網(wǎng)絡(luò)傳感器緊扣工業(yè)自動化脈搏

概要

在當(dāng)今競爭日益激烈的全球市場中，高效的工業(yè)生產(chǎn)能力通常取決于每間工廠自動化系統(tǒng)的速度、精度和可靠度。即使是在一些低勞動力成本的地區(qū)，制造廠商們也渴望提高其自動化系統(tǒng)的精密度，因?yàn)樗麄冎?，如果不這么做就會危及其在全球經(jīng)濟(jì)中的位置。

工業(yè)自動化的心臟是新一代高級智能傳感器，它讓產(chǎn)品生產(chǎn)線持續(xù)運(yùn)行，通過低延遲和實(shí)時網(wǎng)絡(luò)，連接至高性能可編程邏輯控制器(PLC)以及人機(jī)界面(HMI)系統(tǒng)。當(dāng)然，對制造廠商而言，時間就是金錢。只要制造的產(chǎn)品能夠達(dá)到規(guī)定質(zhì)量水平，高效的生產(chǎn)線就會盡可能快地持續(xù)運(yùn)行。高速、可靠的傳感器必須非常迅速(數(shù)毫秒甚至更快)地監(jiān)控或者測量生產(chǎn)線的各種狀態(tài)。之后，網(wǎng)絡(luò)必須以最小時間的延遲、且不中斷生產(chǎn)的情況下，傳輸這種信息。我們需要大量的工業(yè)通信協(xié)議來實(shí)現(xiàn)所要求的關(guān)鍵通信性能，例如：PROFIBUS®/PROFINET®、Ethernet/IP™、EtherCAT®、POWERLINK、SERCOS® III等。另外，如PLC等處理元件必須正確地實(shí)時響應(yīng)，否則會影響生產(chǎn)率，造成損失利潤(參見下面圖1)。

德州儀器公司(TI)在向工業(yè)自動化提供全面高性能、高效、可擴(kuò)展技術(shù)方面，擁有豐富的經(jīng)驗(yàn)。德州儀器廣泛的模擬和嵌入式處理器產(chǎn)品系列可助力廣大客戶設(shè)計(jì)完整的系統(tǒng)級解決方案。本文重點(diǎn)介紹的TI的創(chuàng)新型高差異化解決方案，它讓工業(yè)通信成本更低、接入更方便，并推進(jìn)自動化和生產(chǎn)效率的提升。

圖1 HMI+PLC+傳感器+馬達(dá)控制的工業(yè)自動化系統(tǒng)

工業(yè)自動化介紹

典型的工業(yè)自動化系統(tǒng)一般由四大部分組成，它們之間可以實(shí)施低延遲和實(shí)時高速的通信。這四大組成部分分別為：傳感器、人機(jī)界面、PLC和馬達(dá)驅(qū)動器。

傳感器

現(xiàn)代工廠自動化系統(tǒng)的信息和數(shù)據(jù)傳輸越來越依賴于智能傳感器。從前，傳感器只負(fù)責(zé)監(jiān)控和測量，卻不分析。而現(xiàn)在，隨著傳感器變得更加智能，它們能夠更好地對其所檢測的工作進(jìn)行評估，并能實(shí)時地完成任務(wù)。傳感器的諸多功能包括檢測溫度、運(yùn)動、光學(xué)對象和位置、重量、加速度、化學(xué)成分、氣體、氣壓或者其他壓力、液體流動以及物理世界的其它方面。

人機(jī)界面(HMI)

人機(jī)界面是與操控者進(jìn)行通信的某個單元或者子系統(tǒng)。使用當(dāng)前一流的技術(shù)，大多數(shù)工業(yè)自動化系統(tǒng)的人機(jī)界面都集成了圖形顯示子系統(tǒng)，例如：觸摸屏等，因?yàn)檫@類系統(tǒng)直觀、簡單易學(xué)。

可編程邏輯控制器(PLC)

一般而言，PLC均為基于微控制器或者處理器的系統(tǒng)，它們所接收的信息來自于分布在工廠內(nèi)的各種傳感器以及系統(tǒng)操作員。根據(jù)這兩種信息源所提供的信息，PLC發(fā)起動作來控制生產(chǎn)線的過程。

馬達(dá)驅(qū)動器

馬達(dá)驅(qū)動器是對PLC指令做出實(shí)際響應(yīng)的一些機(jī)器零件。例如，在汽車組裝工廠，傳感器向PLC提供汽車車身位置的相關(guān)信息。PLC便會對這種信息做出響應(yīng)，向馬達(dá)控制單元發(fā)出指令，讓其控制機(jī)械臂對汽車進(jìn)行點(diǎn)焊。

在工業(yè)自動化系統(tǒng)中，這四大部分的連接是通過高速、低延遲網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的。這個網(wǎng)絡(luò)確保對PLC對傳感器或者操作員信息輸入做出快速響應(yīng)?？偟膩碚f，當(dāng)今的工業(yè)自動化系統(tǒng)是實(shí)時、具有決策能力的高精密系統(tǒng)，能夠精確控制高速生產(chǎn)過程。

未來面臨的挑戰(zhàn)

工業(yè)自動化將面臨的基本挑戰(zhàn)與我們已經(jīng)克服了的一些挑戰(zhàn)一樣。為了取得更好的結(jié)果，控制系統(tǒng)必須繼續(xù)提高其實(shí)時響應(yīng)能力、可靠性、精確性、精密性和整體成熟度。要想滿足這些要求，一個必不可少的條件是不斷發(fā)展組網(wǎng)和其它聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。

在工業(yè)自動化市場上，有超過120種串行通信標(biāo)準(zhǔn)和25種基于以太網(wǎng)的協(xié)議，它們都可以部署于我們今天的工廠里。問題是，我們?nèi)鄙俚牟⒉皇墙鉀Q方案，而是它們的多樣性，以及部署它們的方法。

每一種流行的工業(yè)通信協(xié)議，例如：PROFIBUS/PROFINET、EtherCAT、Ethernet/IP等，均有一個或者多個重要的傳感器、PLC、HMI和馬達(dá)驅(qū)動器供應(yīng)商在背后提供支持。使用多家廠商的組件來實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動化系統(tǒng)，通常會要求部署多家廠商支持的數(shù)種通信協(xié)議。這便增加了整體系統(tǒng)的復(fù)雜度，并且拉高了成本。例如，當(dāng)今的許多自動化系統(tǒng)一般都使用一種中央處理器(CPU)來運(yùn)行應(yīng)用程序，然后再使用另一種離散組件，例如：應(yīng)用程序?qū)Ｓ眉呻娐?ASIC)或者現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)，專門用于通信協(xié)議處理。在一些被通信協(xié)議視作從設(shè)備的自動化組件中，更是如此。

大多數(shù)工業(yè)自動化通信協(xié)議均使用了分級主/從構(gòu)架。主設(shè)備一般為PLC，要不就是一些智能控制單元。從設(shè)備一般為馬達(dá)驅(qū)動器以及一些不發(fā)起動作或者控制過程的傳感器。為了實(shí)現(xiàn)自動化系統(tǒng)承載網(wǎng)絡(luò)所需的高速、低延遲通信，許多協(xié)議增強(qiáng)了與這些從設(shè)備有關(guān)的媒體訪問(MAC)層功能。這給從設(shè)備帶來更大的本地協(xié)議處理負(fù)擔(dān)，最終導(dǎo)致在分布式從設(shè)備中使用協(xié)議處理專用ASIC或者FPGA。而由于工業(yè)自動化系統(tǒng)中的從設(shè)備通常多于主設(shè)備，極大增加了整體系統(tǒng)的成本。

TI與您一同應(yīng)對挑戰(zhàn)

戰(zhàn)勝工業(yè)自動化面臨的這些挑戰(zhàn)需要先進(jìn)技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)通信聯(lián)網(wǎng)和合理化。TI一直致力于為工業(yè)自動化系統(tǒng)制造商提供嵌入式處理器、傳感器、軟件搭建模塊和支持工具的完整解決方案。這種技術(shù)必須簡單、具有高成本效益，以滿足這類系統(tǒng)中重要組件的需求(PLC、HMI、傳感器和馬達(dá)驅(qū)動器)，并同時支持主從設(shè)備的分級要求。此外，TI重點(diǎn)提供高效的支持方案，針對客戶各異的需求，簡化其工廠自動化系統(tǒng)的部署。

基于Sitara™ ARM®的處理器在工業(yè)自動化應(yīng)用中的良好業(yè)績，證明了TI解決方案的成功。Sitara AM18x ARM9™(以及最新的AM335x ARM Cortex™-A8片上系統(tǒng)(SoC))，集成了多個處理內(nèi)核、實(shí)時通信加速器，用于多協(xié)議處理、實(shí)時和高級操作系統(tǒng)、圖形處理和大量其它資源的處理工作，以克服未來幾年工業(yè)自動化所面臨的挑戰(zhàn)。

特別是AM335x ARM Cortex-A8 SoC，它是TI的工業(yè)自動化發(fā)展戰(zhàn)略的例證。使用275GHz到1GHz的處理速度，AM335x SoC可以滿足智能傳感器到PLC以及兩者之間其它自動化組件的處理要求。另外，低功耗特點(diǎn)讓AM335x處理器能夠應(yīng)對最為嚴(yán)格的功耗預(yù)算。

圖2 Sitara ARM AM335x處理器結(jié)構(gòu)圖

AM335x解決方案擁有多協(xié)議通信能力，無需協(xié)議處理專用離散式ASIC或者FPGA。這從本質(zhì)上讓從設(shè)備的材料清單成本降低40%。把對許多流行協(xié)議(例如：PROFIBUS和EtherCAT)的支持集成到AM335x處理器中，可大大簡化AM335x處理器型器件聯(lián)網(wǎng)的工作量。例如，把AM335x處理器型傳感器連接至工廠自動化系統(tǒng)，通常只需對一個典型PHY或者UART界面進(jìn)行編程，這是大多數(shù)工業(yè)編程人員都已經(jīng)非常熟悉的工作。由于無需再進(jìn)行艱苦的學(xué)習(xí)，因此縮短了部署時間，降低了成本。

AM335x嵌入式處理器在工業(yè)控制系統(tǒng)中成功的關(guān)鍵是其基于可編程實(shí)時單元的工業(yè)通信子系統(tǒng)(PRU-ICSS)，它實(shí)現(xiàn)了片上多協(xié)議處理，并確保主從設(shè)備的必備延遲通信。PRU-ICSS由運(yùn)行在200MHz下的兩個32位RISC處理內(nèi)核組成。它能夠單循環(huán)執(zhí)行，并且其直接I/O界面以5納秒的速度采樣，確保實(shí)時通信所需的高吞吐速率。PRU-ICSS還裝備有一個完整的內(nèi)存子系統(tǒng)，其由內(nèi)核指定共用內(nèi)存和一個32位中斷控制器組成。這些功能以及其邏輯、控制和算法，讓PRU-ICSS成為支持所有流行工業(yè)自動化協(xié)議(包括PROFIBUS/PROFINET、EtherCAT和Ethernet/IP等)實(shí)時從通信接口的理想選擇。因其可編程特性，PRU-ICSS還可實(shí)現(xiàn)定制知識產(chǎn)權(quán)(IP)或者定制底層總線。

圖3 PRU-ICSS結(jié)構(gòu)圖

AM335x處理器是一種通用SoC，可有效實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動化網(wǎng)絡(luò)中的絕大多數(shù)功能。例如，支持2D和3D圖形的備選功能，從而特別適合于HMI單元。另外，由于支持高級操作系統(tǒng)(HLOS)，例如：Linux™、Windows®嵌入版CE和Android™，因此使用AM335x SoC時，操作員可以輕松地與HMI和其它應(yīng)用程序互動。許多實(shí)時操作系統(tǒng)(RTOS)，包括TI的SYS/BIOS™和許多其它第三方RTOS等，為開發(fā)人員帶來了高效的傳感器和馬達(dá)驅(qū)動器解決方案，它們不需要內(nèi)存密集型HLOS，但需要低延遲的實(shí)時性能。

組件的可靠性和壽命是工業(yè)自動化系統(tǒng)的另一個關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)。在大多數(shù)情況下，這些系統(tǒng)均在惡劣的環(huán)境下使用，這是一個巨大的挑戰(zhàn)。由于它們的部署時間和成本，工廠自動化系統(tǒng)的預(yù)計(jì)有效壽命周期通常都很長。AM335x處理器證明，它是一種非?？煽康腟oC。它的工作溫度范圍很大，可以持續(xù)處于上電狀態(tài)達(dá)100000小時以上。TI還保證，AM335x解決方案的產(chǎn)品壽命可達(dá)10年以上。

圖4 Sitara AM335x可擴(kuò)展平臺

搶占市場先機(jī)

TI的工廠自動化解決方案得到眾多軟件和硬件開發(fā)工具的廣泛支持，讓自動化供應(yīng)商可以快速地實(shí)現(xiàn)其系統(tǒng)設(shè)計(jì)，擁有市場上最為先進(jìn)的功能。特別是，AM335x處理器得到了一種簡單卻強(qiáng)大的開發(fā)工具工業(yè)通信引擎(ICE)的支持，它給自動化廠商帶來了一個高成本效益的平臺，用于開發(fā)、測試和優(yōu)化從通信功能。ICE為廣大開發(fā)人員提供了對一些流行工業(yè)自動化協(xié)議的快速連接，例如：PROFIBUS/ PROFINET、Ethernet/IP、EtherCAT等。每種協(xié)議的信號LED組合有許多，包括Sercos 3的三色LED等。八數(shù)字輸出連接至板上LED和24V輸出驅(qū)動器。另外，有8個24V數(shù)字輸入和溫度傳感器，可用于簡單I/O應(yīng)用。通過串行外圍接口(SPI)通信和脈寬調(diào)制(PWM)驅(qū)動器排針上的信號，開發(fā)人員可以擴(kuò)展I/O功能?；诖械腃AN和PROFIBUS現(xiàn)場總線(Fieldbus)，使用一個隔離式收發(fā)器。該模塊從外部閃存內(nèi)存引導(dǎo)，支持串行閃存、并行閃存和MMC。ICE的軟件環(huán)境包括TI的SYS/BIOS OS、Code Composer Studio™集成開發(fā)環(huán)境和StarterWare(一種類似于大多數(shù)微控制器開發(fā)人員都熟悉的開發(fā)環(huán)境)。應(yīng)用套件和樣品應(yīng)用結(jié)合ICE，讓開發(fā)人員可在其工業(yè)自動化應(yīng)用方面搶得相當(dāng)大的先機(jī)。利用片上USB模擬器接口，客戶可以直接開始其自有應(yīng)用的開發(fā)，無需購買外部JTAG仿真器。

圖5 Sitara ICE

競爭激烈的未來

為了滿足全球產(chǎn)品制造和材料處理的需求，工業(yè)自動化系統(tǒng)會不斷提高速度、精確度、可靠性和精密性。越來越多的制造商會轉(zhuǎn)向自動化，來提高其效率，降低成本，以求取得更大的競爭力，獲得更多的市場份額。另外，各制造公司都會努力把生產(chǎn)系統(tǒng)與公司業(yè)務(wù)系統(tǒng)緊密地結(jié)合在一起，包括供應(yīng)鏈和需求監(jiān)測系統(tǒng)。因此，通信協(xié)議環(huán)境變得更加多樣化，進(jìn)而突出了工廠自動化系統(tǒng)以及企業(yè)內(nèi)其它業(yè)務(wù)系統(tǒng)的多協(xié)議支持的重要性。制造商的目標(biāo)是，成為靈活、機(jī)敏和極高效的產(chǎn)品材料生產(chǎn)商。如TI的AM335x SoC等領(lǐng)先技術(shù)，以廣泛的模擬產(chǎn)品線作為補(bǔ)充，并得到包括ICE平臺在內(nèi)的眾多工具的支持，將確保工業(yè)自動化廠商擁有他們需要的各種能力，以滿足市場發(fā)展的要求。