（電子發(fā)燒友網(wǎng) 周凱揚/李寧遠）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)控制與通信技術研討會在線上成功舉辦。本次會議，意法半導體、ADI、TI、靈動、Microchip、Silicon?Labs等國內(nèi)外知名企業(yè)的專家和領導帶來了最新的技術分享。 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)、云計算和更先進的控制與互聯(lián)通信技術的發(fā)展，工業(yè)4.0智能制造時代下的工業(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)升級的新目標。
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與以往相比，今年工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)自動化與智能化需要更強大高效通信系統(tǒng)，更高性能穩(wěn)定可靠的控制器支持工業(yè)IoT的時間敏感網(wǎng)絡，同時也需要更加強調(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)自動化上的應用
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IO-Link作為一種點對點的串行數(shù)字通信協(xié)議，該技術的使用已經(jīng)越來越廣泛，本次工業(yè)控制與通信會議上，意法半導體亞太區(qū)工業(yè)自動化技術中心戰(zhàn)略營銷經(jīng)理羅志宏為大家分享了《IO-Link通信系統(tǒng)在工業(yè)自動化上的應用》。
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羅志宏首先對IO-Link技術進行了簡單的介紹，IO-Link符合IEC 61131-9這一規(guī)范，將PLC等主設備與智能傳感器和制動器從設備的點對點連接起來。傳統(tǒng)的自動化工廠中，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可以做到雙向信號傳輸，所以可以完成更復雜更先進的診斷任務。再者IO-Link走的數(shù)字信號，所以通信可靠性也會比傳統(tǒng)模擬信號更好。??
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IO-Link的點對點通信由一條最長20米的線提供，這條線由三條信號線組成，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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通過這幾年的增長，IO-Link的節(jié)點數(shù)量已經(jīng)有了驚人的增長。根據(jù)IO-Link協(xié)會的統(tǒng)計，2018到2019年的全球出貨量大約在1140萬左右，到去年2021年為止，這個數(shù)字已經(jīng)達到2100萬，將近增長了快一倍。而且這個數(shù)據(jù)不是估算的，因為這個是根據(jù)終端授權費計算的。
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目前全球市場最大的還是亞太和歐洲市場，尤其是增速極快的中國市場。2017年全球IO-Link市場在19.6億美元，到了2023年預計會增長至122億美元，實現(xiàn)33.55%的年復合增長率。IO-Link協(xié)會的成員數(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)增長中。 意法半導體提供IO-Link主設備和從設備端的收發(fā)器IC，L6360和L6364/L6362A。L6360采用了DFN的小封裝，大小只有3.5x3.5mm，其導通電阻低至1Ω，內(nèi)部有高邊+低邊+推挽電路，方便驅動IO-Link的信號線。除此之外，L6360還集成了兩個可編程的LED驅動器，欠壓保護和過溫保護電路。設備端收發(fā)器L6362A同樣支持到極低的導通電阻，3x3mm的DFN小封裝，整合了3.3V/5V的LDO。L6362A將電壓工作范圍擴展到36V，提供了靈活的設計選項。
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意法半導體也提供了雙通道的IO-Link設備，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小尺寸的需求。L6464支持兩個可配置的限流I/O，最高可達500mA，方便客戶靈活調(diào)整。終端設備診斷的功能。L6464集成了DC/DC和兩顆LDO，進一步提高了降壓效率。
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ST為每個IC都準備了對應的評估板、參考設計，針對收發(fā)器IC需要搭配的存放軟件協(xié)議棧的MCU，意法半導體也提供了開放開發(fā)環(huán)境，也有不少的IDE合作伙伴以支持不同的開發(fā)需求。
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工業(yè)以太網(wǎng)無縫聯(lián)接， 加速工業(yè)4.0
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工業(yè)4.0從多個方面提高了提高生產(chǎn)效率，尤其是在通信領域。在收購整合了凌特和美信后，ADI進一步補全了其在工業(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)控制與通信大會上，ADI的亞太區(qū)工業(yè)自動化行業(yè)市場部經(jīng)理于常濤為大家分享了《工業(yè)以太網(wǎng)——無縫連接，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)場總線、電機編碼器的接口都會用到RS485的多點通信網(wǎng)絡，完成一些長距離、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個節(jié)點。
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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主要是面向點對點的通信。M-LVDS結合了這兩者的優(yōu)勢，采用了一主多從的架構，支持最多32個的節(jié)點，最高可達250Mbps的速率，同時又做到了低功耗。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)從歐洲市場席卷了亞太市場，有效地解決了傳感器設計中的散熱、大小和電流驅動能力問題。主設備端收發(fā)器上，ADI提供MAX14819/MAX14819A等產(chǎn)品，在設備端收發(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、導通電阻和最高工作溫度上等核心指標上都做到了優(yōu)異的性能。 在配套的開發(fā)工具方面，ADI也提供一個8端口的IO-Link Demo，其參考設計既有支持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器，ADI也有一些Trinamic的電機驅動產(chǎn)品，構成從設備端的Demo板，方便客戶對整套IO-Link系統(tǒng)做評估。
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單對以太網(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，其中一種標準就是10BASE-T1L。10BASE-T1L最高可以實現(xiàn)1km范圍內(nèi)高達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標準的Ethernet-APL也支持EtherNet/IP、HART IP、OPC UA、PROFINET等高級應用層網(wǎng)絡協(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，更適合對于MCU資源要求低的應用中，比如傳感器。而對于需要打造環(huán)形網(wǎng)絡拓撲的客戶，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用上，具備免疫噪聲、操作安全性等優(yōu)勢。ADI也提供了隔離等級不同的產(chǎn)品方案，ADuM3165、ADuM4165，于常濤重點提及了20kV的浪涌保護，這一特性在醫(yī)療等級要求中是比較突出的優(yōu)勢。
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TI助力加速伺服驅動工業(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，其中智能伺服驅動系統(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)。本次研討會上，TI技術支持經(jīng)理盧璟介紹了TI如何助力加速伺服驅動工業(yè)多協(xié)議總線通信。
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在智能工廠中，HMI、PLC、Sensors以及電機控制是自動化系統(tǒng)的四大組件。這四個組件之間實現(xiàn)互聯(lián)互通是實現(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。
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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：首先網(wǎng)絡拓撲比較簡單，采用菊花鏈或者環(huán)形網(wǎng)絡，數(shù)據(jù)交互的路由結構很清晰；其次數(shù)據(jù)傳輸?shù)目纱_定性強，可預期、可規(guī)劃；另一方面是數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性可靠性要求高，比如與伺服控制響應的時間通常控制在幾個ms到幾十個ms之間，有些應用甚至要求微秒級別；同時數(shù)據(jù)同步的要求也非常高，在機器人的多軸聯(lián)動上這個需求尤為突出。
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伺服驅動電路通常分為數(shù)字域和模擬域，其中電機控制模塊和通訊模塊是重中之重。實現(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。TI技術支持經(jīng)理盧璟介紹了TI針對伺服驅動的多協(xié)議總線方案。TI傳統(tǒng)的分布式雙片結構是采用專門的芯片來負責通訊，用C2000系列或者FPGA來處理電流環(huán)等功能，不同的通訊協(xié)議換上不同的通訊模塊即可。分布式架構上TI還有Sitara加上C2000的解決方案，可拓展性強。
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集中式的單芯片方案同樣來自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時控制外設以及高性能運算內(nèi)核，能夠快速幫助設計人員設計出高性能的伺服驅動。
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針對工業(yè)通訊微秒級別延遲的需求，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。典型的應用場景包括替代并行總線完成板上信號傳輸，也可以用于分布式系統(tǒng)的板間傳輸。其亮點之一是管腳數(shù)非常少，4個pin腳就能達到百兆bps速率，傳輸延遲與CAN、CAN-FD以及EtherCAT相比，8bytes傳輸僅需1.04us，延遲之低可見一斑。
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SORTE是TI的簡單開放實時以太網(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微秒。對于需要在幾個微秒就完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)膱龊希斍爸饕峭ㄟ^分離的數(shù)字和模擬信號進行實現(xiàn)。SORTE也就是為了解決此類問題誕生，通過數(shù)據(jù)包方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)模擬信號進行低延遲控制，實現(xiàn)更小的同步周期。其自帶的校驗也進一步提高了數(shù)據(jù)可靠性。
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TI的實時控制技術和先進的信號處理產(chǎn)品可以幫助工業(yè)應用，加快向智能生產(chǎn)系統(tǒng)的過渡。