当自动化时代开始时，制造商希望流程中能想像到的每一步都使用机器人。这虽然提高了生产力和产量，但生产过程仍然没有产生稳定一致的结果。当工程师们在思考为什么自动化没有实现零缺陷时，生产经理们则手忙脚乱地管理和规划时间表、库存、维护和能源成本，通常是将统计数据手工编码到计算资源中。
工业物联网 (IIoT) 带来了工业 4.0 解决方案，通过网络数字信息、网络信息处理和网络控制来优化运营。IIoT 中的“物”通常是内置在设备中或添加在各种工艺流程点的传感器。它们是实现与工业 4.0 相关的优化运营的四大基础支柱之一。
传感器带来的认知收益
大规模实施后，传感器为计算能力提供信息，因此新的可行见解可用于改善诸多运营领域。它们在以下方面起着关键作用：
提高灵活性和响应能力：传感器信息建立了优化零库存制流程所需的即时意识，同时确保员工充分了解所有操作点的变化和要求。
减少设备停机时间：传感器可以使设备进行自我监控，以预测维护需求并进行自我校准，从而降低安装、配置和维护成本。
提高产量：传感器不仅可以在生产操作结束时“检查”产品以帮助质量保证，还可以在整个工艺流程中进行质量控制。它们还可以确保只使用各种工艺所需的材料，从而最大限度减少浪费。
证明合规性：传感器数据创建可审计的跟踪，可用于证明符合与良好生产规范 (GMP) 相关的各种法规以及各种标准。
开发新流程和成本结构：分析历史传感器数据有助于了解如何进一步优化流程。同时还可以深入了解工艺和材料层面的成本，帮助开发更高效的流程或调整其他地方的单位成本。
传感器的类型
很多类型的传感器都可以实现上述优势。制造业中一些最常见的传感器如下。
- •流量传感器测量通过管道供应给工艺室（如回流焊机）的液体流速。
- •力传感器或称重传感器测量施加在一个或多个轴上的力，用于确保机械臂的安全抓取，以及测量料仓何时需要重新填充
- •湿度传感器用于需要控制湿度的地点，例如洁净室或库存仓库
- •图像传感器作为工业摄像机系统的一部分，用于检查、过程控制、工作流程管理、机器人导航系统和跟踪应用
- •液位传感器可实时测量储罐、料仓和容器中的物料量
- •位置传感器 — 角度传感器或线性传感器 — 检测行进距离，用于机器人和输送机，以帮助部件放置、检查、包装和分类
- •近距传感器测量机器人所搬运的物体的接近程度，甚至出于安全原因测量工人与设备的接近程度
- •温度传感器，包括红外传感器，有助于检测关键工艺温度和机器状况
其他传感器，如加速度计、粒子计数器、电流计或功率计、振动传感器和超声波麦克风，可用于监控或预测设备的健康状况。因此，智能工厂遍布增强感知认识的设备，这些设备通常以毫秒为间隔生成数据。
采用智能传感器的分布式智能
在传感器驱动的优化操作中，持续生成数据后需要对信息进行区分和优先排序，以便实时或接近实时地处理过程控制参数和关键的安全测量值，同时在较长的时间窗口内分析其余数据。此外，通过工业以太网或 5G 网络将所有数据转移到数据中心通常是不可行的，因为在数据中心，单个处理站可能每隔几毫秒就会产生 10-30 个数据点。
智能传感器通过嵌入计算资源、机器学习 (ML) 算法和人工智能 (AI) 来解决这一问题。因此，需要立即采取行动的信息可以在传感器节点快速处理，而受益于结合上游或下游条件的更深入分析的数据可以在数据中心或混合云中处理。此外，嵌入式人工智能可以让传感器意识到自己的性能，从而减少数据损坏的情况，并在传感器故障发生前发出损坏警报。
实施反馈环路
高级传感器和传感器模块与嵌入式计算资源的结合意味着，原始数据可以转化为智能的实时决策和行动。这样，就可以通过了解前面提到的制造不一致的过程变化情况，对过程进行更大的控制。
将下游流程和设备信息反馈到上游，以尽早实现制造过程变更，这可以显著提高产量（图 1）。
图 1：表示上游光刻和下游蚀刻工艺之间的自动反馈回路潜力的方框图，以减少临界尺寸 (CD) 的变化。
图 1 所示的反馈回路几乎适用于任何制造过程。例如，当组装印刷电路板 (PCB) 时，制造商通常会在回流焊工艺前后将工业摄像头放置在自动光学检测系统 (AOI) 中。在回流焊之前，AOI 检测焊膏沉积和器件放置错误，而在回流焊炉之后，AOI 验证纠正是否成功。
这种反馈回路在自动化后，可消除因制造条件（如温度和湿度）的细微变化而产生的不确定性，或因材料、工艺气体或压力的细微变化而产生的工艺条件。获得的结果不仅是产出的一致性，而且能够改善过程优化，并对不断变化的生产配方做出更好、更快的调整。
展望质量 4.0
质量检查和质量控制 (QC) 一直是制造业的一部分，但在传感器和人工智能实现智能制造之前，从未有公司期望过零缺陷。尽管在 20 世纪 60 年代中期提出的质量管理流行语已被淡忘，但在“零缺陷倡议”中，这一概念正重新焕发活力，部分原因是智能传感器创造的数字化意识。
更进一步，质量 4.0 通过将反馈环路系统从直接生产车间扩展到库存和现场管理，甚至扩展到合作伙伴的生产现场，在整个流程的生命周期中跟踪材料和产品，从而使这些以记分卡为导向的早期尝试用于消除缺陷。
零缺陷是一个令人向往的目标，但随着质量 4.0 的推出，这个目标似乎越来越有可能实现。它的框架是在工业 4.0 的智能传感器基础上发展起来的。
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