全方位的工業(yè)4.0解決方案

由工業(yè)4.0所帶動(dòng)的工業(yè)自動(dòng)化改革，正在全面性地改變現(xiàn)代工廠的運(yùn)作方式，提供更靈活的系統(tǒng)來(lái)因應(yīng)快速變化市場(chǎng)的需求。本文將為您介紹工業(yè)4.0的最新發(fā)展趨勢(shì)，以及由ADI所推出的全方位工業(yè)4.0解決方案的重點(diǎn)產(chǎn)品介紹。

靈活的系統(tǒng)以快速適應(yīng)不斷變化的要求

隨著工業(yè)4.0的出現(xiàn)，消費(fèi)者的行為和需求也發(fā)生了變化，因此，制造商需要更靈活的系統(tǒng)來(lái)快速輕松地適應(yīng)不斷變化的要求。為此，制造商不能再依賴為大眾市場(chǎng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的固定的大規(guī)模系統(tǒng)和可預(yù)測(cè)的需求。相反地，他們需要靈活的系統(tǒng)，此類(lèi)系統(tǒng)支持快速重新配置，停機(jī)時(shí)間和資本投入也處于非常低的水平。

工業(yè)4.0的實(shí)施正在橫掃每一個(gè)現(xiàn)代工廠運(yùn)作，借助邊緣到云計(jì)算、分析、軟件可配置系統(tǒng)等方面的重大技術(shù)進(jìn)步，有望極大地提高生產(chǎn)力、靈活性和安全性。工業(yè)4.0的核心是希望通過(guò)大數(shù)據(jù)獲利，進(jìn)一步提高生產(chǎn)力和效率，通過(guò)從工廠設(shè)備中可靠地獲取各種數(shù)據(jù)，便可以支持狀態(tài)監(jiān)控和預(yù)測(cè)性維護(hù)等先進(jìn)功能，改變工業(yè)操作和維護(hù)工廠設(shè)備及廠房的方式。

ADI看好工業(yè)4.0應(yīng)用的發(fā)展，推出了各種相關(guān)的解決方案，包括軟件I/O、以太網(wǎng)連接、狀態(tài)監(jiān)控（CbM）、可編程邏輯控制器（PLC）和分布式控制系統(tǒng)（DCS）等，都有相當(dāng)完整的解決方案，以下將為您介紹相關(guān)的技術(shù)發(fā)展與重點(diǎn)產(chǎn)品的功能特性。

軟件可配置硬件幫助實(shí)現(xiàn)工業(yè)I/O模塊的靈活性

不管是用于過(guò)程控制安裝還是工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)，I/O模塊或現(xiàn)場(chǎng)接線盒在整個(gè)產(chǎn)品生命周期中都面臨著各種獨(dú)特的挑戰(zhàn)。產(chǎn)品管理層需要決定每個(gè)產(chǎn)品使用多少個(gè)通道以及進(jìn)行哪些組合。電子設(shè)計(jì)人員必須決定如何對(duì)項(xiàng)目中的各種模擬或數(shù)字信號(hào)實(shí)現(xiàn)出色性能以及成本高效的系統(tǒng)。所有不同的產(chǎn)品和大量接線圖可能使安裝技術(shù)人員心力交瘁。ADI公司的新產(chǎn)品系列軟件可配置輸入／輸出（SWIO）IC便可實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)，它可隨時(shí)支持引腳上的幾乎任意功能和組合。SWIO組件不僅可支持其通道作為輸入或輸出編程，而且支持作為模擬或數(shù)字編程。此外，還可對(duì)它們進(jìn)行高效設(shè)置，用于讀取2線或3線RTD或熱電偶。

以ADI的四通道SWIO器件AD74413R為例，該器件旨在滿足流程控制、工廠自動(dòng)化或樓宇控制應(yīng)用，是用于工業(yè)輸入和輸出操作的完全集成式整體解決方案。AD74413R包含用于模擬輸出、模擬輸入、數(shù)字輸入、電阻溫度檢測(cè)器（RTD）和熱電偶測(cè)量的功能。這些功能通過(guò)串行外設(shè)接口（SPI）集成在一個(gè)單芯片解決方案中。

AD74413R具有一個(gè)16位、∑-Δ ADC和四個(gè)13位DAC，采用支持–40℃至+105℃工作溫度范圍的9 mm × 9 mm、64引腳LFCSP封裝。每個(gè)通道均采用通過(guò)時(shí)鐘高達(dá)24 MHz的SPI總線寫(xiě)入配置寄存器的方式來(lái)配置。用戶可通過(guò)AD74413R寄存器圖改進(jìn)每個(gè)操作模式的默認(rèn)配置。

AD74413R可提供多種模式，這些模式是電壓輸出、電流輸出、電壓輸入、外部供電的電流輸入、環(huán)路供電的電流輸入、外部RTD測(cè)量、數(shù)字輸入邏輯和環(huán)路供電的數(shù)字輸入。AD74413R包含一個(gè)高精度2.5 V內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源，用于驅(qū)動(dòng)DAC和ADC。

10BASE-T1L網(wǎng)絡(luò)是工廠運(yùn)營(yíng)模式轉(zhuǎn)變的重要推動(dòng)因素

基于100BASE-TX/10BASE-T的現(xiàn)有工業(yè)以太網(wǎng)解決方案通過(guò)帶PoE的Cat-5或Cat-6e電纜提供高達(dá)100 Mb的高數(shù)據(jù)帶寬和功率，但覆蓋距離限于100 m，且不支持危險(xiǎn)區(qū)域使用場(chǎng)景，因?yàn)檫@些是高功率解決方案。

2019年11月對(duì)IEEE 802.3cg標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)可，標(biāo)志著引入工廠操作員在網(wǎng)絡(luò)邊緣連接設(shè)備截然不同的新方式，使他們不再受到基于傳統(tǒng)4 mA至20 mA和HART?通信接口的基礎(chǔ)設(shè)施的限制。802.3cg標(biāo)準(zhǔn)也稱為10BASE-T1L，是一種工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。通過(guò)該協(xié)議，可以打破在工廠執(zhí)行一線服務(wù)的基本操作設(shè)備（傳感器、閥、執(zhí)行器和控件）與實(shí)現(xiàn)新智能工廠智能的企業(yè)數(shù)據(jù)、比特和字節(jié)庫(kù)之間的屏障。10BASE-T1L網(wǎng)絡(luò)將成為向數(shù)據(jù)和分析驅(qū)動(dòng)型工廠運(yùn)營(yíng)模式轉(zhuǎn)變的重要推動(dòng)因素。

ADI公司推出的10BASET1L PHY ― ADIN1100，是一款面向工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用的低功耗單端口10BASE-T1L收發(fā)器，可以在超過(guò)1000米長(zhǎng)的單條雙絞線上實(shí)現(xiàn)更低功耗的以太網(wǎng)連接，其功耗僅為39 mW。將單對(duì)以太網(wǎng)供電（SPoE）或工程電源解決方案與10BASE-T1L PHY相結(jié)合，可支持通過(guò)單條雙絞線電纜提供電源和數(shù)據(jù)。

ADIN1100符合IEEE 802.3cg以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，支持長(zhǎng)程10 Mb/s單對(duì)以太網(wǎng)應(yīng)用。該器件集成了以太網(wǎng)PHY內(nèi)核，以及所有相關(guān)的模擬電路、輸入和輸出時(shí)鐘緩沖、管理接口控制寄存器和子系統(tǒng)寄存器，以及MAC接口和控制邏輯，以便管理復(fù)位和時(shí)鐘控制以及引腳配置。

ADIN1100的內(nèi)核支持標(biāo)準(zhǔn)中定義的1.0 V峰峰值工作模式和2.4 V峰峰值工作模式，可采用1.8V或3.3V單電源軌供電，提供低電壓選項(xiàng)，支持1.0 V峰峰值發(fā)射電壓電平。ADIN1100采用6 mm × 6 mm 40引腳封裝，并集成電源監(jiān)控電路和上電復(fù)位電路，可提高系統(tǒng)級(jí)穩(wěn)固性。

狀態(tài)監(jiān)控使用傳感器來(lái)測(cè)量機(jī)器或資產(chǎn)的健康狀態(tài)

狀態(tài)監(jiān)控（CbM）是涉及使用傳感器來(lái)測(cè)量與監(jiān)控當(dāng)前機(jī)器或資產(chǎn)的健康狀態(tài)，預(yù)測(cè)性維護(hù)（PdM）需要組合使用CbM、機(jī)器學(xué)習(xí)和分析等多種技術(shù)，以預(yù)測(cè)未來(lái)的資產(chǎn)維護(hù)周期或可能發(fā)生的故障。關(guān)于CbM的發(fā)展趨勢(shì)，維護(hù)和設(shè)備管理人員現(xiàn)在有了新的選擇，比如無(wú)線裝置，以及更低成本的高性能裝置。雖然大部分CbM系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)施保持不變，但現(xiàn)在我們可以將新的MEMS技術(shù)直接集成到以前主要采用壓電式傳感器，或因成本障礙而未進(jìn)行監(jiān)控的系統(tǒng)中。

ADI推出的ADXL1002是一款具有模擬輸出的單平面軸加速度計(jì)，這款MEMS傳感器可在具有兩個(gè)滿度范圍選項(xiàng)的拓展頻率范圍內(nèi)提供超低的噪聲密度，并且提供優(yōu)化的工業(yè)條件監(jiān)測(cè)能力。ADXL1002（±50 g）分別具有25 μg/√Hz的典型噪聲密度，這款加速度計(jì)器件具有穩(wěn)定、可重復(fù)的靈敏度，并且可以承受高達(dá)10,000 g的外部沖擊。

ADXL1002擁有集成的全靜電自檢（ST）功能和超范圍（OR）指示器，可以提供先進(jìn)的系統(tǒng)級(jí)功能并可用于嵌入式應(yīng)用。憑借低功耗和3.3 V至5.25 V的單電源供電，ADXL1002還允許進(jìn)行無(wú)線感測(cè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)，采用5 mm × 5 mm × 1.80 mm LFCSP封裝，可在?40℃至+125℃的溫度范圍內(nèi)工作。

MEMS傳感器能以更低的成本提供相當(dāng)不錯(cuò)的性能，ADXL1002的SNR為83 dB，但與壓電傳感器相比，其成本低10倍以上。MEMS傳感器現(xiàn)在已可替代除最高性能的壓電傳感器以外的所有傳感器，且成本相當(dāng)?shù)土?/p>

工業(yè)PLC與DCS要求設(shè)備配置具備靈活性

PLC一種具有微處理器的數(shù)字電子裝置，用于自動(dòng)化控制的數(shù)字邏輯控制器，可以將控制指令隨時(shí)加載內(nèi)存內(nèi)進(jìn)行存儲(chǔ)與執(zhí)行，DCS則是工廠或是制程中使用的電腦化控制系統(tǒng)，一般其中會(huì)有幾個(gè)控制回路，自主的控制器分散在系統(tǒng)中，沒(méi)有中央操作員的監(jiān)控。對(duì)于過(guò)程控制或工廠自動(dòng)化中的工業(yè)PLC或DCS，最終客戶和應(yīng)用的要求不同，加上由于工業(yè)系統(tǒng)變得越來(lái)越分散，因此對(duì)容量、可配置性和效率的需求亦越來(lái)越高。

ADI推出的AD4114/AD4115是兩款低功耗、低噪聲24位Σ-?型模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），它集成了一個(gè)模擬前端（AFE），支持全差分或單端高阻抗（≥1 MΩ）、雙極性±10 V電壓輸入。AD4114/AD4115集成了關(guān)鍵的模擬和數(shù)字信號(hào)調(diào)變模塊，可針對(duì)所用的每個(gè)模擬輸入信道配置八種獨(dú)立設(shè)置。對(duì)于完全建立的數(shù)據(jù)，AD4114的最大信道掃描速率為6.21 kSPS（161 μs），AD4115則為24,845 kSPS（40.25 μs）。

AD4114/AD4115具有嵌入式2.5 V、低漂移（±5 ppm/℃）帶隙內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源（帶輸出基準(zhǔn)電壓緩沖器）減少了外部組件數(shù)量。AD4114/AD4115的數(shù)字濾波器提供靈活的設(shè)置，包括以27.27 SPS輸出數(shù)據(jù)速率實(shí)現(xiàn)50 Hz和60 Hz同時(shí)抑制。用戶可以根據(jù)應(yīng)用中每個(gè)通道的要求，選擇不同的濾波器設(shè)置。自動(dòng)通道時(shí)序控制器能夠讓ADC在每個(gè)使能的通道之間切換。

AD4114/AD4115的精密性能通過(guò)集成ADI公司專有的iPassives?技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，在出廠時(shí)已進(jìn)行校準(zhǔn)，可實(shí)現(xiàn)高精度性能。AD4114/AD4115采用單電源供電，簡(jiǎn)化了在電氣隔離中的應(yīng)用。AD4114/AD4115采用40引腳、6 mm×6 mm LFCSP封裝，額定工作溫度范圍為?40℃至+105℃。

結(jié)語(yǔ)

隨著消費(fèi)者行為和期望的變化，以及對(duì)定制化需求的增加和更快的周轉(zhuǎn)時(shí)間，正迫使制造商改變他們的運(yùn)營(yíng)方式，工業(yè)4.0正是因應(yīng)這些改變趨勢(shì)的解決方案。ADI針對(duì)工業(yè)4.0的各項(xiàng)需求，推出了各種相應(yīng)的解決方案，由于產(chǎn)品線眾多，本文僅能重點(diǎn)介紹幾樣產(chǎn)品，還請(qǐng)上ADI官網(wǎng)以了解更多的相關(guān)產(chǎn)品信息。