（電子發(fā)燒友網(wǎng) 周凱揚(yáng)/李寧遠(yuǎn)）2022年6月15日，由全球知名電子科技媒體<電子發(fā)燒友>主辦的2022第六屆工業(yè)控制與通信技術(shù)研討會(huì)在線上成功舉辦。本次會(huì)議，意法半導(dǎo)體、ADI、TI、靈動(dòng)、Microchip、Silicon?Labs等國(guó)內(nèi)外知名企業(yè)的專家和領(lǐng)導(dǎo)帶來(lái)了最新的技術(shù)分享。 電子發(fā)燒友總經(jīng)理張迎輝在致辭中表示，隨著5G、AI、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算和更先進(jìn)的控制與互聯(lián)通信技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)4.0智能制造時(shí)代下的工業(yè)控制與通信、工業(yè)數(shù)字化與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的創(chuàng)新應(yīng)用不斷落地，更加智能高效節(jié)能與數(shù)字化的工業(yè)5.0也成了產(chǎn)業(yè)升級(jí)的新目標(biāo)。
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與以往相比，今年工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)自動(dòng)化與智能化需要更強(qiáng)大高效通信系統(tǒng)，更高性能穩(wěn)定可靠的控制器支持工業(yè)IoT的時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)也需要更加強(qiáng)調(diào)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)中的數(shù)據(jù)安全等等。
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IO-Link通訊系統(tǒng)在工業(yè)自動(dòng)化上的應(yīng)用
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IO-Link作為一種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的串行數(shù)字通信協(xié)議，該技術(shù)的使用已經(jīng)越來(lái)越廣泛，本次工業(yè)控制與通信會(huì)議上，意法半導(dǎo)體亞太區(qū)工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)中心戰(zhàn)略營(yíng)銷經(jīng)理羅志宏為大家分享了《IO-Link通信系統(tǒng)在工業(yè)自動(dòng)化上的應(yīng)用》。
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羅志宏首先對(duì)IO-Link技術(shù)進(jìn)行了簡(jiǎn)單的介紹，IO-Link符合IEC 61131-9這一規(guī)范，將PLC等主設(shè)備與智能傳感器和制動(dòng)器從設(shè)備的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接起來(lái)。傳統(tǒng)的自動(dòng)化工廠中，存在很多專有協(xié)議、單向和模擬的信息交換，不僅缺乏診斷能力和配置能力，而且模擬數(shù)據(jù)也更容易受到噪聲的影響。 而IO-Link可以做到雙向信號(hào)傳輸，所以可以完成更復(fù)雜更先進(jìn)的診斷任務(wù)。再者IO-Link走的數(shù)字信號(hào)，所以通信可靠性也會(huì)比傳統(tǒng)模擬信號(hào)更好。??
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IO-Link的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信由一條最長(zhǎng)20米的線提供，這條線由三條信號(hào)線組成，數(shù)據(jù)格式主要走的是11位的UART，電壓水平為24V的直流電壓。數(shù)據(jù)傳輸周期為每2ms傳輸一次，最小可以做到0.4ms。傳輸速率分為三個(gè)模式，分別是4.8kbps的COM1、38.4kbps的COM2和230.4kbps的COM3。 在物理層接口，IO-Link使用主要的連接器大小覆蓋M5到M12，分為4pin的Class?A和5pin的Class?B兩種類型。
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通過(guò)這幾年的增長(zhǎng)，IO-Link的節(jié)點(diǎn)數(shù)量已經(jīng)有了驚人的增長(zhǎng)。根據(jù)IO-Link協(xié)會(huì)的統(tǒng)計(jì)，2018到2019年的全球出貨量大約在1140萬(wàn)左右，到去年2021年為止，這個(gè)數(shù)字已經(jīng)達(dá)到2100萬(wàn)，將近增長(zhǎng)了快一倍。而且這個(gè)數(shù)據(jù)不是估算的，因?yàn)檫@個(gè)是根據(jù)終端授權(quán)費(fèi)計(jì)算的。
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目前全球市場(chǎng)最大的還是亞太和歐洲市場(chǎng)，尤其是增速極快的中國(guó)市場(chǎng)。2017年全球IO-Link市場(chǎng)在19.6億美元，到了2023年預(yù)計(jì)會(huì)增長(zhǎng)至122億美元，實(shí)現(xiàn)33.55%的年復(fù)合增長(zhǎng)率。IO-Link協(xié)會(huì)的成員數(shù)量也從2016年的100家發(fā)展至今年的400家，成員數(shù)量還在持續(xù)增長(zhǎng)中。 意法半導(dǎo)體提供IO-Link主設(shè)備和從設(shè)備端的收發(fā)器IC，L6360和L6364/L6362A。L6360采用了DFN的小封裝，大小只有3.5x3.5mm，其導(dǎo)通電阻低至1Ω，內(nèi)部有高邊+低邊+推挽電路，方便驅(qū)動(dòng)IO-Link的信號(hào)線。除此之外，L6360還集成了兩個(gè)可編程的LED驅(qū)動(dòng)器，欠壓保護(hù)和過(guò)溫保護(hù)電路。設(shè)備端收發(fā)器L6362A同樣支持到極低的導(dǎo)通電阻，3x3mm的DFN小封裝，整合了3.3V/5V的LDO。L6362A將電壓工作范圍擴(kuò)展到36V，提供了靈活的設(shè)計(jì)選項(xiàng)。
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意法半導(dǎo)體也提供了雙通道的IO-Link設(shè)備，L6364Q和L6364W，后者采用了更小的CSP封裝，僅有2.5x2.5mm，足以滿足一些傳感器對(duì)小尺寸的需求。L6464支持兩個(gè)可配置的限流I/O，最高可達(dá)500mA，方便客戶靈活調(diào)整。終端設(shè)備診斷的功能。L6464集成了DC/DC和兩顆LDO，進(jìn)一步提高了降壓效率。
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ST為每個(gè)IC都準(zhǔn)備了對(duì)應(yīng)的評(píng)估板、參考設(shè)計(jì)，針對(duì)收發(fā)器IC需要搭配的存放軟件協(xié)議棧的MCU，意法半導(dǎo)體也提供了開(kāi)放開(kāi)發(fā)環(huán)境，也有不少的IDE合作伙伴以支持不同的開(kāi)發(fā)需求。
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工業(yè)以太網(wǎng)無(wú)縫聯(lián)接， 加速工業(yè)4.0
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工業(yè)4.0從多個(gè)方面提高了提高生產(chǎn)效率，尤其是在通信領(lǐng)域。在收購(gòu)整合了凌特和美信后，ADI進(jìn)一步補(bǔ)全了其在工業(yè)通信上的產(chǎn)品，為客戶提供更全面的解決方案。本次工業(yè)控制與通信大會(huì)上，ADI的亞太區(qū)工業(yè)自動(dòng)化行業(yè)市場(chǎng)部經(jīng)理于常濤為大家分享了《工業(yè)以太網(wǎng)——無(wú)縫連接，加速工業(yè)4.0》這一主題。
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RS-485和RS-422作為傳統(tǒng)的工業(yè)通信接口，在一些現(xiàn)場(chǎng)總線、電機(jī)編碼器的接口都會(huì)用到RS485的多點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò)，完成一些長(zhǎng)距離、穩(wěn)定可靠的傳輸。ADI的RS-485收發(fā)器ADM286xE/ADM256xE產(chǎn)品系列，最高可以支持25Mbps的通信速率，支持到192個(gè)節(jié)點(diǎn)。
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就背板通信而言，于常濤分享了常用的三種通信技術(shù)RS-485、LVDS和M-LVDS。RS-485與其他兩者相比，功耗較高，速率也偏低，而LVDS主要是面向點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信。M-LVDS結(jié)合了這兩者的優(yōu)勢(shì)，采用了一主多從的架構(gòu)，支持最多32個(gè)的節(jié)點(diǎn)，最高可達(dá)250Mbps的速率，同時(shí)又做到了低功耗。ADI也為M-LVDS提供了高密度的M-LVDS收發(fā)器，涵蓋了全雙工、半雙工的多種工作模式，并在緊湊的封裝下做到了低功耗。
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IO-Link作為一種傳感器的接口形式，已經(jīng)從歐洲市場(chǎng)席卷了亞太市場(chǎng)，有效地解決了傳感器設(shè)計(jì)中的散熱、大小和電流驅(qū)動(dòng)能力問(wèn)題。主設(shè)備端收發(fā)器上，ADI提供MAX14819/MAX14819A等產(chǎn)品，在設(shè)備端收發(fā)器上也有MAX22513、MAX22515等明星產(chǎn)品，這兩大產(chǎn)品線從電流限制、導(dǎo)通電阻和最高工作溫度上等核心指標(biāo)上都做到了優(yōu)異的性能。 在配套的開(kāi)發(fā)工具方面，ADI也提供一個(gè)8端口的IO-Link Demo，其參考設(shè)計(jì)既有支持TMG的協(xié)議棧，也有支持TE Connect的協(xié)議棧。至于外圍的傳感器和制動(dòng)器，ADI也有一些Trinamic的電機(jī)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品，構(gòu)成從設(shè)備端的Demo板，方便客戶對(duì)整套IO-Link系統(tǒng)做評(píng)估。
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單對(duì)以太網(wǎng)（SPE）是基于IEEE 802.3cg-2019規(guī)范打造的一種以太網(wǎng)物理層技術(shù)，其中一種標(biāo)準(zhǔn)就是10BASE-T1L。10BASE-T1L最高可以實(shí)現(xiàn)1km范圍內(nèi)高達(dá)10Mbps速度的傳輸，供電上也支持PoDL數(shù)據(jù)線供電。不僅如此，基于10BASE-T1L標(biāo)準(zhǔn)的Ethernet-APL也支持EtherNet/IP、HART IP、OPC UA、PROFINET等高級(jí)應(yīng)用層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。
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ADI提供ADIN1100和ADIN1110這兩大10BASE-T1L?PHY和MAC PHY產(chǎn)品，后者集成了MAC，更適合對(duì)于MCU資源要求低的應(yīng)用中，比如傳感器。而對(duì)于需要打造環(huán)形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞目蛻?，ADI也提供了雙端口的ADIN2111。
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隔離式USB在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)中，主要出現(xiàn)在調(diào)試接口、命令參數(shù)配置接口和程序上傳下載等應(yīng)用上，具備免疫噪聲、操作安全性等優(yōu)勢(shì)。ADI也提供了隔離等級(jí)不同的產(chǎn)品方案，ADuM3165、ADuM4165，于常濤重點(diǎn)提及了20kV的浪涌保護(hù)，這一特性在醫(yī)療等級(jí)要求中是比較突出的優(yōu)勢(shì)。
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TI助力加速伺服驅(qū)動(dòng)工業(yè)多協(xié)議總線通信
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全球制造業(yè)正在經(jīng)歷新一輪的數(shù)字化和智能化升級(jí)，其中智能伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，特別是支持多協(xié)議總線的伺服產(chǎn)品是新一輪升級(jí)中重要的角色。智能制造系統(tǒng)需要更智能且更安全的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)。本次研討會(huì)上，TI技術(shù)支持經(jīng)理盧璟介紹了TI如何助力加速伺服驅(qū)動(dòng)工業(yè)多協(xié)議總線通信。
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在智能工廠中，HMI、PLC、Sensors以及電機(jī)控制是自動(dòng)化系統(tǒng)的四大組件。這四個(gè)組件之間實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通是實(shí)現(xiàn)智能化的核心之一。由于目前工業(yè)通訊是多種以太網(wǎng)并存的局面，對(duì)于很多伺服廠家而言，提供多協(xié)議的伺服產(chǎn)品也成為了新的趨勢(shì)。
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根據(jù)TI的分析，工業(yè)數(shù)據(jù)通訊具有以下這些特點(diǎn)：首先網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浔容^簡(jiǎn)單，采用菊花鏈或者環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)交互的路由結(jié)構(gòu)很清晰；其次數(shù)據(jù)傳輸?shù)目纱_定性強(qiáng)，可預(yù)期、可規(guī)劃；另一方面是數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性可靠性要求高，比如與伺服控制響應(yīng)的時(shí)間通?？刂圃趲讉€(gè)ms到幾十個(gè)ms之間，有些應(yīng)用甚至要求微秒級(jí)別；同時(shí)數(shù)據(jù)同步的要求也非常高，在機(jī)器人的多軸聯(lián)動(dòng)上這個(gè)需求尤為突出。
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伺服驅(qū)動(dòng)電路通常分為數(shù)字域和模擬域，其中電機(jī)控制模塊和通訊模塊是重中之重。實(shí)現(xiàn)智能工廠中不同功能的伺服功能，可以采用集中式或者分布式的架構(gòu)。TI技術(shù)支持經(jīng)理盧璟介紹了TI針對(duì)伺服驅(qū)動(dòng)的多協(xié)議總線方案。TI傳統(tǒng)的分布式雙片結(jié)構(gòu)是采用專門的芯片來(lái)負(fù)責(zé)通訊，用C2000系列或者FPGA來(lái)處理電流環(huán)等功能，不同的通訊協(xié)議換上不同的通訊模塊即可。分布式架構(gòu)上TI還有Sitara加上C2000的解決方案，可拓展性強(qiáng)。
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集中式的單芯片方案同樣來(lái)自C2000和Sitara系列。如果只需要支持單種協(xié)議，C2000下的F2838x是很好的選擇，可以快速地實(shí)現(xiàn)單軸或者雙軸的伺服控制。如果需要支持多種協(xié)議，Sitara也能提供不同主頻，是否具有LINUX系統(tǒng)的多種選擇。C2000和Sitara系列有非常豐富的實(shí)時(shí)控制外設(shè)以及高性能運(yùn)算內(nèi)核，能夠快速幫助設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)出高性能的伺服驅(qū)動(dòng)。
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針對(duì)工業(yè)通訊微秒級(jí)別延遲的需求，TI則提出了FSI與SORTE方案。FSI，快速串行接口，在C2000與Sitara系列中都能支持。典型的應(yīng)用場(chǎng)景包括替代并行總線完成板上信號(hào)傳輸，也可以用于分布式系統(tǒng)的板間傳輸。其亮點(diǎn)之一是管腳數(shù)非常少，4個(gè)pin腳就能達(dá)到百兆bps速率，傳輸延遲與CAN、CAN-FD以及EtherCAT相比，8bytes傳輸僅需1.04us，延遲之低可見(jiàn)一斑。
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SORTE是TI的簡(jiǎn)單開(kāi)放實(shí)時(shí)以太網(wǎng)。目前基于工業(yè)以太網(wǎng)的各種協(xié)議同步周期，最短也只能做到幾十個(gè)微秒。對(duì)于需要在幾個(gè)微秒就完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)膱?chǎng)合，當(dāng)前主要是通過(guò)分離的數(shù)字和模擬信號(hào)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。SORTE也就是為了解決此類問(wèn)題誕生，通過(guò)數(shù)據(jù)包方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)模擬信號(hào)進(jìn)行低延遲控制，實(shí)現(xiàn)更小的同步周期。其自帶的校驗(yàn)也進(jìn)一步提高了數(shù)據(jù)可靠性。
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TI的實(shí)時(shí)控制技術(shù)和先進(jìn)的信號(hào)處理產(chǎn)品可以幫助工業(yè)應(yīng)用，加快向智能生產(chǎn)系統(tǒng)的過(guò)渡。