在工业 4.0 和工业物联网的推动下,工业自动化技术向数字化转变。生产场所在不断改变。各生产地点都在实现网络连接;彼此之间、公司不同部门之间可以通信,甚至跨公司范围与外界通信。通过状态监控、优化机械装置和技术系统可以大幅提高总体生产效率。但是,这需要企业中的所有参与者(无论是人还是机器)始终保持通信,以交换海量数据和各种参数。

 

图 1. 联网工厂中各种参与者应用示例。

 

图 2. 从简单的模拟传感器转向智能传感器。智能模拟传感器包括整个信号链和处理单元。

 

以前,连接相对简单,将来自各种系统的模拟传感器信号传输给中央控制器并进行数字化处理即可,但是,在工业 4.0 时代,传感器也开始采用数字化技术。采用能够集成到复杂网络的任何位置的所谓智能传感器之后,即可通过网络以数字形式传输记录的数据量。如图 2 所示,除了实际测量参数检测之外,这些智能传感器将主要的信号调理和处理部分集成在单一封装结构中。

 

此外,智能传感器通常已配备了总线接口。通过对测量参数实施数字化,能够以更快速度传输更多数据。另一项优势在于信号传输更可靠。通过数字信号传输,可以减少甚至完全消除信号变化和干扰。此外,在理想情况下,总线使能传感器可以通过即插即用连接至网络,意味着控制单元会自动检测到这些传感器。如果一个传感器故障,其他传感器会继续正常运行。

 

但是,所有这些都要求通用、高度可靠、实时可用的网络从单个传感器和执行器扩展至机器,最终扩展到整个系统。以太网,尤其是工业以太网,已经成为一套重要的通信标准。与以前的现场总线相比,工业以太网具有决定性的优势,例如可以在共享传输介质上高效、同步地传输更大的数据量。此外,工业以太网提供了基于统一基础构建整个通信的可能性,通过实时扩展来补充传统以太网,以实现确定性。

 

去年,ADI 公司针对此类应用推出了实时以太网多协议(REM)开关网关芯片系列 fido5000。该系列产品使用两个支持 TSN 的以太网端口来实现(例如)线形、环形、星形和冗余星形网络拓扑。此外,任何主机处理器都可以通过其可配置的存储器总线接口与开关芯片连接。尽管各种标准在不断变化,由于 fido5000 REM 开关灵活支持当前的每个工业以太网协议,因此有助于开发人员面向未来设计新产品。

 

这些优势通过 JUMO Group 得以实现;JUMO Group 是一家在全球范围内运营的德国家族性 SMB,位于富尔达地区。JUMO 面向食品、空调、机械工程、化学和制药、包装以及水和废水等众多行业,开发和生产用于测量、控制和分析物理量和化学量的多种产品和系统解决方案。在这些行业领域,随时随地都需要通过大型网络传输多种过程数据。对于 fido5000,这是理想应用场景,也是其用于最新的 JUMO 设计 DICON touch 的原因所在。

 

JUMO DICON Touch

DICON touch 是一款 2 通道过程和编程控制器,可以通过 TFT 彩色显示屏查看,支持直观的触摸操作。除了提供以前具有的 RS-422/RS-485 MODBUS® RTU、以太网和 PROFIBUS® DP 接口之外,最新款 DICON touch 还可以与 PROFINET 控制器连接并与其通信。上述功能通过集成的 fido5000 2 端口开关实现,该开关支持构建简单的网络拓扑。该网络应用具备多种集成特性,包括注册数据评估、设置配置,以及用于实现在线可视化的 Web 服务器功能;此外,还支持 PROFINET 实时数据交换。通过认证可保证符合 PROFINET 标准,并兼容来自不同制造商的应用。

 

图 3.DICON touch 2 通道过程和编程控制器——首款配备 PROFINET 接口的 JUMO 产品。

 

ADI 和 JUMO 建立了长期合作关系。2016 年,通过收购 Innovasic,ADI 公司扩展了其工业以太网产品系列。这使得 ADI 能够帮助客户实现一系列工业以太网应用,与 JUMO 的合作彰显了这一点,而这又对双方的合作产生了积极影响。通过与 JUMO 合作,ADI 公司从单个组件供应商一跃成为真正的设计合作伙伴。JUMO GmbH 的产品经理 Klaus Otto 表示:“ADI 公司是非常不错的合作伙伴,在我们为多通道过程和编程控制器 JUMO DICON touch 开发 PROFINET 接口的过程中,为我们提供了极有力的专业支持。”

 

ADI 公司非常重视这种合作伙伴关系,未来会继续进一步扩展。ADI 公司展开合作的方式,以及利用各自的优势实现双赢的特点,使其在这些合作伙伴中脱颖而出。例如,ADI 公司通过在早期阶段采用最新技术和解决重大挑战,为其合作伙伴提供全面的工业 4.0 专业技术支持。

 

最终,ADI 不断发展,超越了传统半导体公司的范畴,打破硅芯片技术的边界,并大力投资于软件、系统专业技术和专项技术开发。这种知识积累与覆盖传感器到云的整个信号链的各种精选功能相结合。从系统层面解决各种挑战。由此加速开发过程,并缩短产品上市时间。因此,通过更早开发下一代产品来提升竞争力。ADI 无论作为被动合作伙伴提供帮助,还是作为主动合作伙伴,积极提供技术、经验等支持,都尽力满足合作伙伴的所有需求。

 

特别是在开发 DICON touch 过程中,ADI 提供了一种解决方案,能够满足基于以太网协议 PROFINET 设计所有器件的需求。挑战在于,需要开发一款能够为客户提供无数可能的通用型器件。DICON touch 采用功能强大的模块化概念设计:提供简单的插入卡和用于标准以太网的集成式 PHY,或者提供具有 PROFINET 功能的外接插入卡。Klaus Otto 表示:“开发期间,我们特别关注单个 PROFINET 解决方案,市面上还没有具备这些功能的同类解决方案。”

 

除了 fido5000 REM 开关芯片外,在 DICON touch 开发中还用到了集成式 RapID 平台。该平台展示了以 fido5000 作为嵌入式设计的完整解决方案。它将 fido5000 开关芯片、通信处理器、JTAG 接口、PHY,以及 Flash®、SDRAM 和 EEPROM 等存储器集成在同一个电路板上。下一代 RapID 平台将采用功能更强大、更节能的 ARM® Cortex®-M4 处理器作为通信处理器,可根据需要,在该处理器上执行更多处理功能。开发 DICON touch 期间,JUMO 对现有 RapID 平台的特性非常感兴趣,例如,该平台提供的常见预认证工业以太网协议。RapID 平台支持下载所有相关信息,例如电路图和布局数据,这大大缩短了开发时间。RapID 平台还提供动态集成 web 服务器,可通过简单的方式读取或更改网络参数,以及输入和输出数据;DICON touch 也具备这一特性。该平台还可以通过 RMII 和 I²C 接口配置 PHY。此外,由于固件已在 DICON touch 上生成镜像,因此 PROFINET 模块可以在启动时更新。

 

图 4. 基于 fido5000 的 RapID 平台可用作评估套件。

 

所以,RapID 平台针对 DICON touch 的灵活配置也支持固件更新和网络访问。对于 DICON touch 开发,存在无限创新可能。例如,电子器件上不会提供标准闪烁 LED,这是 PROFINET 的一项重要特性。相反,DICON touch 的整个 LED 显示屏会闪烁。

 

开发 DICON touch 期间,网络安全也是一项重要因素。工业控制器的网络安全无法通过通用型解决方案实现。而是需要根据系统风险评估,采取长远方法。作为安全策略的一部分,ADI 公司尽力提高以太网元件的安全性。所以,当前的工业以太网和 TSN 解决方案就是该公司安全开发工作的重点。基于 fido5000 的 RapID 平台补充了多项安全特性,可提供密钥管理、安全引导、安全更新和安全存储器访问,以抵御网络攻击。

 

结论

ADI 利用 fido5000 系列和 RapID 平台,为合作伙伴提供出色的应用解决方案,帮助客户满足实时功能、可靠性和安全性等未来需求。因此,ADI 不仅能为客户提供优质的产品,同时还提供开发合作或开发支持。这种合作优势通过新型 JUMO DICON touch 过程控制器得到印证。通过双方的通力合作,项目如期完成,成功获得安全可靠的前瞻性解决方案。