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工業(yè)4.0驅(qū)動(dòng)工業(yè)自動(dòng)化快速發(fā)展

發(fā)布時(shí)間:2022-06-10 來源:艾睿電子 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】在工業(yè)4.0概念的驅(qū)動(dòng)下,運(yùn)用像是IO-Link網(wǎng)絡(luò)解決方案與工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT)的傳感器技術(shù),使工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用朝向更為智能化、更具通用性與更易于定制的方向發(fā)展。本文將為您介紹工業(yè)自動(dòng)化的相關(guān)應(yīng)用與解決方案,并進(jìn)一步了解工業(yè)4.0的發(fā)展方向。


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IO-Link網(wǎng)絡(luò)解決方案是工業(yè)4.0的基礎(chǔ)


所謂的工業(yè)4.0概念,便是要求在商品進(jìn)行生產(chǎn)的過程中,從供應(yīng)鏈、生產(chǎn)端、質(zhì)量控制與包裝和運(yùn)輸?shù)攘鞒讨?,進(jìn)行更智能、更彈性的流程管理,包括靈活的接單能力、生產(chǎn)過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控,以及對生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行預(yù)測性維護(hù),以減少停機(jī)的時(shí)間,并同時(shí)能夠達(dá)到節(jié)能減廢的目標(biāo)。


想要實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0的目標(biāo),其中一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)便是IO-Link網(wǎng)絡(luò)解決方案,它可以解決物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用環(huán)境中的信號(hào)嘈雜問題,也可以解決采用不同布線的線路混亂現(xiàn)象,并可大幅減少在安裝/維修時(shí)所造成的生產(chǎn)停機(jī)時(shí)間。


傳統(tǒng)采用模擬技術(shù)進(jìn)行信號(hào)傳輸時(shí),由于需要經(jīng)過多次A/D轉(zhuǎn)換,將導(dǎo)致精度損失,受到EMI和其他外部因素的影響,可能會(huì)影響到模擬信號(hào),而導(dǎo)致檢測不到信號(hào),若采用防止EMI的屏蔽電纜,其價(jià)格也較為昂貴。在工業(yè)環(huán)境中若采用IO-Link的數(shù)字化技術(shù),將可消除不必要的多次A/D轉(zhuǎn)換,可確保不損失精度,也不需要屏蔽電纜,因?yàn)閿?shù)字信號(hào)具備抗EMI的能力,可以采用非屏蔽電纜,將可節(jié)省成本、空間和使用模擬I/O卡的費(fèi)用,采用數(shù)字載體也可以同時(shí)承載多種數(shù)據(jù)。


IO-Link技術(shù)具有更強(qiáng)的抗噪能力,采用簡單的3線數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸,能夠減少轉(zhuǎn)換損失、傳輸速度更快,可采用標(biāo)準(zhǔn)連接器和電纜(非屏蔽M12/M8電纜),電纜線長可超過20米,在一個(gè)端口上可以進(jìn)行輸入/輸出雙向傳輸,因此可以連接傳感器和執(zhí)行器。此外,IO-Link標(biāo)準(zhǔn)不受限于單一制造商,可適應(yīng)任何現(xiàn)有的PLC和總線,可以替代多個(gè)標(biāo)準(zhǔn),具有通用性,可方便、輕松地定制設(shè)計(jì)具彈性的生產(chǎn)線,并可進(jìn)行無縫式遠(yuǎn)程監(jiān)控,可靈活接單并減少停機(jī)時(shí)間,通過遠(yuǎn)程機(jī)器狀態(tài)監(jiān)控,可實(shí)現(xiàn)預(yù)測性維護(hù)和節(jié)能,使其成為推動(dòng)工業(yè)4.0的基礎(chǔ)。


依據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示,在2020年時(shí),全球已經(jīng)有超過1600萬個(gè)IO-Link節(jié)點(diǎn),預(yù)計(jì)到2023年時(shí),IO-Link市場預(yù)計(jì)將達(dá)到120億美元以上,其中尤以亞太地區(qū)將會(huì)是IO-Link應(yīng)用最大的市場,將可占有全球30%以上的市場空間,以及超過36億美元的市場份額。


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完整的IO-Link解決方案與技術(shù)支持


針對市場對IO-Link技術(shù)的迫切需求,艾睿電子推出了符合IEC 61131-9 IO-Link規(guī)范的ARW-IOLM4P-STM32L4控制板,可執(zhí)行從控制器到傳感器/執(zhí)行器的點(diǎn)對點(diǎn)連接,ARW-IOLM4P-STM32L4是基于STM32L431RBT6控制器的多合一IO-Link Master 4端口解決方案,采用低功耗的STM32 ARM? Cortex?- M4 MCU,并包括符合IO-Link V1.1.3的4端口主控制器堆棧,已通過IO-Link主控端的一致性測試,可支持通過SPI連接到主機(jī)CPU,可簡化IO-Link主控設(shè)計(jì),以減少軟件工作量,并提供有保證的IO-Link功能,艾睿電子還提供ARW-IOLM4P-EVAL01/02評(píng)估板,可縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。


除了作為IO-Link通信核心的主控端和設(shè)備端收發(fā)器IC之外,ST還提供完整的生態(tài)系統(tǒng),包括豐富的評(píng)估板產(chǎn)品組合與合作伙伴,ST和艾睿電子、TEConcept簽署了三方合作伙伴關(guān)系,其具體成果是IOLM4P,這是一款基于超低功耗STM32L4的4端口IO-Link主芯片解決方案,具有集成協(xié)議棧,能夠控制多達(dá)四個(gè)IO-Link設(shè)備。


另一方面,艾睿電子還可提供來自ST的L6360 IO-Link主控收發(fā)器與L6362A IO-Link從屬收發(fā)器,提供8-CH IO-Link主站和DI/DO Hub參考設(shè)計(jì)與IO-Link從屬軟件平臺(tái),可用于工業(yè)4.0的IO-Link接口,以連接傳感器/執(zhí)行器,可應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)、Profinet/以太網(wǎng)/Profibus、可編程邏輯控制器與預(yù)測性維護(hù)等場合。


此外,艾睿電子還與ST合作開發(fā)單一MCU結(jié)合IO-Link Master/Ethernet IP/Profinet功能的微控制器,可支持8路IO-Link設(shè)備,支持雙控架構(gòu)(PC或嵌入式主機(jī)),包含符合IO-Link V1.1.2標(biāo)準(zhǔn)的8端口主控制器堆棧,帶有2個(gè)集成的EtherNet/IP接口,其采用的核心芯片包括STM的STM32H743ZIT6、VN808-32-E、L6360、M24256-BRDW6TP、L7986A、SLVU2.8-4A1、SMA4F28A,Microchip的KSZ8863RLL、Amphenol的M12A-05PMMC-SF8B20,以及Apps Electronics的AE-RJC101013、AE-SB16001,Abracon的ABM8W-19.2000MHZ-8-J1Z-T3,可應(yīng)用于IO-Link主集線器、PLC、工廠自動(dòng)化等領(lǐng)域。


艾睿電子也推出IO-Link塔燈解決方案,其采用M12標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)連接器,可通過IO-Link接口控制執(zhí)行器塔燈,并可配置不同的模式,支持IO-Link版本1.1/1.0物理層兼容,采用的核心芯片包括ST的四路低電位智能電源開關(guān)IPS4260L、IO-Link雙通道收發(fā)IC L6364Q,以及ARM Cortex-M0+ 32位MCU STM32G071、8Kbit串行EEPROM M24C08與1500W TVS SMB15F24A,以及模擬多路復(fù)用器STG3157CTR,并采用Murata的MEMS諧振器WMRAG32K76CS1C00R0與8MHz的陶瓷諧振器CSTNE8M00G520000R0,還有Amphenol ICC的M12圓形4 POS ST 通孔4端子1端口的M12A-04PMMP-SF8001與BergStik板對板連接器77311-1180xLF,可應(yīng)用于執(zhí)行器塔燈控制、工廠自動(dòng)化與控制與樓宇自動(dòng)化應(yīng)用。


艾睿電子還與TE-concept合作,支持IO-Link軟件和合規(guī)性測試,可協(xié)助客戶進(jìn)行IO-Link預(yù)先測試,可提供TE-Concept控制工具、IO-Link主測試儀、IODD Designer、IO-Link診斷工具,以及ST的所有電子組件與Amphenol的連接器、電纜、模塊,可加快IO-Link相關(guān)應(yīng)用的產(chǎn)品開發(fā)速度。


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先進(jìn)的IO-Link主控和設(shè)備端芯片


ST看好IO-Link技術(shù)的發(fā)展,從一開始就加入了IO-Link聯(lián)盟,可提供主控和設(shè)備端芯片來實(shí)現(xiàn)IO-Link通信中的物理層,包括L6360、L6362A收發(fā)器與L6364的新設(shè)備芯片。


L6360是一款符合PHY2(3線)的單片IO-Link主收發(fā)器,支持COM1、COM2和COM3模式。C/Q輸出級(jí)可編程為高電位、低電位或推挽,可編程截止電流和截止電流延遲時(shí)間,并結(jié)合熱關(guān)斷和自動(dòng)重啟功能,保護(hù)設(shè)備免受過載和短路的影響。C/Q和L+輸出級(jí)能夠驅(qū)動(dòng)電阻、電感和電容負(fù)載,可驅(qū)動(dòng)高達(dá)10 mJ的電感負(fù)載,監(jiān)控電源電壓并檢測低電壓條件。


L6360 IO-Link通信主收發(fā)器IC的電源電壓范圍為18 - 32.5 V,可支持高達(dá)500 mA L+保護(hù)的高電位驅(qū)動(dòng)器,可支持額外的IEC61131-2 type-1輸入,并支持短路、過流、過壓(> 36 V)、過熱、ESD等保護(hù)功能,采用小型化的VFQFPN-26L(3.5 x 5 x 1 mm)封裝。


L6362A則是符合PHY2(3線連接)的IO-Link和SIO(標(biāo)準(zhǔn)IO)模式收發(fā)器IC,支持COM1、COM2和COM3模式,可允許低電位、高電位側(cè)和推挽輸出配置,可驅(qū)動(dòng)任何類型的負(fù)載(電阻、電容或電感)。L6362A是在24 V環(huán)境中運(yùn)行的工業(yè)傳感器的理想接口,可連接到PLC、工業(yè)IO模塊或IO-Link主控端。


L6362A的電源電壓范圍為7 - 36 V,具有極其高效的功率級(jí),RDSON為0.8 Ω / 1 Ω(低電位/高電位),輸出電流高達(dá)300 mA,能夠驅(qū)動(dòng)L/C/R高達(dá)500mJ/30μF,支持喚醒檢測,以及5 V或3.3 V、10 mA可選線性穩(wěn)壓器,還包含一組豐富的保護(hù)功能,包括VCC、GND、OUTH、OUTL和I/Q引腳之間的反極性,這是安裝工業(yè)傳感器的關(guān)鍵特性,其他保護(hù)功能還包括輸出短路、過壓/欠壓、過載、過溫和快速瞬態(tài)條件(±1 kV、500 Ω和18 μF耦合),具有EMC穩(wěn)健性,可面對突波、浪涌與ESD,可在-40至125℃的溫度范圍工作,采用微型DFN封裝(3 x 3毫米)。


新推出的L6364則是一款雙通道IO-Link設(shè)備收發(fā)器IC,它可在具有傳感器或執(zhí)行器功能的微控制器與24 V電源和信號(hào)電纜之間提供一座橋梁,指定用于支持COM2和COM3模式下的IO-Link通信。


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多合一、靈活的PLC解決方案


ST針對工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用,也推出具有12個(gè)輸入和12個(gè)輸出的全功能工業(yè)級(jí)可編程邏輯控制器(PLC),支持采用觸摸屏顯示器的人機(jī)界面(HMI),這種一體化解決方案可確??焖佥p松地訪問所有控制功能,搭配具有DSP和FPU指令的高性能STM32F7微控制器、具有L1緩存的自適應(yīng)實(shí)時(shí)加速器(ART Accelerator?),以及具有專用Chrom-ART Accelerator?的LCD-TFT控制器,可用于創(chuàng)建增強(qiáng)圖形內(nèi)容。


這個(gè)解決方案在輸入和輸出陣列上都提供了多種可能性,包括帶SPI接口的電隔離8通道高電位智能功率固態(tài)繼電器(ISO8200AQ)或4通道低電位智能功率開關(guān)(IPS4260L)可以驅(qū)動(dòng)輸出,而高速數(shù)字輸入電流限制器(CLT01 -38SQ7)或自供電數(shù)字輸入電流限制器(CLT03-2Q3),則可分別提供高速SPI和支持60V的自供電輸入。


ST的ISO8200AQ是具有SPI接口的電隔離、八通道高電位工業(yè)輸出驅(qū)動(dòng)器,每通道輸出電流可達(dá)0.7A,具有帶菊花鏈的20 MHz SPI接口,嵌入了多項(xiàng)保護(hù)功能,包括過熱(外殼和每個(gè)通道)和接地丟失,并可感應(yīng)負(fù)載的快速退磁,符合IEC 61000-4-2、IEC 61000-4-4、IEC 61000-4-5和IEC 61000-4-8標(biāo)準(zhǔn)。


ST IPS4260則是一款四路低電位智能電源開關(guān),具有四個(gè)獨(dú)立的受保護(hù)信道,每個(gè)信道具有0.5 A電流能力,嵌入了多種保護(hù)功能,包括接地和VCC斷線、過壓和開路負(fù)載,具備豐富的診斷功能,包括過載和熱關(guān)斷(通用和每通道),并符合IEC 61131-2標(biāo)準(zhǔn)。


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用于位置和運(yùn)動(dòng)監(jiān)測的工業(yè)傳感器


工業(yè)傳感器節(jié)點(diǎn)中使用了許多不同的位置和運(yùn)動(dòng)監(jiān)測傳感器,以檢測物體的位置和方向,或檢測物體沿一個(gè)或多個(gè)軸的位移和旋轉(zhuǎn)。ST針對不同的用例制造了一系列最先進(jìn)的數(shù)字傳感器,像是具有多目標(biāo)檢測能力的飛行時(shí)間(ToF)測距傳感器,嵌入了ST的第三代FlightSense專利技術(shù),結(jié)合了高性能接近和測距傳感器、多目標(biāo)距離測量和自動(dòng)污跡校正等功能,可以檢測物體的位置與距離。此外,加速度計(jì)則可參考地球的重力場,通常用于檢測最終產(chǎn)品的方向或在檢測到外部運(yùn)動(dòng)時(shí)喚醒系統(tǒng),ST的MEMS加速度計(jì)則可以極低的功耗提供高精度測量結(jié)果。


ST已經(jīng)推出多款的ToF測距傳感器,包括VL53L3CX多目標(biāo)檢測ToF測距傳感器、VL53L0XToF測距傳感器、VL53L1CB先進(jìn)的多區(qū)域和多對象檢測的ToF測距傳感器、VL53L1X ToF測距傳感器、VL53L4CD ToF高精度接近傳感器、具有擴(kuò)展范圍測量的VL53L4CX ToF傳感器、VL6180V1 ToF接近傳感器、VL6180X接近傳感器和環(huán)境光感應(yīng)(ALS)模塊等,可滿足客戶不同應(yīng)用的多樣需求。


ST也針對不同應(yīng)用,推出多款加速度計(jì),包括可用于工業(yè)應(yīng)用、具有數(shù)字輸出的超低功耗高性能3軸加速度計(jì)IIS2DH,以及采用MEMS技術(shù)的數(shù)字輸出運(yùn)動(dòng)傳感器,可用于工業(yè)應(yīng)用的高性能超低功耗3軸加速度計(jì)IIS2DLPC,用于工業(yè)應(yīng)用的高分辨率、高穩(wěn)定性3軸數(shù)字傾角儀的IIS3DHHC,用于工業(yè)應(yīng)用、具有數(shù)字輸出的高性能超低功耗3軸加速度計(jì)IIS328DQ,以及MEMS數(shù)字輸出雙運(yùn)動(dòng)和溫度傳感器LIS2DTW12等,可以針對工業(yè)應(yīng)用提供多樣化的加速度測量。


ST也提供1點(diǎn)或3點(diǎn)翻滾傳感器校準(zhǔn),可計(jì)算3軸傳感器(通常是加速度計(jì))的偏移和增益。MotionFX庫以往僅提供磁力計(jì)和陀螺儀校準(zhǔn),ST則添加了MotionFX庫的加速度計(jì)校準(zhǔn)功能,并可讓最終用戶輕松實(shí)現(xiàn)定制和增強(qiáng)(MotionFX僅以二進(jìn)制格式提供,而不提供源代碼),并易于在每個(gè)微控制器上使用(MotionFX只能在STM32上運(yùn)行),可適用于ST的所有加速度計(jì)、eCompass模塊和iNemo慣性IMU。


NFC技術(shù)也可應(yīng)用在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域,ST推出的ST25R3916/7是高性能NFC通用器件和EMVCo讀取器,在適用時(shí)可支持NFC發(fā)起方、NFC目標(biāo)、NFC讀取器和NFC卡仿真模式。該NFC IC完全符合EMVCo 3.0模擬和數(shù)字標(biāo)準(zhǔn),針對POS終端應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化,即使在天線周圍有嘈雜的LCD顯示器等惡劣的條件下,也能實(shí)現(xiàn)最快的EMVCo 3.0認(rèn)證周期。


ST25R3916/7設(shè)計(jì)用于在寬電源范圍(-40℃至+105℃范圍內(nèi)為2.6至5.5 V,-20℃至+105℃范圍內(nèi)為2.4至5.5 V)和寬廣的外設(shè)IO電壓范圍(從1.65到5.5 V)。由于這種高射頻輸出功率、低功率模式和寬電源范圍的組合,這些器件非常適合基礎(chǔ)設(shè)施的NFC應(yīng)用。


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高精度、超低功耗的參考設(shè)計(jì)與傳感器


針對工業(yè)智能傳感應(yīng)用,ST 也推出 STEVAL-IOD04KT1 工業(yè)智能傳感器套件,這是基于 L6364W 雙 IO-Link 設(shè)備收發(fā)器的參考設(shè)計(jì),可協(xié)助加速 IO-Link 工業(yè)連接領(lǐng)域的智能工業(yè)傳感器開發(fā)應(yīng)用。該套件包含 STEVAL-IOD004V1 主板(不單獨(dú)銷售)、STLINK-V3MINI 編程器和調(diào)試器工具(包括一個(gè) M8-M12 工業(yè)連接器適配器與20厘米的電纜),STEVAL-IOD004V1主板具有 STM32G071EB 這款主流 Arm? Cortex?-M0+ RISC 內(nèi)核 MCU,工作頻率高達(dá) 64 MHz,以及 L6364W 可用于 SIO 和 IO-Link 傳感器應(yīng)用的雙通道收發(fā)器 IC,此外還有 IIS2MDC 這款高精度、超低功耗的3軸數(shù)字輸出磁力計(jì),以及 ISM330DHCX這款帶有機(jī)器學(xué)習(xí)內(nèi)核的iNEMO慣性模塊,和帶有數(shù)字輸出的有限狀態(tài)機(jī),適用于工業(yè)應(yīng)用。


STEVAL-IOD04KT1參考設(shè)計(jì)支持IO-Link協(xié)議棧v.1.1,可提供額外的傳感器連接器、狀態(tài)LED、M8工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)連接器,尺寸僅有45.8 x 8.3 mm,且形狀易于集成到工業(yè)傳感器外殼中,并提供可在STM32G071EB上運(yùn)行的相關(guān)固件示例,使多個(gè)實(shí)際用例的實(shí)現(xiàn)成為可能。此參考設(shè)計(jì)的目標(biāo)是基于IO-Link的智能工業(yè)傳感器應(yīng)用,具有易于配置、遠(yuǎn)程監(jiān)控、減少接線、高級(jí)診斷和易于設(shè)備更換等功能。


結(jié)語


在朝向工業(yè)4.0發(fā)展的工業(yè)應(yīng)用環(huán)境中,必須借助更先進(jìn)的數(shù)字化IO-Link網(wǎng)絡(luò)技術(shù),以及搭配各式各樣的傳感器,才能達(dá)成更智能的工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用。艾睿電子與ST等伙伴合作,推出了完整的解決方案與技術(shù)服務(wù),能夠加快相關(guān)應(yīng)用的開發(fā)速度,請即刻與艾睿電子聯(lián)系,以取得更詳細(xì)的產(chǎn)品與技術(shù)信息。



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