控制級(jí)設(shè)計(jì)在智能工廠自動(dòng)化系統(tǒng)中所面臨的挑戰(zhàn)

針對(duì)工業(yè)4.0的工廠自動(dòng)化系統(tǒng)通常主要包括三個(gè)層級(jí)的設(shè)備，用于驅(qū)動(dòng)實(shí)時(shí)通信和控制：

1. 在現(xiàn)場(chǎng)層級(jí)，I/O模塊、制動(dòng)器和驅(qū)動(dòng)器負(fù)責(zé)工廠內(nèi)的物理運(yùn)作;

2. 在控制層級(jí)，可編程邏輯控制器(PLC)或計(jì)算機(jī)數(shù)控(CNC)負(fù)責(zé)從現(xiàn)場(chǎng)級(jí)搜集信息并向現(xiàn)場(chǎng)發(fā)出指令;

3. 在操作員層級(jí)，人機(jī)界面(HMI)設(shè)備與操作員交互通信，同時(shí)操作員可以發(fā)出指令。

每一個(gè)層級(jí)都需要經(jīng)優(yōu)化的硬件和軟件解決方案來(lái)解決各自所面臨的嚴(yán)峻設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。其中，涉及到控制層級(jí)的挑戰(zhàn)尤其難以解決。

由于通過(guò)一個(gè)控制器所支持的節(jié)點(diǎn)數(shù)量正在逐漸增加，除了能耗、長(zhǎng)電源使用壽命和可靠性要求等與所有工業(yè)自動(dòng)化設(shè)計(jì)相關(guān)的挑戰(zhàn)外，控制級(jí)設(shè)備的設(shè)計(jì)人員還面臨著某些特定的挑戰(zhàn)。更多的支持節(jié)點(diǎn)數(shù)量意味著整個(gè)工廠解決方案內(nèi)所需的控制器數(shù)量就應(yīng)該越少，以創(chuàng)建一個(gè)性價(jià)比更高的自動(dòng)化解決方案，或者這些增加的節(jié)點(diǎn)都可以在工廠在得以應(yīng)用，從而實(shí)現(xiàn)更高的自動(dòng)化程度。然而，隨著支持的節(jié)點(diǎn)數(shù)量越來(lái)越多，處理器的性能也必須要同比提升，并且在此情況下仍然保持足夠低的功耗，這樣才可以避免增加封裝的尺寸。此外，大多數(shù)PLC在設(shè)計(jì)時(shí)都不需要添加風(fēng)扇，因此功率損耗是設(shè)計(jì)方面的一個(gè)關(guān)鍵。

由于PLC和CNC同時(shí)控制工廠內(nèi)的大量節(jié)點(diǎn)或功能，所以它們運(yùn)營(yíng)的實(shí)時(shí)性至關(guān)重要。對(duì)于一個(gè)解決方案而言，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的定時(shí)需要兩個(gè)部分：一個(gè)是實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，另一個(gè)則是針對(duì)工業(yè)通信的靈活時(shí)間感知外設(shè)。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)在這些設(shè)備中被用于決策和控制延時(shí)，以滿足關(guān)鍵定時(shí)的需求。商用RTOS在工業(yè)控制領(lǐng)域中的廣泛應(yīng)用已經(jīng)長(zhǎng)達(dá)數(shù)年，同時(shí)其在RT Linux®解決方案中的興趣也在不斷增加，這些解決方案在添加了工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用所需的時(shí)間感知和決策能力的同時(shí)，還具有Linux大型開源社區(qū)的全部?jī)?yōu)勢(shì)。

對(duì)于實(shí)時(shí)解決方案的通信外設(shè)部分而言，主要的需求是通過(guò)一個(gè)即使在需要增加節(jié)點(diǎn)數(shù)量的情況下，也能實(shí)現(xiàn)低延遲和較短協(xié)議周期時(shí)間的方法來(lái)支持工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的總線協(xié)議。當(dāng)在單個(gè)設(shè)計(jì)中必須支持多個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，這會(huì)變成一個(gè)更加復(fù)雜的難題。為了使終端產(chǎn)品與EtherCAT、PROFINET、以太網(wǎng)/IP等多個(gè)也許已經(jīng)在工廠中使用的標(biāo)準(zhǔn)兼容，多協(xié)議支持是必須的。通過(guò)硬件 (ASIC) 來(lái)滿足多協(xié)議支持是比較復(fù)雜的，其原因在于每個(gè)協(xié)議都可能需要屬于其自己的專門ASIC，因此每個(gè)支持的現(xiàn)場(chǎng)總線都需要不同的電路板設(shè)計(jì)。如果采用可編程方法的話，問(wèn)題可能會(huì)變得簡(jiǎn)單一些。在這些方法中，只需進(jìn)行軟件或固件更改即可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議的變更。

為了使這個(gè)實(shí)時(shí)通信解決方案更加方便快捷，控制器需要大量外設(shè)接口，這是因?yàn)樗鼈冃枰诙鄠€(gè)層級(jí)上與工廠內(nèi)的現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)、連接I/O的背板、制動(dòng)器、驅(qū)動(dòng)器或者其它控制器，以及那些使用OPC UA等協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)采集來(lái)實(shí)現(xiàn)工廠診斷功能的服務(wù)器進(jìn)行通信。所有這一切都需要用到大量的外設(shè)接口，特別是以太網(wǎng)接口。此外，還需要一個(gè)靈活的且可編程的通信解決方案。

圖片：可編程邏輯控制器和I/O卡

針對(duì)Sitara™ AM572x處理器的TMDXIDK5728工業(yè)開發(fā)套件 (IDK) 現(xiàn)在已經(jīng)開始對(duì)外提供，用來(lái)評(píng)估控制層級(jí)工廠自動(dòng)化解決方案。AM572x dual-core ARM® Cortex®-A15 處理器非常適合用于工業(yè)應(yīng)用，這是因?yàn)樗梢灾С止I(yè)溫度范圍，實(shí)現(xiàn)高達(dá)100000小時(shí)的超長(zhǎng)使用壽命，同時(shí)擁有實(shí)時(shí)軟件支持和大量的外設(shè)，例如針對(duì)可編程工業(yè)通信的雙PRU-ICSS(處理器實(shí)時(shí)單元—工業(yè)通信子系統(tǒng))。TMDXIDK5728提供4個(gè)以太網(wǎng)端口，其中2個(gè)可來(lái)自千兆交換機(jī)，另外2個(gè)可來(lái)自PRU-ICSS(默認(rèn)配置)，或者4個(gè)端口均來(lái)自PRU-ICSS。TMDXIDK5728能夠基于AM57x評(píng)估TI針對(duì)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議最新發(fā)布的解決方案，這些解決方案由Processor-SDK-RTOS中的PRU-ICSS-INDUSTRIAL-SW提供。此外，提供TMDXIDK5728還能夠運(yùn)行Processor-SDK-Linux-RT軟件包，該軟件包可提供TI主線Linux內(nèi)核上經(jīng)優(yōu)化的RT Preempt補(bǔ)丁包，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用的開發(fā)。