【導(dǎo)讀】在工業(yè)4.0和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的推動(dòng)下，工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)向數(shù)字化轉(zhuǎn)變。生產(chǎn)場所在不斷改變。各生產(chǎn)地點(diǎn)都在實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)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(jī)械裝置和技術(shù)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(jī)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(yīng)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(gè)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(jìn)行數(shù)字化處理即可，但是，在工業(yè)4.0時(shí)代，傳感器也開始采用數(shù)字化技術(shù)。采用能夠集成到復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的任何位置的所謂智能傳感器之后，即可通過網(wǎng)絡(luò)以數(shù)字形式傳輸記錄的數(shù)據(jù)量。如圖2所示，除了實(shí)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(shí)施數(shù)字化，能夠以更快速度傳輸更多數(shù)據(jù)。另一項(xiàng)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(luò)，意味著控制單元會(huì)自動(dòng)檢測到這些傳感器。如果一個(gè)傳感器故障，其他傳感器會(huì)繼續(xù)正常運(yùn)行。
但是，所有這些都要求通用、高度可靠、實(shí)時(shí)可用的網(wǎng)絡(luò)從單個(gè)傳感器和執(zhí)行器擴(kuò)展至機(jī)器，最終擴(kuò)展到整個(gè)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(biāo)準(zhǔn)。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(chǔ)構(gòu)建整個(gè)通信的可能性，通過實(shí)時(shí)擴(kuò)展來補(bǔ)充傳統(tǒng)以太網(wǎng)，以實(shí)現(xiàn)確定性。
去年，ADI公司針對此類應(yīng)用推出了實(shí)時(shí)以太網(wǎng)多協(xié)議(REM)開關(guān)網(wǎng)關(guān)芯片系列fido5000。該系列產(chǎn)品使用兩個(gè)支持TSN的以太網(wǎng)端口來實(shí)現(xiàn)（例如）線形、環(huán)形、星形和冗余星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹４送?，任何主機(jī)處理器都可以通過其可配置的存儲(chǔ)器總線接口與開關(guān)芯片連接。盡管各種標(biāo)準(zhǔn)在不斷變化，由于fido5000 REM開關(guān)靈活支持當(dāng)前的每個(gè)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(shè)計(jì)新產(chǎn)品。
這些優(yōu)勢通過JUMO Group得以實(shí)現(xiàn)；JUMO Group是一家在全球范圍內(nèi)運(yùn)營的德國家族性SMB，位于富爾達(dá)地區(qū)。JUMO面向食品、空調(diào)、機(jī)械工程、化學(xué)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(xué)量的多種產(chǎn)品和系統(tǒng)解決方案。在這些行業(yè)領(lǐng)域，隨時(shí)隨地都需要通過大型網(wǎng)絡(luò)傳輸多種過程數(shù)據(jù)。對于fido5000，這是理想應(yīng)用場景，也是其用于最新的JUMO設(shè)計(jì)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(guān)實(shí)現(xiàn)，該開關(guān)支持構(gòu)建簡單的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。該網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用具備多種集成特性，包括注冊數(shù)據(jù)評估、設(shè)置配置，以及用于實(shí)現(xiàn)在線可視化的Web服務(wù)器功能；此外，還支持PROFINET實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換。通過認(rèn)證可保證符合PROFINET標(biāo)準(zhǔn)，并兼容來自不同制造商的應(yīng)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(guān)系。2016年，通過收購Innovasic，ADI公司擴(kuò)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(shí)現(xiàn)一系列工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用，與JUMO的合作彰顯了這一點(diǎn)，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(gè)組件供應(yīng)商一躍成為真正的設(shè)計(jì)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(cuò)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(guān)系，未來會(huì)繼續(xù)進(jìn)一步擴(kuò)展。ADI公司展開合作的方式，以及利用各自的優(yōu)勢實(shí)現(xiàn)雙贏的特點(diǎn)，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(shù)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(shù)支持。
最終，ADI不斷發(fā)展，超越了傳統(tǒng)半導(dǎo)體公司的范疇，打破硅芯片技術(shù)的邊界，并大力投資于軟件、系統(tǒng)專業(yè)技術(shù)和專項(xiàng)技術(shù)開發(fā)。這種知識(shí)積累與覆蓋傳感器到云的整個(gè)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(shí)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(dòng)合作伙伴提供幫助，還是作為主動(dòng)合作伙伴，積極提供技術(shù)、經(jīng)驗(yàn)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(shè)計(jì)所有器件的需求。挑戰(zhàn)在于，需要開發(fā)一款能夠?yàn)榭蛻籼峁o數(shù)可能的通用型器件。DICON touch采用功能強(qiáng)大的模塊化概念設(shè)計(jì)：提供簡單的插入卡和用于標(biāo)準(zhǔn)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(guān)注單個(gè)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(guān)芯片外，在DICON touch開發(fā)中還用到了集成式RapID平臺(tái)。該平臺(tái)展示了以fido5000作為嵌入式設(shè)計(jì)的完整解決方案。它將fido5000開關(guān)芯片、通信處理器、JTAG接口、PHY，以及Flash®、SDRAM和EEPROM等存儲(chǔ)器集成在同一個(gè)電路板上。下一代RapID平臺(tái)將采用功能更強(qiáng)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(tái)的特性非常感興趣，例如，該平臺(tái)提供的常見預(yù)認(rèn)證工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議。RapID平臺(tái)支持下載所有相關(guān)信息，例如電路圖和布局?jǐn)?shù)據(jù)，這大大縮短了開發(fā)時(shí)間。RapID平臺(tái)還提供動(dòng)態(tài)集成web服務(wù)器，可通過簡單的方式讀取或更改網(wǎng)絡(luò)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(tái)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(dòng)時(shí)更新。
圖4.基于fido5000的RapID平臺(tái)可用作評估套件。
所以，RapID平臺(tái)針對DICON touch的靈活配置也支持固件更新和網(wǎng)絡(luò)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(huì)提供標(biāo)準(zhǔn)閃爍LED，這是PROFINET的一項(xiàng)重要特性。相反，DICON touch的整個(gè)LED顯示屏?xí)W爍。
開發(fā)DICON touch期間，網(wǎng)絡(luò)安全也是一項(xiàng)重要因素。工業(yè)控制器的網(wǎng)絡(luò)安全無法通過通用型解決方案實(shí)現(xiàn)。而是需要根據(jù)系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估，采取長遠(yuǎn)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(dāng)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(diǎn)?；趂ido5000的RapID平臺(tái)補(bǔ)充了多項(xiàng)安全特性，可提供密鑰管理、安全引導(dǎo)、安全更新和安全存儲(chǔ)器訪問，以抵御網(wǎng)絡(luò)攻擊。
結(jié)論
ADI利用fido5000系列和RapID平臺(tái)，為合作伙伴提供出色的應(yīng)用解決方案，幫助客戶滿足實(shí)時(shí)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(shí)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(xiàng)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(dāng)時(shí)他還在攻讀碩士。畢業(yè)后，他參加了ADI公司的培訓(xùn)生項(xiàng)目。2017年，他成為一名現(xiàn)場應(yīng)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(lǐng)域。他畢業(yè)于德國莫斯巴赫的聯(lián)合教育大學(xué)電氣工程專業(yè)，之后在德國康斯坦茨應(yīng)用科學(xué)大學(xué)獲得國際銷售碩士學(xué)位。聯(lián)系方式：thomas.brand@analog.com。
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