為傳感器選擇合適的工業(yè)通信標(biāo)準(zhǔn)

作者: Thomas Leyrer和Miro Adzan，Texas Instruments

繼早年的蒸汽革命、流水線革命和早期自動(dòng)化革命之后，隨著工廠內(nèi)的互聯(lián)控制愈發(fā)普遍和深入，“第四次工業(yè)革命”正悄然到來(lái)。

在這場(chǎng)變革中，數(shù)據(jù)、帶寬和網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)出指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)，推動(dòng)了機(jī)器對(duì)機(jī)器的通信，創(chuàng)造了所謂的智能工廠，在各個(gè)層面上實(shí)現(xiàn)了更靈敏的自動(dòng)化。

提起自動(dòng)化，人們更可能想到的是諸如機(jī)器人以及協(xié)調(diào)一致的流水線這樣的大型系統(tǒng)，但如果沒(méi)有各種傳感器與執(zhí)行器時(shí)刻不停地與運(yùn)行生產(chǎn)線的可編程邏輯控制器 (PLC) 進(jìn)行通信的話，它們就不可能實(shí)現(xiàn)我們所熟知的自動(dòng)化。本地和遠(yuǎn)程運(yùn)作的傳感器和執(zhí)行器的數(shù)量往往遠(yuǎn)超它們支持的復(fù)雜系統(tǒng)數(shù)量。為滿足各種規(guī)模系統(tǒng)的各類要求，就需要在整體上優(yōu)化工廠中的通信。

在實(shí)際應(yīng)用中，工廠車間現(xiàn)場(chǎng)總線普遍采用的方案是通過(guò)專門的通信協(xié)議讓以太網(wǎng)適應(yīng)工業(yè)用途。這些工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議（如EtherCAT?和Profinet）具有自動(dòng)化制造所需的各種特性，包括高帶寬、長(zhǎng)物理連接、低延遲以及確定性數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，并且建立在這些標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)之上的現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)可以輕松連接到更大的工廠數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)。不過(guò)，對(duì)于傳感器和執(zhí)行器而言，采用如此堅(jiān)固強(qiáng)大的工業(yè)以太網(wǎng)就有些殺雞焉用牛刀了，因?yàn)檫@些設(shè)備通常需要的是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，而不是現(xiàn)場(chǎng)總線，它們的帶寬需求往往也不高，而IO-Link就是針對(duì)這種需求的創(chuàng)新解決方案。這是一種基于標(biāo)準(zhǔn)布線和物理互聯(lián)的雙向通信協(xié)議，不僅能有效地將數(shù)據(jù)從工廠車間帶到PLC，還能改善安裝、診斷和維護(hù)工作，并與現(xiàn)有的現(xiàn)場(chǎng)總線布線形成互補(bǔ)。

IO-Link和工業(yè)以太網(wǎng)是相輔相成的。如果網(wǎng)絡(luò)化的工廠系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者能夠掌握這兩種標(biāo)準(zhǔn)共同工作的方式，便可從中受益。本白皮書解釋了這些技術(shù)之間的差異，并討論了Texas Instruments (TI) 提供的一系列有助于工業(yè)通信設(shè)計(jì)的解決方案。這些產(chǎn)品和解決方案可滿足常規(guī)應(yīng)用和整體工業(yè)應(yīng)用中的通信需求，其中有不少是專門針對(duì)工業(yè)自動(dòng)化中的通信而設(shè)計(jì)的，它們的背后離不開(kāi)TI 與客戶在長(zhǎng)期合作中獲得的專業(yè)知識(shí)。憑借在制造技術(shù)方面的優(yōu)勢(shì)和深入的設(shè)計(jì)支持，TI可以幫助工業(yè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員滿足當(dāng)今智能工廠的需求。

低帶寬IO-Link

傳感器和執(zhí)行器是自動(dòng)化單元的基石，它們向網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)提供信息，并根據(jù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的指令采取行動(dòng)。在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中，它們都通過(guò)各種接口來(lái)連接到控制單元，而這些接口幾乎不存在任何智能功能，也就鮮少會(huì)交換配置和診斷信息。于是，每當(dāng)要安裝新設(shè)備時(shí)，就需要在使用點(diǎn)手動(dòng)進(jìn)行配置，而且由于缺乏診斷功能，也就無(wú)法及時(shí)進(jìn)行預(yù)防性維護(hù)。

IO-Link（國(guó)際電工組織 [IEC] 61131-9）是一個(gè)開(kāi)放的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，它可以滿足對(duì)傳感器、執(zhí)行器等小型設(shè)備進(jìn)行智能控制的需求。該標(biāo)準(zhǔn)可在設(shè)備與主控之間實(shí)現(xiàn)低速點(diǎn)對(duì)點(diǎn)串行通信，而主控通常會(huì)作為通往現(xiàn)場(chǎng)總線和PLC的網(wǎng)關(guān)。IO-Link建立的智能鏈路可以輕松地交換數(shù)據(jù)、配置和診斷信息。

IO-Link連接通過(guò)一根長(zhǎng)度不超過(guò)20米的非屏蔽三芯電纜建立，通常采用M12連接器，最高數(shù)據(jù)傳輸速率為230kbps，非同步最小循環(huán)時(shí)間為400μs, +10%，四種工作模式支持雙向輸入/輸出 (I/O)、數(shù)字輸入、數(shù)字輸出和禁用，未指定安全機(jī)制和確定性數(shù)據(jù)傳輸。該協(xié)議使用名為“IO設(shè)備描述”(IODD) 的配置文件，其中包含有通信屬性，設(shè)備參數(shù)，標(biāo)識(shí)、過(guò)程和診斷數(shù)據(jù)，以及有關(guān)設(shè)備和制造商的具體信息。

IO-Link系統(tǒng)具有諸多優(yōu)勢(shì)，包括采用標(biāo)準(zhǔn)化布線、提高數(shù)據(jù)可用性、實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和配置、簡(jiǎn)化設(shè)備更換工作以及開(kāi)展高級(jí)診斷。工廠管理者可以通過(guò)IO-Link接收不斷更新的傳感器數(shù)據(jù)，這些信息可為制定日后的維護(hù)和更換計(jì)劃提供重要依據(jù)。通過(guò)IO-Link主控，可以在無(wú)需手動(dòng)設(shè)置的情況下，從PLC上更換傳感或執(zhí)行單元以及配置新設(shè)備，從而縮短停機(jī)時(shí)間。此外，借助IO-Link還可以遠(yuǎn)程切換生產(chǎn)中所采用的配置，無(wú)需派人親自下車間，因而能夠簡(jiǎn)化定制產(chǎn)品的生產(chǎn)。工廠可以輕松地將生產(chǎn)線升級(jí)為IO-Link，因?yàn)樗梢韵蚝蠹嫒莠F(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)I/O裝置和布線?？偠灾?，IO-Link的各種功能可以降低總體成本，提高生產(chǎn)工藝效率，增加機(jī)器利用率。

工業(yè)以太網(wǎng)：智能工廠的支柱

近年來(lái)，工業(yè)以太網(wǎng)在高度自動(dòng)化的工廠中展現(xiàn)出了它的價(jià)值，成為了大型現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)（包括復(fù)雜系統(tǒng)）、PLC和網(wǎng)關(guān)所優(yōu)選的外部網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通標(biāo)準(zhǔn)。以太網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)包括傳輸速度快、接口通用以及連接距離長(zhǎng)，這些特性造就了它在數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)中無(wú)處不在的地位。此外，工業(yè)以太網(wǎng)使用的是一種經(jīng)過(guò)修改的媒體接入控制 (MAC) 層，可實(shí)現(xiàn)確定性數(shù)據(jù)傳輸與低延遲，并且支持時(shí)間觸發(fā)事件。工業(yè)以太網(wǎng)支持環(huán)形和星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及傳統(tǒng)的線性連接，可在電纜斷開(kāi)的情況下確保安全性和可靠性。

工業(yè)以太網(wǎng)并不是單一的規(guī)范，而是由多家工業(yè)設(shè)備制造商推動(dòng)的一系列用于現(xiàn)場(chǎng)級(jí)應(yīng)用的協(xié)議實(shí)現(xiàn)，其中常見(jiàn)的協(xié)議有EtherCAT、Profinet、Ethernet/IP、Sercos III、CC-Link IE Field等。對(duì)于它們的區(qū)別，An inside look at industrial Ethernet communication protocols（深入剖析工業(yè)以太網(wǎng)通信協(xié)議）白皮書進(jìn)行了比較，并且該白皮書還討論了較早期的非以太網(wǎng)串行現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議，如控制器局域網(wǎng) (CAN)、Modbus和Profibus。

在各種工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議中，使用最廣泛的兩種是Profinet和EtherCAT，它們都展現(xiàn)了工業(yè)以太網(wǎng)不同類型之間以及工業(yè)以太網(wǎng)和IO-Link之間的區(qū)別。這兩種工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議的規(guī)定傳輸速度均為100Mbps，傳輸距離可達(dá)100米。Profinet的電源傳輸必須獨(dú)立于數(shù)據(jù)電纜，而EtherCAT提供的EtherCAT_P版本則通過(guò)同一條電纜傳輸電源和數(shù)據(jù)。Profinet支持全雙工通信，能夠向網(wǎng)絡(luò)上的每個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)包，并且還提供了三個(gè)不同等級(jí)，供用戶根據(jù)網(wǎng)絡(luò)所需的性能水平進(jìn)行匹配； 而EtherCAT則在網(wǎng)絡(luò)上往一個(gè)方向發(fā)送共享幀，所有的從設(shè)備都將數(shù)據(jù)放入其中，因而能夠?qū)崿F(xiàn)非?？焖俚霓D(zhuǎn)發(fā)。

Profinet和EtherCAT的循環(huán)時(shí)間都短于IO-Link，但容錯(cuò)度要小得多。兩者的計(jì)時(shí)都基于網(wǎng)絡(luò)同步，而不是像IO-Link那樣從通信開(kāi)始時(shí)計(jì)時(shí)。此外，還有其他附加協(xié)議用于功能安全。通常情況下，工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議會(huì)提供多種服務(wù)，以便在自動(dòng)化環(huán)境中簡(jiǎn)化集成。

雖然大多數(shù)傳感器都用不到工業(yè)以太網(wǎng)連接提供的強(qiáng)大功能，但視覺(jué)傳感是一個(gè)重要的例外，因?yàn)樗臄z像頭會(huì)產(chǎn)生非常大量的數(shù)據(jù)，而僅憑這一點(diǎn)就足以認(rèn)定它需要比IO-Link更快的數(shù)據(jù)連接。視覺(jué)傳感（有時(shí)還需要其他類型的傳感）可以為實(shí)時(shí)過(guò)程控制提供重要的輸入數(shù)據(jù)，因此需要工業(yè)以太網(wǎng)的確定性傳輸能力。

例如，飛行時(shí)間 (ToF) 應(yīng)用需要跟蹤并預(yù)測(cè)物體的三維運(yùn)動(dòng)，其典型的響應(yīng)是移動(dòng)機(jī)械臂以攔截該物體。IO-Link可以為這些應(yīng)用中有限的存在性感知提供足夠的傳輸速率和分辨率，但工業(yè)以太網(wǎng)還可以提供足夠大的帶寬和足夠低的延遲，以確定物體及其周圍空間的某些特征。如果通過(guò)千兆以太網(wǎng)來(lái)傳輸攝像機(jī)數(shù)據(jù)的話，或許能實(shí)現(xiàn)更高的識(shí)別水平，但本文所討論的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議尚未指定這樣的傳輸速率。

圖3：特定舉例：飛行時(shí)間 (ToF)

適用于智能工廠通信的TI 技術(shù)

在相互競(jìng)爭(zhēng)的各種工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議中，存在著許多服務(wù)于攝像機(jī)、電機(jī)、機(jī)器人、PLC和其他復(fù)雜系統(tǒng)的可能性；甚至簡(jiǎn)單的傳感器和執(zhí)行器在更大的工業(yè)以太網(wǎng)環(huán)境中也能更高效地運(yùn)行。自動(dòng)化設(shè)備間通信的選擇何其多，而工業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員需要的是靈活又易于使用的解決方案。采用TI 技術(shù)的工業(yè)通信集成解決方案基于多種通信標(biāo)準(zhǔn)（包括IO-Link和常見(jiàn)的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議），可滿足這些要求。

TI 的TIOL111x收發(fā)器系列為自動(dòng)化系統(tǒng)中的傳感器和執(zhí)行器提供了完整的IO-Link功能以及靜電放電 (ESD) 保護(hù)、電氣快速瞬變 (EFT) 保護(hù)和浪涌保護(hù)。通過(guò)評(píng)估模塊 (EVM)，您可以檢查運(yùn)行中的器件，而參考設(shè)計(jì)則有助于加快變送器、接近開(kāi)關(guān)、電磁驅(qū)動(dòng)器、超聲波等應(yīng)用的開(kāi)發(fā)速度。

需要更大帶寬和確定性計(jì)時(shí)的應(yīng)用設(shè)計(jì)人員必須確定需要支持多少種工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，才能使其系統(tǒng)與多種現(xiàn)場(chǎng)總線環(huán)境兼容。傳統(tǒng)上，增加協(xié)議需要?jiǎng)?chuàng)建額外的接口或插入主板的可替換模塊。無(wú)論采用哪種方式，都涉及到額外的硬件設(shè)計(jì)、更多的物料以及更長(zhǎng)的測(cè)試和認(rèn)證周期。

TI Sitara?系列ARM?處理器則無(wú)需增加硬件。它提供了一個(gè)支持多協(xié)議工業(yè)以太網(wǎng)的集成可編程實(shí)時(shí)單元和工業(yè)通信子系統(tǒng) (PRU-ICSS)。

PRU可在設(shè)備運(yùn)行時(shí)加載工業(yè)協(xié)議固件，可選擇的協(xié)議有EtherCAT、Profinet、Sercos III、Ethernet/IP和Ethernet PowerLink。PRU-ICSS可處理實(shí)時(shí)的關(guān)鍵任務(wù)，這些任務(wù)以往都必須構(gòu)建到專用集成電路 (ASIC) 或現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列 (FPGA) 中。如果需要添加新的功能或協(xié)議，PRU-ICSS即可提供基于軟件的可升級(jí)解決方案。Sitara處理器基于可擴(kuò)展ARM內(nèi)核（Cortex?-A8、A9或A15，具體取決于處理器），可實(shí)現(xiàn)使用多種工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議的工廠自動(dòng)化單芯片解決方案。

TI 為工業(yè)以太網(wǎng)和其他標(biāo)準(zhǔn)（如CAN）提供了廣泛的接口系列，既可作為獨(dú)立的解決方案，也可作為其他集成解決方案中的技術(shù)模塊。許多TI 網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品都具有加強(qiáng)絕緣特性，以保護(hù)電路和人員，其他器件也提供加強(qiáng)絕緣特性來(lái)實(shí)現(xiàn)更好的設(shè)計(jì)。TI 還提供深入的開(kāi)發(fā)支持，包括軟件、工具、EVM，以及自動(dòng)化工業(yè)設(shè)備中各種應(yīng)用的參考設(shè)計(jì)。

面向未來(lái)智能工廠的技術(shù)

智能工廠的發(fā)展依賴于多功能網(wǎng)絡(luò)，它能將單個(gè)設(shè)備單元的要求與工廠的整體通信需求相匹配。工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議為現(xiàn)場(chǎng)總線連接到PLC、攝像頭、機(jī)器人和其他復(fù)雜自動(dòng)化系統(tǒng)提供了高帶寬和快速、有保證的計(jì)時(shí)。IO-Link為現(xiàn)場(chǎng)總線主控與傳感器或執(zhí)行器之間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接提供了直觀的選擇，有助于配置和維護(hù)。TI 可提供多樣化的解決方案和靈活的技術(shù)組合，幫助設(shè)計(jì)人員在“第四次工業(yè)革命”的自動(dòng)化領(lǐng)域進(jìn)行創(chuàng)新時(shí)，利用這些互補(bǔ)的標(biāo)準(zhǔn)。

表1：IO-Link與工業(yè)以太網(wǎng)在制造現(xiàn)場(chǎng)通信中的比較

審核編輯：郭婷