HMI+PLC+傳感器+馬達控制的工業(yè)自動化系統(tǒng)

概要

在當今競爭日益激烈的全球市場中，高效的工業(yè)生產(chǎn)能力通常取決于每間工廠自動化系統(tǒng)的速度、精度和可靠度。即使是在一些低勞動力成本的地區(qū)，制造廠商們也渴望提高其自動化系統(tǒng)的精密度，因為他們知道，如果不這么做就會危及其在全球經(jīng)濟中的位置。

工業(yè)自動化的心臟是新一代高級智能傳感器，它讓產(chǎn)品生產(chǎn)線持續(xù)運行，通過低延遲和實時網(wǎng)絡，連接至高性能可編程邏輯控制器(PLC)以及人機界面(HMI)系統(tǒng)。當然，對制造廠商而言，時間就是金錢。只要制造的產(chǎn)品能夠達到規(guī)定質(zhì)量水平，高效的生產(chǎn)線就會盡可能快地持續(xù)運行。高速、可靠的傳感器必須非常迅速(數(shù)毫秒甚至更快)地監(jiān)控或者測量生產(chǎn)線的各種狀態(tài)。之后，網(wǎng)絡必須以最小時間的延遲、且不中斷生產(chǎn)的情況下，傳輸這種信息。我們需要大量的工業(yè)通信協(xié)議來實現(xiàn)所要求的關(guān)鍵通信性能，例如：PROFIBUS/PROFINET、Ethernet/IP、EtherCAT、POWERLINK、SERCOS III等。另外，如PLC等處理元件必須正確地實時響應，否則會影響生產(chǎn)率，造成損失利潤(參見下面圖1)。

德州儀器公司(TI)在向工業(yè)自動化提供全面高性能、高效、可擴展技術(shù)方面，擁有豐富的經(jīng)驗。德州儀器廣泛的模擬和嵌入式處理器產(chǎn)品系列可助力廣大客戶設計完整的系統(tǒng)級解決方案。本文重點介紹的TI的創(chuàng)新型高差異化解決方案，它讓工業(yè)通信成本更低、接入更方便，并推進自動化和生產(chǎn)效率的提升。

圖1 HMI+PLC+傳感器+馬達控制的工業(yè)自動化系統(tǒng)

工業(yè)自動化介紹

典型的工業(yè)自動化系統(tǒng)一般由四大部分組成，它們之間可以實施低延遲和實時高速的通信。這四大組成部分分別為：傳感器、人機界面、PLC和馬達驅(qū)動器。

傳感器

現(xiàn)代工廠自動化系統(tǒng)的信息和數(shù)據(jù)傳輸越來越依賴于智能傳感器。從前，傳感器只負責監(jiān)控和測量，卻不分析。而現(xiàn)在，隨著傳感器變得更加智能，它們能夠更好地對其所檢測的工作進行評估，并能實時地完成任務。傳感器的諸多功能包括檢測溫度、運動、光學對象和位置、重量、加速度、化學成分、氣體、氣壓或者其他壓力、液體流動以及物理世界的其它方面。

人機界面(HMI)

人機界面是與操控者進行通信的某個單元或者子系統(tǒng)。使用當前一流的技術(shù)，大多數(shù)工業(yè)自動化系統(tǒng)的人機界面都集成了圖形顯示子系統(tǒng)，例如：觸摸屏等，因為這類系統(tǒng)直觀、簡單易學。

可編程邏輯控制器(PLC)

一般而言，PLC均為基于微控制器或者處理器的系統(tǒng)，它們所接收的信息來自于分布在工廠內(nèi)的各種傳感器以及系統(tǒng)操作員。根據(jù)這兩種信息源所提供的信息，PLC發(fā)起動作來控制生產(chǎn)線的過程。

馬達驅(qū)動器

馬達驅(qū)動器是對PLC指令做出實際響應的一些機器零件。例如，在汽車組裝工廠，傳感器向PLC提供汽車車身位置的相關(guān)信息。PLC便會對這種信息做出響應，向馬達控制單元發(fā)出指令，讓其控制機械臂對汽車進行點焊。

在工業(yè)自動化系統(tǒng)中，這四大部分的連接是通過高速、低延遲網(wǎng)絡實現(xiàn)的。這個網(wǎng)絡確保對PLC對傳感器或者操作員信息輸入做出快速響應?？偟膩碚f，當今的工業(yè)自動化系統(tǒng)是實時、具有決策能力的高精密系統(tǒng)，能夠精確控制高速生產(chǎn)過程。

未來面臨的挑戰(zhàn)

工業(yè)自動化將面臨的基本挑戰(zhàn)與我們已經(jīng)克服了的一些挑戰(zhàn)一樣。為了取得更好的結(jié)果，控制系統(tǒng)必須繼續(xù)提高其實時響應能力、可靠性、精確性、精密性和整體成熟度。要想滿足這些要求，一個必不可少的條件是不斷發(fā)展組網(wǎng)和其它聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。

在工業(yè)自動化市場上，有超過120種串行通信標準和25種基于以太網(wǎng)的協(xié)議，它們都可以部署于我們今天的工廠里。問題是，我們?nèi)鄙俚牟⒉皇墙鉀Q方案，而是它們的多樣性，以及部署它們的方法。

每一種流行的工業(yè)通信協(xié)議，例如：PROFIBUS/PROFINET、EtherCAT、Ethernet/IP等，均有一個或者多個重要的傳感器、PLC、HMI和馬達驅(qū)動器供應商在背后提供支持。使用多家廠商的組件來實現(xiàn)工業(yè)自動化系統(tǒng)，通常會要求部署多家廠商支持的數(shù)種通信協(xié)議。這便增加了整體系統(tǒng)的復雜度，并且拉高了成本。例如，當今的許多自動化系統(tǒng)一般都使用一種中央處理器(CPU)來運行應用程序，然后再使用另一種離散組件，例如：應用程序?qū)Ｓ眉呻娐?ASIC)或者現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)，專門用于通信協(xié)議處理。在一些被通信協(xié)議視作從設備的自動化組件中，更是如此。

大多數(shù)工業(yè)自動化通信協(xié)議均使用了分級主/從構(gòu)架。主設備一般為PLC，要不就是一些智能控制單元。從設備一般為馬達驅(qū)動器以及一些不發(fā)起動作或者控制過程的傳感器。為了實現(xiàn)自動化系統(tǒng)承載網(wǎng)絡所需的高速、低延遲通信，許多協(xié)議增強了與這些從設備有關(guān)的媒體訪問(MAC)層功能。這給從設備帶來更大的本地協(xié)議處理負擔，最終導致在分布式從設備中使用協(xié)議處理專用ASIC或者FPGA.而由于工業(yè)自動化系統(tǒng)中的從設備通常多于主設備，極大增加了整體系統(tǒng)的成本。