HMI+PLC+传感器+马达控制的工业自动化系统

概要

在当今竞争日益激烈的全球市场中，高效的工业生产能力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成本的地区，制造厂商们也渴望提高其自动化系统的精密度，因为他们知道，如果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，它让产品生产线持续运行，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。只要制造的产品能够达到规定质量水平，高效的生产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)地监控或者测量生产线的各种状态。之后，网络必须以最小时间的延迟、且不中断生产的情况下，传输这种信息。我们需要大量的工业通信协议来实现所要求的关键通信性能，例如：PROFIBUS/PROFINET、Ethernet/IP、EtherCAT、POWERLINK、SERCOS III等。另外，如PLC等处理元件必须正确地实时响应，否则会影响生产率，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，拥有丰富的经验。德州仪器广泛的模拟和嵌入式处理器产品系列可助力广大客户设计完整的系统级解决方案。本文重点介绍的TI的创新型高差异化解决方案，它让工业通信成本更低、接入更方便，并推进自动化和生产效率的提升。

图1 HMI+PLC+传感器+马达控制的工业自动化系统

工业自动化介绍

典型的工业自动化系统一般由四大部分组成，它们之间可以实施低延迟和实时高速的通信。这四大组成部分分别为：传感器、人机界面、PLC和马达驱动器。

传感器

现代工厂自动化系统的信息和数据传输越来越依赖于智能传感器。从前，传感器只负责监控和测量，却不分析。而现在，随着传感器变得更加智能，它们能够更好地对其所检测的工作进行评估，并能实时地完成任务。传感器的诸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、气压或者其他压力、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行通信的某个单元或者子系统。使用当前一流的技术，大多数工业自动化系统的人机界面都集成了图形显示子系统，例如：触摸屏等，因为这类系统直观、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者处理器的系统，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作员。根据这两种信息源所提供的信息，PLC发起动作来控制生产线的过程。

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，让其控制机械臂对汽车进行点焊。

在工业自动化系统中，这四大部分的连接是通过高速、低延迟网络实现的。这个网络确保对PLC对传感器或者操作员信息输入做出快速响应。总的来说，当今的工业自动化系统是实时、具有决策能力的高精密系统，能够精确控制高速生产过程。

未来面临的挑战

工业自动化将面临的基本挑战与我们已经克服了的一些挑战一样。为了取得更好的结果，控制系统必须继续提高其实时响应能力、可靠性、精确性、精密性和整体成熟度。要想满足这些要求，一个必不可少的条件是不断发展组网和其它联网技术。

在工业自动化市场上，有超过120种串行通信标准和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信协议，例如：PROFIBUS/PROFINET、EtherCAT、Ethernet/IP等，均有一个或者多个重要的传感器、PLC、HMI和马达驱动器供应商在背后提供支持。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信协议。这便增加了整体系统的复杂度，并且拉高了成本。例如，当今的许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)或者现场可编程门阵列(FPGA)，专门用于通信协议处理。在一些被通信协议视作从设备的自动化组件中，更是如此。

大多数工业自动化通信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发起动作或者控制过程的传感器。为了实现自动化系统承载网络所需的高速、低延迟通信，许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或者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成本。

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，以实现通信联网和合理化。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整解决方案。这种技术必须简单、具有高成本效益，以满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Sitara? ARM?的处理器在工业自动化应用中的良好业绩，证明了TI解决方案的成功。Sitara AM18x ARM9?(以及最新的AM335x ARM Cortex?-A8片上系统(SoC))，集成了多个处理内核、实时通信加速器，用于多协议处理、实时和高级操作系统、图形处理和大量其它资源的处理工作，以克服未来几年工业自动化所面临的挑战。

特别是AM335x ARM Cortex-A8 SoC，它是TI的工业自动化发展战略的例证。使用275GHz到1GHz的处理速度，AM335x SoC可以满足智能传感器到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处理器能够应对最为严格的功耗预算。

图2 Sitara ARM AM335x处理器结构图

AM335x解决方案拥有多协议通信能力，无需协议处理专用离散式ASIC或者FPGA.这从本质上让从设备的材料清单成本降低40%.把对许多流行协议(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或者UART界面进行编程，这是大多数工业编程人员都已经非常熟悉的工作。由于无需再进行艰苦的学习，因此缩短了部署时间，降低了成本。

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信子系统(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信。PRU-ICSS由运行在200MHz下的两个32位RISC处理内核组成。它能够单循环执行，并且其直接I/O界面以5纳秒的速度采样，确保实时通信所需的高吞吐速率。PRU-ICSS还装备有一个完整的内存子系统，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成为支持所有流行工业自动化协议(包括PROFIBUS/PROFINET、EtherCAT和Ethernet/IP等)实时从通信接口的理想选择。因其可编程特性，PRU-ICSS还可实现定制知识产权(IP)或者定制底层总线。

图3 PRU-ICSS结构图

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，从而特别适合于HMI单元。另外，由于支持高级操作系统(HLOS)，例如：Linux?、Windows?嵌入版CE和Android?，因此使用AM335x SoC时，操作员可以轻松地与HMI和其它应用程序互动。许多实时操作系统(RTOS)，包括TI的SYS/BIOS?和许多其它第三方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，这是一个巨大的挑战。由于它们的部署时间和成本，工厂自动化系统的预计有效寿命周期通常都很长。AM335x处理器证明，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4 Sitara AM335x可扩展平台

抢占市场先机

TI的工厂自动化解决方案得到众多软件和硬件开发工具的广泛支持，让自动化供应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。特别是，AM335x处理器得到了一种简单却强大的开发工具工业通信引擎(ICE)的支持，它给自动化厂商带来了一个高成本效益的平台，用于开发、测试和优化从通信功能。ICE为广大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组合有许多，包括Sercos 3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)通信和脉宽调制(PWM)驱动器排针上的信号，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/BIOS OS、Code Composer Studio?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，客户可以直接开始其自有应用的开发，无需购买外部JTAG仿真器。

图5 Sitara ICE

竞争激烈的未来

为了满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提高速度、精确度、可靠性和精密性。越来越多的制造商会转向自动化，来提高其效率，降低成本，以求取得更大的竞争力，获得更多的市场份额。另外，各制造公司都会努力把生产系统与公司业务系统紧密地结合在一起，包括供应链和需求监测系统。因此，通信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。制造商的目标是，成为灵活、机敏和极高效的产品材料生产商。如TI的AM335x SoC等领先技术，以广泛的模拟产品线作为补充，并得到包括ICE平台在内的众多工具的支持，将确保工业自动化厂商拥有他们需要的各种能力，以满足市场发展的要求。