工業(yè)環(huán)境如何做到無(wú)縫連接？ADI三大核心技術(shù)提供可靠支撐

在剛閉幕的第六屆進(jìn)博會(huì)上，ADI展臺(tái)工業(yè)沙盤(pán)模型是現(xiàn)場(chǎng)一款吸睛展品，以微縮化的產(chǎn)線作業(yè)情景帶現(xiàn)場(chǎng)觀眾進(jìn)行了智慧工廠的“初體驗(yàn)”。該工業(yè)沙盤(pán)模型囊括多樣化工廠自動(dòng)化解決方案，其中包括ADI一系列的工業(yè)互聯(lián)技術(shù)，助力客戶開(kāi)發(fā)無(wú)縫連接的自動(dòng)化設(shè)備和工業(yè)傳感器。

第六屆進(jìn)博會(huì)上ADI智慧工廠工業(yè)沙盤(pán)模型囊括了包括IO-Link、T1L、TSN等連接技術(shù)在內(nèi)的豐富工業(yè)連接與過(guò)程自動(dòng)化技術(shù)。

業(yè)界普遍認(rèn)為工業(yè)智能化的參考架構(gòu)四大核心特點(diǎn)是：協(xié)同、開(kāi)放、敏捷、可信。而敏捷是指企業(yè)在智能化的過(guò)程中，可按照業(yè)務(wù)需要靈活匹配合適的ICT資源在智能工廠中，實(shí)現(xiàn)制造的敏捷化，其中關(guān)鍵的環(huán)節(jié)就是需要采用智能傳感器和執(zhí)行器來(lái)輔助做出更明智的決策，實(shí)現(xiàn)更靈活、更易優(yōu)化的制造流程。IO-Link技術(shù)可促使傳統(tǒng)傳感器轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄軅鞲衅?，讓?shí)時(shí)可配置的工廠車(chē)間成為現(xiàn)實(shí)。

許多工業(yè)傳感器設(shè)計(jì)都是使用一個(gè)（或多個(gè)）工業(yè)網(wǎng)絡(luò)連接至過(guò)程控制器，其中包括多種版本的現(xiàn)場(chǎng)總線或工業(yè)以太網(wǎng)。這需要使用專(zhuān)用集成電路(ASIC)來(lái)實(shí)現(xiàn)所選的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。但是，這種方法有很多明顯的缺點(diǎn)。設(shè)計(jì)一個(gè)與所有工業(yè)網(wǎng)絡(luò)保持獨(dú)立的傳感器，從而降低開(kāi)發(fā)成本，并擴(kuò)大潛在客戶群，而使用IO-Link可以完成這樣的設(shè)計(jì)。

使用IO-Link的優(yōu)勢(shì)在于，它能夠進(jìn)行四種類(lèi)型的傳輸：過(guò)程數(shù)據(jù)、診斷、配置和事件，能夠在發(fā)生故障時(shí)快速識(shí)別、跟蹤和處理傳感器。它還支持遠(yuǎn)程配置，例如，如果需要更改觸發(fā)過(guò)程警報(bào)的溫度閾值，可以遠(yuǎn)程進(jìn)行更改，無(wú)需技術(shù)人員前往現(xiàn)場(chǎng)操作。IO-Link技術(shù)通過(guò)提供與傳感器的雙向信息交換，將傳統(tǒng)的數(shù)字或模擬傳感器轉(zhuǎn)換為智能傳感器，能夠讓工廠車(chē)間的機(jī)器均實(shí)現(xiàn)智能檢測(cè)，從而幫助實(shí)現(xiàn)靈活制造、改善工廠吞吐量、提高運(yùn)營(yíng)效率。

作為一種傳感器的接口形式，IO-Link還有效地解決了傳感器設(shè)計(jì)中的散熱、大小和電流驅(qū)動(dòng)能力問(wèn)題，提高了遠(yuǎn)程調(diào)試傳感器的智能和功能水平，并且通過(guò)隨時(shí)調(diào)整傳感器參數(shù)，能夠?qū)崟r(shí)作出反應(yīng)。IO-Link從以下幾個(gè)方面加速工業(yè)智能化的進(jìn)程:

• 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸和控制:IO-Link技術(shù)提供了高速、可靠的數(shù)字通信通道，使傳感器和執(zhí)行器能夠快速地將數(shù)據(jù)傳輸?shù)?a target="_blank">控制系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制和監(jiān)測(cè)。

• 雙向通信:雙向通信不僅能夠從控制系統(tǒng)接收指令和配置信息，還可以將參數(shù)和狀態(tài)信息傳輸回控制系統(tǒng)。

• 簡(jiǎn)化設(shè)備安裝和維護(hù): IO-Link使設(shè)備可以通過(guò)數(shù)字通信進(jìn)行參數(shù)配置，可以減少人工干預(yù)和錯(cuò)誤，簡(jiǎn)化了設(shè)備的安裝和維護(hù)過(guò)程。

• 故障診斷和預(yù)測(cè)維護(hù): IO-Link傳輸?shù)脑\斷信息可以幫助進(jìn)行故障診斷，及時(shí)發(fā)現(xiàn)和解決問(wèn)題，從而減少生產(chǎn)中斷和損失。

• 標(biāo)準(zhǔn)化和互操作性: 作為一種國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化的通信協(xié)議，基于IO-Link不同廠家的設(shè)備都遵循相同的通信標(biāo)準(zhǔn)，輕松實(shí)現(xiàn)不同設(shè)備之間的互操作性，企業(yè)可以更靈活地選擇和集成不同廠家的設(shè)備。

在IO-Link應(yīng)用中，收發(fā)器充當(dāng)連接運(yùn)行數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議的微控制器的物理層接口。

在實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0無(wú)縫連接愿景的過(guò)程中，遠(yuǎn)距離的單對(duì)以太網(wǎng)10BASE-T1L物理層設(shè)備能夠?qū)⒁蕴W(wǎng)連接延伸至遠(yuǎn)程位置的邊緣節(jié)點(diǎn)，支持傳送新的數(shù)據(jù)流、額外的過(guò)程變量和輔助測(cè)量數(shù)據(jù)。當(dāng)下，利用10 Mbps帶寬即可向控制和自動(dòng)化工程師提供資產(chǎn)運(yùn)行狀況參數(shù)和可行見(jiàn)解方面的新信息，而直接IP尋址能力則意味著可通過(guò)中央控制單元配置和重新配置每個(gè)設(shè)備，改變了設(shè)備調(diào)試和升級(jí)實(shí)踐。10BASE-T1L連接能力有望將工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT)的優(yōu)勢(shì)擴(kuò)展到工廠、樓宇和加工廠的偏僻角落，甚至可延伸至目前為止傳感器和其他端點(diǎn)連接受限的危險(xiǎn)區(qū)域。

IEEE 802.3cg-2019標(biāo)準(zhǔn)用于規(guī)范管理10BASE-T1L連接。這個(gè)單對(duì)以太網(wǎng)(SPE)媒介標(biāo)準(zhǔn)可實(shí)現(xiàn)每秒10兆比特的通信速度，支持通過(guò)長(zhǎng)達(dá)1 km的單條雙絞線提供電源和傳輸數(shù)據(jù)。

10BASE-T1L物理層收發(fā)器屬于ADI Chronous系列產(chǎn)品，將支持邊緣節(jié)點(diǎn)的以太網(wǎng)連接和直接IP尋址能力。利用我們的技術(shù)可將有關(guān)過(guò)程變量或樓宇參數(shù)的新見(jiàn)解傳送至控制系統(tǒng)。這樣可優(yōu)化過(guò)程控制中的資產(chǎn)利用率并提高樓宇管理效率。其應(yīng)用價(jià)值包括：

• 單雙絞線布線成本更低。與標(biāo)準(zhǔn)CATx電纜相比，這些電纜更輕、成本更低、尺寸更小，通常也更易于安裝。10BASE-T1L技術(shù)支持重復(fù)使用現(xiàn)有的一些單雙絞線布線基礎(chǔ)設(shè)施。

• 長(zhǎng)達(dá)1 km現(xiàn)場(chǎng)傳感器通常部署在比較偏遠(yuǎn)的位置，而現(xiàn)有的以太網(wǎng)物理層技術(shù)通常限制在100米范圍之內(nèi)。傳輸距離越長(zhǎng)，支持的設(shè)備連接距離就越長(zhǎng)。

• 通過(guò)10 Mbps帶寬傳輸新的信息與4 mA至20 mA或現(xiàn)場(chǎng)總線等技術(shù)相比，這種帶寬顯著增加可實(shí)現(xiàn)從遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)傳輸新的信息。

• 通過(guò)兩條線傳輸功率和數(shù)據(jù)現(xiàn)場(chǎng)傳感器需要電源，而通過(guò)電纜傳輸功率的能力對(duì)于偏遠(yuǎn)地區(qū)至關(guān)重要。該標(biāo)準(zhǔn)有助于在本質(zhì)安全應(yīng)用中提供高達(dá)500 mW功率，在非本質(zhì)安全應(yīng)用中提供高達(dá)60 W功率。這取決于電纜。

由于數(shù)據(jù)包交付和時(shí)序的確定性可確?？刂茟?yīng)用滿足強(qiáng)制要求，所以許多供應(yīng)商開(kāi)始提供適合OT網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)協(xié)議，這讓解決方案過(guò)度依賴于各供應(yīng)商的協(xié)議。因此市面上出現(xiàn)了大量不兼容的解決方案，不同類(lèi)型的通信協(xié)議在不同制造單元內(nèi)運(yùn)行，且彼此之間不能互操作，由此導(dǎo)致了長(zhǎng)期存在數(shù)據(jù)隔離或數(shù)據(jù)孤島問(wèn)題。所以業(yè)界需要一種解決方案，使采用不同協(xié)議的不同制造部門(mén)能夠共存，且能夠在不降低控制流量的情況下共享網(wǎng)絡(luò)，而這種解決方案就是時(shí)間敏感型網(wǎng)絡(luò)(TSN)。

時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)是指為在標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)內(nèi)提供確定性性能而開(kāi)發(fā)的一組IEEE 802.1和IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)，這是一種在工業(yè)層面開(kāi)發(fā)的通用標(biāo)準(zhǔn)，用于消除協(xié)議之間的互操作問(wèn)題。它允許當(dāng)前協(xié)議在不同應(yīng)用、帶寬和企業(yè)之間共享網(wǎng)絡(luò)并提供可靠的確定性通信和可擴(kuò)展性，一直延伸到邊緣節(jié)點(diǎn)。

目前在工業(yè)領(lǐng)域，時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)(TSN)作為下一代工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)方向，在業(yè)內(nèi)已基本形成共識(shí)。目前時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)協(xié)議組基本完備，技術(shù)慢慢趨于成熟，主流網(wǎng)絡(luò)設(shè)備廠商紛紛進(jìn)入產(chǎn)品或方案研發(fā)階段。其具體的優(yōu)勢(shì)包括：

• 更低成本且適用更廣泛的市場(chǎng)。TSN也能用于未來(lái)的樓宇自動(dòng)化和汽車(chē)行業(yè)中，預(yù)計(jì)嵌入式TSN解決方案的市場(chǎng)規(guī)模將大大超過(guò)所有工業(yè)以太網(wǎng)解決方案當(dāng)前市場(chǎng)的總和。

• 可擴(kuò)展性。與當(dāng)前的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)不同，TSN并不針對(duì)特定的傳輸速率進(jìn)行定義。TSN可用于100 Mbps，也可同樣用于1 Gbps、10 Mbps或5 Gbps。

• 更好地優(yōu)化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因?yàn)楝F(xiàn)在可以針對(duì)各個(gè)不同的區(qū)段選擇與之相適應(yīng)的數(shù)據(jù)速率。無(wú)論是1 Gbps、100 Mbps還是10 Mbps，都使用統(tǒng)一的第2層——IEEE802.1/TSN。

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)部署日益普及，傳統(tǒng)工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的挑戰(zhàn)將轉(zhuǎn)向如何高效采集設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中確保其安全性，以及如何利用這些數(shù)據(jù)來(lái)充分提升商業(yè)價(jià)值。ADI經(jīng)過(guò)數(shù)十年的顛覆創(chuàng)新和發(fā)展，在工業(yè)和通信技術(shù)領(lǐng)域擁有深厚的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，可以提供邊緣至云端的無(wú)縫、安全連接技術(shù)，將整個(gè)工廠相應(yīng)的產(chǎn)品連接在一起，有效幫助客戶加速傳統(tǒng)工業(yè)向未來(lái)智能工廠的數(shù)字化升級(jí)過(guò)渡。