【導讀】在工業(yè)4.0和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的推動下，工業(yè)自動化技術向數(shù)字化轉(zhuǎn)變。生產(chǎn)場所在不斷改變。各生產(chǎn)地點都在實現(xiàn)網(wǎng)絡連接；彼此之間、公司不同部門之間可以通信，甚至跨公司范圍與外界通信。通過狀態(tài)監(jiān)控、優(yōu)化機械裝置和技術系統(tǒng)可以大幅提高總體生產(chǎn)效率。但是，這需要企業(yè)中的所有參與者（無論是人還是機器）始終保持通信，以交換海量數(shù)據(jù)和各種參數(shù)。
圖1.聯(lián)網(wǎng)工廠中各種參與者應用示例。
圖2.從簡單的模擬傳感器轉(zhuǎn)向智能傳感器。智能模擬傳感器包括整個信號鏈和處理單元。
以前，連接相對簡單，將來自各種系統(tǒng)的模擬傳感器信號傳輸給中央控制器并進行數(shù)字化處理即可，但是，在工業(yè)4.0時代，傳感器也開始采用數(shù)字化技術。采用能夠集成到復雜網(wǎng)絡的任何位置的所謂智能傳感器之后，即可通過網(wǎng)絡以數(shù)字形式傳輸記錄的數(shù)據(jù)量。如圖2所示，除了實際測量參數(shù)檢測之外，這些智能傳感器將主要的信號調(diào)理和處理部分集成在單一封裝結(jié)構(gòu)中。
此外，智能傳感器通常已配備了總線接口。通過對測量參數(shù)實施數(shù)字化，能夠以更快速度傳輸更多數(shù)據(jù)。另一項優(yōu)勢在于信號傳輸更可靠。通過數(shù)字信號傳輸，可以減少甚至完全消除信號變化和干擾。此外，在理想情況下，總線使能傳感器可以通過即插即用連接至網(wǎng)絡，意味著控制單元會自動檢測到這些傳感器。如果一個傳感器故障，其他傳感器會繼續(xù)正常運行。
但是，所有這些都要求通用、高度可靠、實時可用的網(wǎng)絡從單個傳感器和執(zhí)行器擴展至機器，最終擴展到整個系統(tǒng)。以太網(wǎng)，尤其是工業(yè)以太網(wǎng)，已經(jīng)成為一套重要的通信標準。與以前的現(xiàn)場總線相比，工業(yè)以太網(wǎng)具有決定性的優(yōu)勢，例如可以在共享傳輸介質(zhì)上高效、同步地傳輸更大的數(shù)據(jù)量。此外，工業(yè)以太網(wǎng)提供了基于統(tǒng)一基礎構(gòu)建整個通信的可能性，通過實時擴展來補充傳統(tǒng)以太網(wǎng)，以實現(xiàn)確定性。
去年，ADI公司針對此類應用推出了實時以太網(wǎng)多協(xié)議(REM)開關網(wǎng)關芯片系列fido5000。該系列產(chǎn)品使用兩個支持TSN的以太網(wǎng)端口來實現(xiàn)（例如）線形、環(huán)形、星形和冗余星形網(wǎng)絡拓撲。此外，任何主機處理器都可以通過其可配置的存儲器總線接口與開關芯片連接。盡管各種標準在不斷變化，由于fido5000 REM開關靈活支持當前的每個工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，因此有助于開發(fā)人員面向未來設計新產(chǎn)品。
這些優(yōu)勢通過JUMO Group得以實現(xiàn)；JUMO Group是一家在全球范圍內(nèi)運營的德國家族性SMB，位于富爾達地區(qū)。JUMO面向食品、空調(diào)、機械工程、化學和制藥、包裝以及水和廢水等眾多行業(yè)，開發(fā)和生產(chǎn)用于測量、控制和分析物理量和化學量的多種產(chǎn)品和系統(tǒng)解決方案。在這些行業(yè)領域，隨時隨地都需要通過大型網(wǎng)絡傳輸多種過程數(shù)據(jù)。對于fido5000，這是理想應用場景，也是其用于最新的JUMO設計DICON touch的原因所在。
JUMO DICON Touch
DICON touch是一款2通道過程和編程控制器，可以通過TFT彩色顯示屏查看，支持直觀的觸摸操作。除了提供以前具有的RS-422/RS-485 MODBUS® RTU、以太網(wǎng)和PROFIBUS® DP接口之外，最新款DICON touch還可以與PROFINET控制器連接并與其通信。上述功能通過集成的fido5000 2端口開關實現(xiàn)，該開關支持構(gòu)建簡單的網(wǎng)絡拓撲。該網(wǎng)絡應用具備多種集成特性，包括注冊數(shù)據(jù)評估、設置配置，以及用于實現(xiàn)在線可視化的Web服務器功能；此外，還支持PROFINET實時數(shù)據(jù)交換。通過認證可保證符合PROFINET標準，并兼容來自不同制造商的應用。
圖3.DICON touch 2通道過程和編程控制器——首款配備PROFINET接口的JUMO產(chǎn)品。
ADI和JUMO建立了長期合作關系。2016年，通過收購Innovasic，ADI公司擴展了其工業(yè)以太網(wǎng)產(chǎn)品系列。這使得ADI能夠幫助客戶實現(xiàn)一系列工業(yè)以太網(wǎng)應用，與JUMO的合作彰顯了這一點，而這又對雙方的合作產(chǎn)生了積極影響。通過與JUMO合作，ADI公司從單個組件供應商一躍成為真正的設計合作伙伴。JUMO GmbH的產(chǎn)品經(jīng)理Klaus Otto表示：“ADI公司是非常不錯的合作伙伴，在我們?yōu)槎嗤ǖ肋^程和編程控制器JUMO DICON touch開發(fā)PROFINET接口的過程中，為我們提供了極有力的專業(yè)支持。”
ADI公司非常重視這種合作伙伴關系，未來會繼續(xù)進一步擴展。ADI公司展開合作的方式，以及利用各自的優(yōu)勢實現(xiàn)雙贏的特點，使其在這些合作伙伴中脫穎而出。例如，ADI公司通過在早期階段采用最新技術和解決重大挑戰(zhàn)，為其合作伙伴提供全面的工業(yè)4.0專業(yè)技術支持。
最終，ADI不斷發(fā)展，超越了傳統(tǒng)半導體公司的范疇，打破硅芯片技術的邊界，并大力投資于軟件、系統(tǒng)專業(yè)技術和專項技術開發(fā)。這種知識積累與覆蓋傳感器到云的整個信號鏈的各種精選功能相結(jié)合。從系統(tǒng)層面解決各種挑戰(zhàn)。由此加速開發(fā)過程，并縮短產(chǎn)品上市時間。因此，通過更早開發(fā)下一代產(chǎn)品來提升競爭力。ADI無論作為被動合作伙伴提供幫助，還是作為主動合作伙伴，積極提供技術、經(jīng)驗等支持，都盡力滿足合作伙伴的所有需求。
特別是在開發(fā)DICON touch過程中，ADI提供了一種解決方案，能夠滿足基于以太網(wǎng)協(xié)議PROFINET設計所有器件的需求。挑戰(zhàn)在于，需要開發(fā)一款能夠為客戶提供無數(shù)可能的通用型器件。DICON touch采用功能強大的模塊化概念設計：提供簡單的插入卡和用于標準以太網(wǎng)的集成式PHY，或者提供具有PROFINET功能的外接插入卡。Klaus Otto表示：“開發(fā)期間，我們特別關注單個PROFINET解決方案，市面上還沒有具備這些功能的同類解決方案。”
除了fido5000 REM開關芯片外，在DICON touch開發(fā)中還用到了集成式RapID平臺。該平臺展示了以fido5000作為嵌入式設計的完整解決方案。它將fido5000開關芯片、通信處理器、JTAG接口、PHY，以及Flash®、SDRAM和EEPROM等存儲器集成在同一個電路板上。下一代RapID平臺將采用功能更強大、更節(jié)能的ARM® Cortex®-M4處理器作為通信處理器，可根據(jù)需要，在該處理器上執(zhí)行更多處理功能。開發(fā)DICON touch期間，JUMO對現(xiàn)有RapID平臺的特性非常感興趣，例如，該平臺提供的常見預認證工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議。RapID平臺支持下載所有相關信息，例如電路圖和布局數(shù)據(jù)，這大大縮短了開發(fā)時間。RapID平臺還提供動態(tài)集成web服務器，可通過簡單的方式讀取或更改網(wǎng)絡參數(shù)，以及輸入和輸出數(shù)據(jù)；DICON touch也具備這一特性。該平臺還可以通過RMII和I²C接口配置PHY。此外，由于固件已在DICON touch上生成鏡像，因此PROFINET模塊可以在啟動時更新。
圖4.基于fido5000的RapID平臺可用作評估套件。
所以，RapID平臺針對DICON touch的靈活配置也支持固件更新和網(wǎng)絡訪問。對于DICON touch開發(fā)，存在無限創(chuàng)新可能。例如，電子器件上不會提供標準閃爍LED，這是PROFINET的一項重要特性。相反，DICON touch的整個LED顯示屏會閃爍。
開發(fā)DICON touch期間，網(wǎng)絡安全也是一項重要因素。工業(yè)控制器的網(wǎng)絡安全無法通過通用型解決方案實現(xiàn)。而是需要根據(jù)系統(tǒng)風險評估，采取長遠方法。作為安全策略的一部分，ADI公司盡力提高以太網(wǎng)元件的安全性。所以，當前的工業(yè)以太網(wǎng)和TSN解決方案就是該公司安全開發(fā)工作的重點?；趂ido5000的RapID平臺補充了多項安全特性，可提供密鑰管理、安全引導、安全更新和安全存儲器訪問，以抵御網(wǎng)絡攻擊。
結(jié)論
ADI利用fido5000系列和RapID平臺，為合作伙伴提供出色的應用解決方案，幫助客戶滿足實時功能、可靠性和安全性等未來需求。因此，ADI不僅能為客戶提供優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品，同時還提供開發(fā)合作或開發(fā)支持。這種合作優(yōu)勢通過新型JUMO DICON touch過程控制器得到印證。通過雙方的通力合作，項目如期完成，成功獲得安全可靠的前瞻性解決方案。
作者簡介
Thomas Brand于2015年加入德國慕尼黑的ADI公司，當時他還在攻讀碩士。畢業(yè)后，他參加了ADI公司的培訓生項目。2017年，他成為一名現(xiàn)場應用工程師。Thomas為中歐的大型工業(yè)客戶提供支持，并專注于工業(yè)以太網(wǎng)領域。他畢業(yè)于德國莫斯巴赫的聯(lián)合教育大學電氣工程專業(yè)，之后在德國康斯坦茨應用科學大學獲得國際銷售碩士學位。聯(lián)系方式：thomas.brand@analog.com。
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