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(dòng)化系統(tǒng)的速度、精度和可靠度。即使是在一些低勞動(dòng)力成本的地區(qū)，制造廠商們也渴望提高其自動(dòng)化系統(tǒng)的精密度，因?yàn)樗麄冎?，如果不這么做就會(huì)危及其在全球經(jīng)濟(jì)中的位置。
工業(yè)自動(dòng)化的心臟是新一代高級(jí)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(shí)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(duì)制造廠商而言，時(shí)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(huì)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(shí)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(shí)響應(yīng)，否則會(huì)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(dòng)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(jí)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(dòng)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(dòng)化系統(tǒng)
工業(yè)自動(dòng)化介紹
典型的工業(yè)自動(dòng)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(shí)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(dòng)器。
傳感器
現(xiàn)代工廠自動(dòng)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(duì)其所檢測的工作進(jìn)行評(píng)估，并能實(shí)時(shí)地完成任務(wù)。傳感器的諸多功能包括檢測溫度、運(yùn)動(dòng)、光學(xué)對(duì)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(dòng)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(gè)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(dòng)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(dòng)作來控制生產(chǎn)線的過程。
馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器
馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器是對(duì)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(huì)對(duì)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(duì)汽車進(jìn)行點(diǎn)焊。
在工業(yè)自動(dòng)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(gè)網(wǎng)絡(luò)確保對(duì)PLC對(duì)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(dòng)化系統(tǒng)是實(shí)時(shí)、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(dòng)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(shí)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(gè)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(dòng)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(gè)或者多個(gè)重要的傳感器、PLC、HMI和馬達(dá)驅(qū)動(dòng)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(dòng)化系統(tǒng)，通常會(huì)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(dòng)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(dòng)化組件中，更是如此。
大多數(shù)工業(yè)自動(dòng)化通信協(xié)議均使用了分級(jí)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(dòng)器以及一些不發(fā)起動(dòng)作或者控制過程的傳感器。為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(dòng)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。
