网络传感器：紧扣工业自动化脉搏？.docx

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1、网络传感器：紧扣工业自动化脉搏？网络转载导语：工业自动化将面临的根本挑战与我们已经克制了的一些挑战一样。德州仪器TI工业自动化业务经理SrikGurrapu概要在当今竞争日益剧烈的全球市场中，高效的工业消费才能通常取决于每间工厂自动化系统的速度、精度和可靠度。即使是在一些低劳动力本钱的地区，制造厂商们也渴望进步其自动化系统的精细度，由于他们知道，假如不这么做就会危及其在全球经济中的位置。工业自动化的心脏是新一代高级智能传感器，它让产品消费线持续运行，通过低延迟和实时网络，连接至高性能可编程逻辑控制器PLC以及人机界面HMI系统。当然，对制造厂商而言，时间就是金钱。只要制造的产品可以到达规定质量

2、程度，高效的消费线就会尽可能快地持续运行。高速、可靠的传感器必须非常迅速数毫秒甚至更快地监控或测量消费线的各种状态。之后，网络必须以最小时间的延迟、且不中断消费的情况下，传输这种信息。我们需要大量的工业通讯协议来实现所要求的关键通讯性能，例如：PROFIBUS/PROFINET、Ethernet/IP、EtherCAT、POWERLINK、SERCOSIII等。另外，如PLC等处理元件必须正确地实时响应，否那么会影响消费率，造成损失利润参见下面图1。德州仪器公司TI在向工业自动化提供全面高性能、高效、可扩展技术方面，拥有丰富的经历。德州仪器广泛的模拟和嵌入式处理器产品系列可助力广阔客户设计完好

3、的系统级解决方案。本文重点介绍的TI的创新型高差异化解决方案，它让工业通讯本钱更低、接入更方便，并推进自动化和消费效率的提升。图1HMI+PLC+传感器+马达控制的工业自动化系统工业自动化介绍典型的系统一般由四大局部组成，它们之间可以施行低延迟和实时高速的通讯。这四大组成局部分别为：传感器、人机界面、PLC和马达驱动器。传感器当代工厂自动化系统的信息和数据传输越来越依靠于智能传感器。从前，传感器只负责监控和测量，却不分析。而如今，随着传感器变得更加智能，它们可以更好地对其所检测的工作进展评估，并能实时地完成任务。传感器的众多功能包括检测温度、运动、光学对象和位置、重量、加速度、化学成分、气体、

4、气压或其他压力、液体流动以及物理世界的其它方面。人机界面HMI人机界面是与操控者进展通讯的某个单元或子系统。使用当前一流的技术，大多数系统的人机界面都集成了图形显示子系统，例如：触摸屏等，由于这类系统直观、简单易学。可编程逻辑控制器PLC一般而言，PLC均为基于微控制器或处理器的系统，它们所接收的信息来自于分布在工厂内的各种传感器以及系统操纵员。根据这两种信息源所提供的信息，PLC提议动作来控制消费线的经过。马达驱动器马达驱动器是对PLC指令做出实际响应的一些机器零件。例如，在汽车组装工厂，传感器向PLC提供汽车车身位置的相关信息。PLC便会对这种信息做出响应，向马达控制单元发出指令，让其控制

5、机械臂对汽车进展点焊。在工业自动化系统中，这四大局部的连接是通过高速、低延迟网络实现的。这个网络确保对PLC对传感器或操纵员信息输入做出快速响应。总的来讲，当今的工业自动化系统是实时、具有决策才能的高精细系统，可以准确控制高速消费经过。将来面临的挑战工业自动化将面临的根本挑战与我们已经克制了的一些挑战一样。为了获得更好的结果，控制系统必须继续进步其实时响应才能、可靠性、准确性、精细性和整体成熟度。要想知足这些要求，一个必不可少的条件是不断开展组网和其它联网技术。在工业自动化市场上，有超过120种串行通讯标准和25种基于以太网的协议，它们都可以部署于我们今天的工厂里。问题是，我们缺少的并不是解决

6、方案，而是它们的多样性，以及部署它们的方法。每一种流行的工业通讯协议，例如：PROFIBUS/PROFINET、EtherCAT、Ethernet/IP等，均有一个或多个重要的传感器、PLC、HMI和马达驱动器供给商在背后提供支持。使用多家厂商的组件来实现工业自动化系统，通常会要求部署多家厂商支持的数种通讯协议。这便增加了整体系统的复杂度，并且拉高了本钱。例如，当今的很多自动化系统一般都使用一种中央处理器CPU来运行应用程序，然后再使用另一种离散组件，例如：应用程序专用集成电路ASIC或现场可编程门阵列FPGA，专门用于通讯协议处理。在一些被通讯协议视作从设备的自动化组件中，更是如此。大多数工

7、业自动化通讯协议均使用了分级主/从构架。主设备一般为PLC，要不就是一些智能控制单元。从设备一般为马达驱动器以及一些不提议动作或控制经过的传感器。为了实现自动化系统承载网络所需的高速、低延迟通讯，很多协议增强了与这些从设备有关的媒体访问MAC层功能。这给从设备带来更大的本地协议处理负担，最终导致在分布式从设备中使用协议处理专用ASIC或FPGA。而由于工业自动化系统中的从设备通常多于主设备，极大增加了整体系统的本钱。TI与您一同应对挑战战胜工业自动化面临的这些挑战需要先进技术，以实现通讯联网和公道化。TI一直致力于为工业自动化系统制造商提供嵌入式处理器、传感器、软件搭建模块和支持工具的完好解决

8、方案。这种技术必须简单、具有高本钱效益，以知足这类系统中重要组件的需求PLC、HMI、传感器和马达驱动器，并同时支持主从设备的分级要求。此外，TI重点提供高效的支持方案，针对客户各异的需求，简化其工厂自动化系统的部署。基于SitaraARM的处理器在工业自动化应用中的良好业绩，证实了TI解决方案的成功。SitaraAM18xARM9以及最新的AM335xARMCortex-A8片上系统SoC，集成了多个处理内核、实时通讯加速器，用于多协议处理、实时和高级操纵系统、图形处理和大量其它资源的处理工作，以克制将来几年工业自动化所面临的挑战。十分是AM335xARMCortex-A8SoC，它是TI的

9、工业自动化开展战略的例证。使用275GHz到1GHz的处理速度，AM335xSoC可以知足智能传感器到PLC以及两者之间其它自动化组件的处理要求。另外，低功耗特点让AM335x处理器可以应对最为严格的功耗预算。图2SitaraARMAM335x处理器构造图AM335x解决方案拥有多协议通讯才能，无需协议处理专用离散式ASIC或FPGA。这从本质上让从设备的材料清单本钱降低40%。把对很多流行协议例如：PROFIBUS和EtherCAT的支持集成到AM335x处理器中，可大大简化AM335x处理器型器件联网的工作量。例如，把AM335x处理器型传感器连接至工厂自动化系统，通常只需对一个典型PHY

10、或UART界面进展编程，这是大多数工业编程人员都已经非常熟悉的工作。由于无需再进展艰辛的学习，因此缩短了部署时间，降低了本钱。AM335x嵌入式处理器在工业控制系统中成功的关键是其基于可编程实时单元的工业通讯子系统PRU-ICSS，它实现了片上多协议处理，并确保主从设备的必备延迟通讯。PRU-ICSS由运行在200MHz下的两个32位RISC处理内核组成。它可以单循环执行，并且其直接I/O界面以5纳秒的速度采样，确保实时通讯所需的高吞吐速率。PRU-ICSS还装备有一个完好的内存子系统，其由内核指定共用内存和一个32位中断控制器组成。这些功能以及其逻辑、控制和算法，让PRU-ICSS成为支持所

11、有流行工业自动化协议包括PROFIBUS/PROFINET、EtherCAT和Ethernet/IP等实时从通讯接口的理想选择。因其可编程特性，PRU-ICSS还可实现定制知识产权IP或定制底层总线。图3PRU-ICSS构造图AM335x处理器是一种通用SoC，可有效实现工业自动化网络中的绝大多数功能。例如，支持2D和3D图形的备选功能，进而十分合适于HMI单元。另外，由于支持高级操纵系统HLOS，例如：Linux、Windows嵌入版CE和Android，因此使用AM335xSoC时，操纵员可以轻松地与HMI和其它应用程序互动。很多实时操纵系统RTOS，包括TI的SYS/BIOS和很多其它第

12、三方RTOS等，为开发人员带来了高效的传感器和马达驱动器解决方案，它们不需要内存密集型HLOS，但需要低延迟的实时性能。组件的可靠性和寿命是工业自动化系统的另一个关键标准。在大多数情况下，这些系统均在恶劣的环境下使用，这是一个宏大的挑战。由于它们的部署时间和本钱，工厂自动化系统的预计有效寿命周期通常都很长。AM335x处理器证实，它是一种非常可靠的SoC。它的工作温度范围很大，可以持续处于上电状态达100000小时以上。TI还保证，AM335x解决方案的产品寿命可达10年以上。图4SitaraAM335x可扩展平台抢占市场先机TI的工厂自动化解决方案得到诸多软件和硬件开发工具的广泛支持，让自动

13、化供给商可以快速地实现其系统设计，拥有市场上最为先进的功能。十分是，AM335x处理器得到了一种简单却强大的开发工具工业通讯引擎ICE的支持，它给自动化厂商带来了一个高本钱效益的平台，用于开发、测试和优化从通讯功能。ICE为广阔开发人员提供了对一些流行工业自动化协议的快速连接，例如：PROFIBUS/PROFINET、Ethernet/IP、EtherCAT等。每种协议的信号LED组合有很多，包括Sercos3的三色LED等。八数字输出连接至板上LED和24V输出驱动器。另外，有8个24V数字输入和温度传感器，可用于简单I/O应用。通过串行外围接口SPI通讯和脉宽调制PWM驱动器排针上的信号，

14、开发人员可以扩展I/O功能。基于串行的CAN和PROFIBUS现场总线Fieldbus，使用一个隔离式收发器。该模块从外部闪存内存引导，支持串行闪存、并行闪存和MMC。ICE的软件环境包括TI的SYS/BIOSOS、CodeComposerStudio集成开发环境和StarterWare一种类似于大多数微控制器开发人员都熟悉的开发环境。应用套件和样品应用结合ICE，让开发人员可在其工业自动化应用方面抢得相当大的先机。利用片上USB模拟器接口，客户可以直接开场其自有应用的开发，无需购置外部JTAG仿真器。竞争剧烈的将来为了知足全球产品制造和材料处理的需求，工业自动化系统会不断进步速度、准确度、可靠性和精细性。越来越多的制造商会转向自动化，来进步其效率，降低本钱，以求获得更大的竞争力，获得更多的市场份额。另外，各制造公司都会努力把消费系统与公司业务系统严密地结合在一起，包括供给链和需求监测系统。因此，通讯协议环境变得更加多样化，进而突出了工厂自动化系统以及企业内其它业务系统的多协议支持的重要性。制造商的目的是，成为灵敏、机敏和极高效的产品材料消费商。如TI的AM335xSoC等领先技术，以广泛的模拟产品线作为补充，并得到包括ICE平台在内的诸多工具的支持，将确保工业自动化厂商拥有他们需要的各种才能，以知足市场开展的要求。本文选自电子发热友网09月技术特刊（智能工业特刊）0