控制級設計在智能工廠(chǎng)自動(dòng)化系統中所面臨的挑戰

針對工業(yè)4.0的工廠(chǎng)自動(dòng)化系統通常主要包括三個(gè)層級的設備，用于驅動(dòng)實(shí)時(shí)通信和控制：

1. 在現場(chǎng)層級，I/O模塊、制動(dòng)器和驅動(dòng)器負責工廠(chǎng)內的物理運作;

2. 在控制層級，可編程邏輯控制器(PLC)或計算機數控(CNC)負責從現場(chǎng)級搜集信息并向現場(chǎng)發(fā)出指令;

3. 在操作員層級，人機界面(HMI)設備與操作員交互通信，同時(shí)操作員可以發(fā)出指令。

每一個(gè)層級都需要經(jīng)優(yōu)化的硬件和軟件解決方案來(lái)解決各自所面臨的嚴峻設計挑戰。其中，涉及到控制層級的挑戰尤其難以解決。

由于通過(guò)一個(gè)控制器所支持的節點(diǎn)數量正在逐漸增加，除了能耗、長(cháng)電源使用壽命和可靠性要求等與所有工業(yè)自動(dòng)化設計相關(guān)的挑戰外，控制級設備的設計人員還面臨著(zhù)某些特定的挑戰。更多的支持節點(diǎn)數量意味著(zhù)整個(gè)工廠(chǎng)解決方案內所需的控制器數量就應該越少，以創(chuàng )建一個(gè)性?xún)r(jià)比更高的自動(dòng)化解決方案，或者這些增加的節點(diǎn)都可以在工廠(chǎng)在得以應用，從而實(shí)現更高的自動(dòng)化程度。然而，隨著(zhù)支持的節點(diǎn)數量越來(lái)越多，處理器的性能也必須要同比提升，并且在此情況下仍然保持足夠低的功耗，這樣才可以避免增加封裝的尺寸。此外，大多數PLC在設計時(shí)都不需要添加風(fēng)扇，因此功率損耗是設計方面的一個(gè)關(guān)鍵。

由于PLC和CNC同時(shí)控制工廠(chǎng)內的大量節點(diǎn)或功能，所以它們運營(yíng)的實(shí)時(shí)性至關(guān)重要。對于一個(gè)解決方案而言，實(shí)現精準的定時(shí)需要兩個(gè)部分：一個(gè)是實(shí)時(shí)操作系統，另一個(gè)則是針對工業(yè)通信的靈活時(shí)間感知外設。實(shí)時(shí)操作系統(RTOS)在這些設備中被用于決策和控制延時(shí)，以滿(mǎn)足關(guān)鍵定時(shí)的需求。商用RTOS在工業(yè)控制領(lǐng)域中的廣泛應用已經(jīng)長(cháng)達數年，同時(shí)其在RT Linux®解決方案中的興趣也在不斷增加，這些解決方案在添加了工業(yè)自動(dòng)化應用所需的時(shí)間感知和決策能力的同時(shí)，還具有Linux大型開(kāi)源社區的全部?jì)?yōu)勢。

對于實(shí)時(shí)解決方案的通信外設部分而言，主要的需求是通過(guò)一個(gè)即使在需要增加節點(diǎn)數量的情況下，也能實(shí)現低延遲和較短協(xié)議周期時(shí)間的方法來(lái)支持工業(yè)現場(chǎng)的總線(xiàn)協(xié)議。當在單個(gè)設計中必須支持多個(gè)現場(chǎng)總線(xiàn)標準時(shí)，這會(huì )變成一個(gè)更加復雜的難題。為了使終端產(chǎn)品與EtherCAT、PROFINET、以太網(wǎng)/IP等多個(gè)也許已經(jīng)在工廠(chǎng)中使用的標準兼容，多協(xié)議支持是必須的。通過(guò)硬件 (ASIC) 來(lái)滿(mǎn)足多協(xié)議支持是比較復雜的，其原因在于每個(gè)協(xié)議都可能需要屬于其自己的專(zhuān)門(mén)ASIC，因此每個(gè)支持的現場(chǎng)總線(xiàn)都需要不同的電路板設計。如果采用可編程方法的話(huà)，問(wèn)題可能會(huì )變得簡(jiǎn)單一些。在這些方法中，只需進(jìn)行軟件或固件更改即可實(shí)現現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議的變更。

為了使這個(gè)實(shí)時(shí)通信解決方案更加方便快捷，控制器需要大量外設接口，這是因為它們需要在多個(gè)層級上與工廠(chǎng)內的現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )、連接I/O的背板、制動(dòng)器、驅動(dòng)器或者其它控制器，以及那些使用OPC UA等協(xié)議進(jìn)行數據采集來(lái)實(shí)現工廠(chǎng)診斷功能的服務(wù)器進(jìn)行通信。所有這一切都需要用到大量的外設接口，特別是以太網(wǎng)接口。此外，還需要一個(gè)靈活的且可編程的通信解決方案。

圖片：可編程邏輯控制器和I/O卡

針對Sitara™ AM572x處理器的TMDXIDK5728工業(yè)開(kāi)發(fā)套件 (IDK) 現在已經(jīng)開(kāi)始對外提供，用來(lái)評估控制層級工廠(chǎng)自動(dòng)化解決方案。AM572x dual-core ARM® Cortex®-A15 處理器非常適合用于工業(yè)應用，這是因為它可以支持工業(yè)溫度范圍，實(shí)現高達100000小時(shí)的超長(cháng)使用壽命，同時(shí)擁有實(shí)時(shí)軟件支持和大量的外設，例如針對可編程工業(yè)通信的雙PRU-ICSS(處理器實(shí)時(shí)單元—工業(yè)通信子系統)。TMDXIDK5728提供4個(gè)以太網(wǎng)端口，其中2個(gè)可來(lái)自千兆交換機，另外2個(gè)可來(lái)自PRU-ICSS(默認配置)，或者4個(gè)端口均來(lái)自PRU-ICSS。TMDXIDK5728能夠基于A(yíng)M57x評估TI針對工業(yè)現場(chǎng)總線(xiàn)協(xié)議最新發(fā)布的解決方案，這些解決方案由Processor-SDK-RTOS中的PRU-ICSS-INDUSTRIAL-SW提供。此外，提供TMDXIDK5728還能夠運行Processor-SDK-Linux-RT軟件包，該軟件包可提供TI主線(xiàn)Linux內核上經(jīng)優(yōu)化的RT Preempt補丁包，以實(shí)現實(shí)時(shí)工業(yè)自動(dòng)化應用的開(kāi)發(fā)。