網(wǎng)絡傳感器緊扣工業(yè)自動化脈搏

概要

在當今競爭日益激烈的全球市場中，高效的工業(yè)生產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，因為他們知道，如果不這么做就會危及其在全球經濟中的位置。

工業(yè)自動化的心臟是新一代高級智能傳感器，它讓產品生產線持續(xù)運行，通過低延遲和實時網(wǎng)絡，連接至高性能可編程邏輯控制器(PLC)以及人機界面(HMI)系統(tǒng)。當然，對制造廠商而言，時間就是金錢。只要制造的產品能夠達到規(guī)定質量水平，高效的生產線就會盡可能快地持續(xù)運行。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)控或者測量生產線的各種狀態(tài)。之后，網(wǎng)絡必須以最小時間的延遲、且不中斷生產的情況下，傳輸這種信息。我們需要大量的工業(yè)通信協(xié)議來實現(xiàn)所要求的關鍵通信性能，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時響應，否則會影響生產率，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、可擴展技術方面，擁有豐富的經驗。德州儀器廣泛的模擬和嵌入式處理器產品系列可助力廣大客戶設計完整的系統(tǒng)級解決方案。本文重點介紹的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，并推進自動化和生產效率的提升。

圖1 HMI+PLC+傳感器+馬達控制的工業(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，它們之間可以實施低延遲和實時高速的通信。這四大組成部分分別為：傳感器、人機界面、PLC和馬達驅動器。

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，傳感器只負責監(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行評估，并能實時地完成任務。傳感器的諸多功能包括檢測溫度、運動、光學對象和位置、重量、加速度、化學成分、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。

人機界面(HMI)

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

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)起動作來控制生產線的過程。

馬達驅動器

馬達驅動器是對PLC指令做出實際響應的一些機器零件。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信息。PLC便會對這種信息做出響應，向馬達控制單元發(fā)出指令，讓其控制機械臂對汽車進行點焊。

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)絡實現(xiàn)的。這個網(wǎng)絡確保對PLC對傳感器或者操作員信息輸入做出快速響應?？偟膩碚f，當今的工業(yè)自動化系統(tǒng)是實時、具有決策能力的高精密系統(tǒng)，能夠精確控制高速生產過程。

未來面臨的挑戰(zhàn)

工業(yè)自動化將面臨的基本挑戰(zhàn)與我們已經克服了的一些挑戰(zhàn)一樣。為了取得更好的結果，控制系統(tǒng)必須繼續(xù)提高其實時響應能力、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。

在工業(yè)自動化市場上，有超過120種串行通信標準和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，我們缺少的并不是解決方案，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和馬達驅動器供應商在背后提供支持。使用多家廠商的組件來實現(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)的復雜度，并且拉高了成本。例如，當今的許多自動化系統(tǒng)一般都使用一種中央處理器(CPU)來運行應用程序，然后再使用另一種離散組件，例如：應用程序專用集成電路(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/從構架。主設備一般為PLC，要不就是一些智能控制單元。從設備一般為馬達驅動器以及一些不發(fā)起動作或者控制過程的傳感器。為了實現(xiàn)自動化系統(tǒng)承載網(wǎng)絡所需的高速、低延遲通信，許多協(xié)議增強了與這些從設備有關的媒體訪問(MAC)層功能。這給從設備帶來更大的本地協(xié)議處理負擔，最終導致在分布式從設備中使用協(xié)議處理專用ASIC或者FPGA。而由于工業(yè)自動化系統(tǒng)中的從設備通常多于主設備，極大增加了整體系統(tǒng)的成本。

TI與您一同應對挑戰(zhàn)

戰(zhàn)勝工業(yè)自動化面臨的這些挑戰(zhàn)需要先進技術，以實現(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、傳感器和馬達驅動器)，并同時支持主從設備的分級要求。此外，TI重點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))，集成了多個處理內核、實時通信加速器，用于多協(xié)議處理、實時和高級操作系統(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，低功耗特點讓AM335x處理器能夠應對最為嚴格的功耗預算。

圖2 Sitara ARM AM335x處理器結構圖

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。這從本質上讓從設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界面進行編程，這是大多數(shù)工業(yè)編程人員都已經非常熟悉的工作。由于無需再進行艱苦的學習，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)中成功的關鍵是其基于可編程實時單元的工業(yè)通信子系統(tǒng)(PRU-ICSS)，它實現(xiàn)了片上多協(xié)議處理，并確保主從設備的必備延遲通信。PRU-ICSS由運行在200MHz下的兩個32位RISC處理內核組成。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，確保實時通信所需的高吞吐速率。PRU-ICSS還裝備有一個完整的內存子系統(tǒng)，其由內核指定共用內存和一個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)實時從通信接口的理想選擇。因其可編程特性，PRU-ICSS還可實現(xiàn)定制知識產權(IP)或者定制底層總線。

圖3 PRU-ICSS結構圖

AM335x處理器是一種通用SoC，可有效實現(xiàn)工業(yè)自動化網(wǎng)絡中的絕大多數(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和其它應用程序互動。許多實時操作系統(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驅動器解決方案，它們不需要內存密集型HLOS，但需要低延遲的實時性能。

組件的可靠性和壽命是工業(yè)自動化系統(tǒng)的另一個關鍵標準。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)的預計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100000小時以上。TI還保證，AM335x解決方案的產品壽命可達10年以上。

圖4 Sitara AM335x可擴展平臺

搶占市場先機

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，讓自動化供應商可以快速地實現(xiàn)其系統(tǒng)設計，擁有市場上最為先進的功能。特別是，AM335x處理器得到了一種簡單卻強大的開發(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應用。通過串行外圍接口(SPI)通信和脈寬調制(PWM)驅動器排針上的信號，開發(fā)人員可以擴展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存引導，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)。應用套件和樣品應用結合ICE，讓開發(fā)人員可在其工業(yè)自動化應用方面搶得相當大的先機。利用片上USB模擬器接口，客戶可以直接開始其自有應用的開發(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系統(tǒng)與公司業(yè)務系統(tǒng)緊密地結合在一起，包括供應鏈和需求監(jiān)測系統(tǒng)。因此，通信協(xié)議環(huán)境變得更加多樣化，進而突出了工廠自動化系統(tǒng)以及企業(yè)內其它業(yè)務系統(tǒng)的多協(xié)議支持的重要性。制造商的目標是，成為靈活、機敏和極高效的產品材料生產商。如TI的AM335x SoC等領先技術，以廣泛的模擬產品線作為補充，并得到包括ICE平臺在內的眾多工具的支持，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。