近两个世纪前,工业革命开启了前所未有的发展时期,其基本原则对于当今的工业技术仍然适用:系统和产品采用尖端设计,在恶劣环境中经过测试,使用寿命可长达数年。长使用寿命已深入工业技术的 DNA 中,1821 年如此,2021年也如此。

而消费类技术则利用最新最好的技术。消费者每天都在要求最快、最小和最便宜的产品。例如,电源管理领域的重要发展是由消费者需求推动的。设计人员和开发人员愿意在新技术上冒险,以将最小、最快和能效最高的产品推向市场,即使这些产品无法做到经久耐用。事实上,情况就是这样:技术迭代和每隔一两年发布一次新品的需求,已经融入了消费类技术的发展和文化。

 

工业系统的要求没有改变,市场也没有将其与消费类技术一样对待的期望或需要。但随着工业物联网(IIoT)的发展,越来越多的工业客户希望将消费市场相关的技术添加到其工业产品中。例如,广受欢迎的附加功能,如无线连接、触摸屏和智能联网传感器等。用户希望将这些技术集成到他们的系统中,同时仍然提供和传统工业系统一样的可靠性和使用寿命标准。

 

 

将消费类技术实践到工业领域的挑战
将消费类技术应用到工业产品并不总是那么简单。工业解决方案的要求很高,系统通常需要24小时不间断运行。工业系统设计工程师和我们所有人一样,每天都在个人生活中接触最新的消费类技术。因此,很自然地期望将这些技术延续到他们的工作生活中。例如用触控显示器取代旧式显示器和键盘系统,利用最新和最好的通信协议,以便将数据即时传输回中央枢纽以进行全工厂范围的监控,并且能够利用工厂车间无延迟传输的数据,以了解特定机器的性能随着时间的变化。在某些情况下,还可以拥有便携式系统,从而利用最新的电源管理系统,这样就不必担心机器在使用时会断电。虽然添加这些功能都很不错,但工业系统设计人员必须平衡这些消费类需求与工业系统已有的要求:耐用性、可靠性、以及可能长时间暴露在极端温度和恶劣环境中。

 

虽然用于工业和消费类市场的电子元件本身非常可靠,但它们所处的系统可能会给元件带来额外的压力。对工业产品来说,可能会受到高温、振动或电磁干扰(EMI)的影响。因此,在决定将消费类技术添加到工业产品时需要深思熟虑,确保灵活性,同时注意不要影响最终产品的质量。

 

将触摸屏、电源管理系统、蓝牙和 Wi-Fi 等额外功能添加到已经很庞大的物料清单中,给这些产品的成本结构带来了额外压力。工业OEM正在寻找标准产品的替代选择,以满足他们对成本和功能预算的要求。通过只包含所需的功能,并将多个功能整合到单颗芯片上,定制集成电路可以降低成本,同时需要的占位面积和功率比现成的设备更少。

 

智能的解决方案
最初提出工业物联网概念时,设想的是收集到的所有数据都可以传输到云端,存储在那里,并在不断发展的智慧工厂需要时进行检索。人们已经习惯于在智能手机上即时访问多年前的图片或消息,因为它们已存储在云中并可以立即下载。但是,当你搜索照片,而你的云连接因你的位置受到影响时,这会使检索变得困难且麻烦。

 

工业 4.0 的成功依赖于数据,而要支持这一点需要大量传感器,这些传感器旨在测量工厂设备资产的各种状况。目的是立即感知、测量和处理来自这些传感器的所有数据,并根据这些数据做出明智的决策。与消费者需求一样,要求是能够完全访问在任何特定时间收集的所有数据。然而,在工业环境中,如果可能发生云通信失败,那带来的后果可能要比单纯的麻烦严重得多。

 

工业市场正在从消费市场所面临的挑战中学习,将数据处理带到传感器边缘。这样一来可以立即测量和分析数据并做出本地决策。哪些数据需要存储,可以存储在本地,也可以传输到云端以备将来检索,其余的丢弃。这意味着虽然每秒都测得大量数据,但仅存储与工厂运行相关的数据。

 

从传感器边缘测量数据也带来一定挑战。这些传感器并不总是位于最容易接近的位置。在某些情况下,传感器使用有限的电源运行,因此在数据处理中采用最新的高效电源管理系统非常重要。将所需数据传送到中央枢纽或云端可能需要多种不同类型的通信协议。像Wi-Fi或蓝牙等消费市场熟悉的协议或许足够了,但通常需要更强大的工业协议,如HART或Foundation Fieldbus。随着传感器变得越来越智能,数据变得越来越复杂,IO-Link和10Base-T1L/S等现代协议正在取代这些传统协议。

 

IO-Link是用于与执行器和传感器进行通信的首个实现全球标准化的IO技术。这使其成为工业物联网的理想选择。它通过标准的非屏蔽3线IO电缆连接,并提供电源和最长20米的双向通信。双向属性允许将参数设置存储在主机自动化系统中,并在更换传感器时自动下载。它还支持传感器级别的诊断信息;只需最少的硬件和软件工作即可获得额外的传感器信息。通信速度快,高达230.4 kBaud,并且可以通过标准化或制造商特定的映射连接到几乎任何现场总线。

 

同时,10Base-T1(也称为双绞线以太网)是一项新兴的网络技术,目前正在被国际电工委员会(IEC)标准化。10Base-T1S支持最长15米的多点拓扑,而 10Base-T1L使用最长1000米的点对点拓扑。它们都可以是最高10Mbit/s的全双工或半双工,同时也可以提供电力传输。鉴于此标准可用的大带宽,以及它可与现有以太网基础设施无缝连接,收集丰富数据的可能性以及由此带来的生产力和效率收益是巨大的。这两种协议都提供快速、双向、稳健的通信,并且可以更轻松地连接到测量和控制系统。

 

既满足工业产品标准又融合消费类技术的解决方案的一个很好例子是Dialog半导体公司的SmartEdge™平台。这种实时控制系统 IC 将模拟前端(AFE)和传感器数据处理校准、控制、数据通信、用于数据保护的嵌入式安全功能等全部集成到定制的单颗硅芯片ASIC中。如果你的传感器在有限的电源上运行,还可集成高效的电源管理。

 

您可能需要专家的帮助和建议,最好与合作伙伴合作创建满足您具体需求的定制 IC,而不是尝试将标准部件硬塞进您的系统中。了解并非所有消费类技术都适用于工业应用也很重要,因此选择合适的合作伙伴,以满足您的工业系统对混合信号、处理器、内存和通信的要求,同时这个合作伙伴还要熟悉消费类技术以及哪些技术适合工业市场,这一点很重要。

 

Dialog为一级消费类公司设计此类ASIC解决方案已有30多年的积累。定制ASIC已经深入我们的DNA。通过我们最近的收购获得的与工业客户的深厚关系,Dialog能将工业和消费领域的技术优势结合在一起,通过定制芯片解决方案满足工业市场不断变化的需求。