本都是国产传感器。”

然而，燕山石化的情况具有代表性吗?

燕山石化炼油二厂中控室，一字排开的DCS(分布式控制系统)显示器全部呈现黑屏状态，原本应该盯着屏幕监控生产过程的工作人员却在专心地看着岗位练兵手册。生产出现异常时，系统才会自动弹出界面，平时就保持黑屏，无需操作人员监控。基于生产装置运行的高度自动化和生产过程管理的精细化，燕山石化智能工厂的“黑屏模式”已成为石化行业智能制造的典型案例。

智能工厂的运行，说白了就是数据的采集、分析和处理，传感器在其中每个环节都起到至关重要的作用。“80年代我刚到厂里的时候，确实采用了不少日本进口的传感器。如今，从压力、温度、流量监测等数据采集用传感器，到生产和经营过程中涉及的各种大型设备和中央控制系统的传感器，基本都实现了国产化。”刘彦波说。

在刘彦波看来，浙大中控、北京和利时等国内企业生产的传感器，用起来并不比日本横河、美国霍尼韦尔等国际巨头的产品逊色多少。不过，某些特殊部件，如需要耐高温高压的传感器，国内产品的可靠性、稳定性还有是些差距的。但我认为这不完全是技术水平的问题，传感器生产企业应该在管理、品控上再多下功夫。

对于当下的智能制造而言，传感器已经不仅仅是采集数据的眼睛和耳朵，更是高端制造、流程控制、联网操作的大脑和心脏。赛迪智库集成电路产业研究所副所长林雨指出：“不同行业间的差距非常大，对于石油化工等流程工业来说，需要用到的新型高端工业传感器较少，但在高端制造领域，传感器的国产化率还很低。”

高端新型工业传感器仍依赖进口

今年年初，我国首个面向工业4.0的智能工厂解决方案和示范生产线诞生。该方案以中科院沈阳自动化研究所自主研发的WIA-FA技术(目前世界上唯一面向工厂高速自动控制应用的IEC无线技术国际标准)为支撑，融入一系列前沿核心技术，有着极高的灵活性和智能化。但就其应用的传感器而言，主要还是进口产品。

“在航天、军工等领域，为了做到自主安全可控，可以不计成本地生产研发、生产部分高端传感器。但是应用到工业领域，目前阶段还是采购进口产品比较划算。”相关负责人向《中国电子报》记者透露，“高端电机、视觉、力觉等高附加值的传感器我国还不能大规模生产，只能依赖进口。为了追求整个系统的一致性和可靠性，又连带许多传感器也要使用进口产品。”

从《<中国制造2025>重点领域技术路线图》中，可以看出些许端倪。智能制造核心信息设备位居十大重点领域，其中新型工业传感器在2020年的近期目标是，将智能型光电传感器、智能型接近传感器、中低档视觉传感器、MEMS传感器及芯片、光纤传感器的市场占有率提高到20%。

“工业传感器，是考验一个国家工业体系是否完善的关键性因素。”曾经为国内多家主流汽车、家电、机床等生产企业提供过智能制造解决方案的杨超对此更有发言权。“工业机器人也好，生产线、反应容器、数控机床也好，智能制造的标准化设备和非标准化设备的基础都是由很多传感器共同集成的。”杨超告诉《中国电子报》记者，“早期，我国智能制造设备大都是从国外进口，造价很高。后来国内设备企业引进、消化之后，实现了自主生产，但是为了选型的方便以及设备运行的稳定性，传感器一般还是采用原厂的产品。”

“这些进口传感器的价格自然不菲，比方说德国SICK的一对激光监测传感器就要7～10万元。不过，和整体设备的价格相比，还是占比较少的份额。”杨超说，“实际上，应用比较广泛的进口传感器，如邦纳、欧姆龙的视觉模块，宜科、菲尼克斯的编码器，也有类似的国产产品。但是相对于民用来说，工业环境对传感器的要求更高，从稳定性、精度、运行安全等多方面考虑，我接触的智能制造解决方案中，传感器的国产化率还是很低。”

智能制造传感器需提高国产化率

和消费电子等民用领域相比，用于智能制造的工业传感器在精度、稳定性、抗震动和抗冲击性方面提出了更为苛刻的要求。“工业控制要确保零误差，传感器不仅要能实时通信，还要足够精准，像民用领域的‘丢包’是绝对不能容忍的。”林雨表示，“传感器应用在不同的工业领域，对其能耐受的温度、湿度、酸碱度也有不同的个性化要求，功耗和尺寸也会受到严格限制，比方说零下60℃极端环境就是个极大的挑战。”

工业传感器不仅性能指标要求苛刻，种类也非常繁杂。据杨超介绍，从功能上来说，工业传感器分为光电、热敏、气敏、力敏、磁敏、声敏、湿敏等不同类别。以工业机器人为例，其中涉及的几种重要传感器包括：三维视觉传感器、力扭矩传感器、碰撞检测传感器、安全传感器、焊接缝追踪传感器、触觉传感器等。

面对复杂现状，我国智能制造传感器的国产化应该从哪里切入?新松机器人中央研究院院长助理杨奇峰向《中国电子报》记者建议，不要追求大而全，而是应该针对具体应用需求，集中优势研制一类传感器。“以我们需要用到的一款力觉传感器来说，单个价格就高达10万元。”

杨奇峰说，“力觉传感器是用来检测机器人自身力与外部环境力之间相互作用力的传感器，诸如此类在工业机器人上需要用到的新型传感器还很多，目前虽然没有大规模应用，但是已经成为产业发展的必然趋势。在尚未成熟的细分市场，我国企业机会更多，不妨提前布局。”

同时，智能制造正定义出一个利用MEMS技术的新型工业物联网领域。林雨表示，工业物联网推动的MEMS工业应用将带来巨大的新兴市场，博世、意法半导体、楼氏电子、应美盛等国际MEMS龙头企业都已经瞄准了这一应用领域。

“实际上，我们也不能仅仅把眼光局限于传感器的生产本身。”林雨提出，“对于硬件来说，工业传感器的应用软件同样重要。当下而言，着眼于产业生态的整体布局更具操作性。”

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