概要

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

工業自動化的心臟是新一代高級智能傳感器，它讓產品生產線持續運行，通過低延遲和實時網絡，連接至高性能可編程邏輯控制器(PLC)以及人機界面(HMI)系統。當然，對制造廠商而言，時間就是金錢。只要制造的產品能夠達到規定質量水平，高效的生產線就會盡可能快地持續運行。高速、可靠的傳感器必須非常迅速(數毫秒甚至更快)地監控或者測量生產線的各種狀態。之后，網絡必須以最小時間的延遲、且不中斷生產的情況下，傳輸這種信息。我們需要大量的工業通信協議來實現所要求的關鍵通信性能，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，否則會影響生產率，造成損失利潤(參見下面圖1)。

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

圖1 HMI+PLC+傳感器+馬達控制的工業自動化系統

工業自動化介紹

典型的工業自動化系統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和馬達驅動器。

傳感器

現代工廠自動化系統的信息和數據傳輸越來越依賴于智能傳感器。從前，傳感器只負責監控和測量，卻不分析。而現在，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。使用當前一流的技術，大多數工業自動化系統的人機界面都集成了圖形顯示子系統，例如：觸摸屏等，因為這類系統直觀、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，它們所接收的信息來自于分布在工廠內的各種傳感器以及系統操作員。根據這兩種信息源所提供的信息，PLC發起動作來控制生產線的過程。

馬達驅動器

馬達驅動器是對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信息。PLC便會對這種信息做出響應，向馬達控制單元發出指令，讓其控制機械臂對汽車進行點焊。

在工業自動化系統中，這四大部分的連接是通過高速、低延遲網絡實現的。這個網絡確保對PLC對傳感器或者操作員信息輸入做出快速響應。總的來說，當今的工業自動化系統是實時、具有決策能力的高精密系統，能夠精確控制高速生產過程。

未來面臨的挑戰

工業自動化將面臨的基本挑戰與我們已經克服了的一些挑戰一樣。為了取得更好的結果，控制系統必須繼續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展組網和其它聯網技術。

在工業自動化市場上，有超過120種串行通信標準和25種基于以太網的協議，它們都可以部署于我們今天的工廠里。問題是，我們缺少的并不是解決方案，而是它們的多樣性，以及部署它們的方法。

每一種流行的工業通信協議，例如：PROFIBUS/PROFINET、EtherCAT、Ethernet/IP等，均有一個或者多個重要的傳感器、PLC、HMI和馬達驅動器供應商在背后提供支持。使用多家廠商的組件來實現工業自動化系統，通常會要求部署多家廠商支持的數種通信協議。這便增加了整體系統的復雜度，并且拉高了成本。例如，當今的許多自動化系統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：應用程序專用集成電路(ASIC)或者現場可編程門陣列(FPGA)，專門用于通信協議處理。在一些被通信協議視作從設備的自動化組件中，更是如此。

大多數工業自動化通信協議均使用了分級主/從構架。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動器以及一些不發起動作或者控制過程的傳感器。為了實現自動化系統承載網絡所需的高速、低延遲通信，許多協議增強了與這些從設備有關的媒體訪問(MAC)層功能。這給從設備帶來更大的本地協議處理負擔，最終導致在分布式從設備中使用協議處理專用ASIC或者FPGA。而由于工業自動化系統中的從設備通常多于主設備，極大增加了整體系統的成本。