工業(yè)4.0驅動(dòng)工業(yè)自動(dòng)化快速發(fā)展

在工業(yè)4.0概念的驅動(dòng)下，運用像是IO-Link網(wǎng)絡(luò )解決方案與工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）的傳感器技術(shù)，使工業(yè)自動(dòng)化應用朝向更為智能化、更具通用性與更易于定制的方向發(fā)展。本文將為您介紹工業(yè)自動(dòng)化的相關(guān)應用與解決方案，并進(jìn)一步了解工業(yè)4.0的發(fā)展方向。

IO-Link網(wǎng)絡(luò )解決方案是工業(yè)4.0的基礎

所謂的工業(yè)4.0概念，便是要求在商品進(jìn)行生產(chǎn)的過(guò)程中，從供應鏈、生產(chǎn)端、質(zhì)量控制與包裝和運輸等流程中，進(jìn)行更智能、更彈性的流程管理，包括靈活的接單能力、生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)監控，以及對生產(chǎn)設備進(jìn)行預測性維護，以減少停機的時(shí)間，并同時(shí)能夠達到節能減廢的目標。

想要實(shí)現工業(yè)4.0的目標，其中一項關(guān)鍵技術(shù)便是IO-Link網(wǎng)絡(luò )解決方案，它可以解決物聯(lián)網(wǎng)應用環(huán)境中的信號嘈雜問(wèn)題，也可以解決采用不同布線(xiàn)的線(xiàn)路混亂現象，并可大幅減少在安裝／維修時(shí)所造成的生產(chǎn)停機時(shí)間。

傳統采用模擬技術(shù)進(jìn)行信號傳輸時(shí)，由于需要經(jīng)過(guò)多次A/D轉換，將導致精度損失，受到EMI和其他外部因素的影響，可能會(huì )影響到模擬信號，而導致檢測不到信號，若采用防止EMI的屏蔽電纜，其價(jià)格也較為昂貴。在工業(yè)環(huán)境中若采用IO-Link的數字化技術(shù)，將可消除不必要的多次A/D轉換，可確保不損失精度，也不需要屏蔽電纜，因為數字信號具備抗EMI的能力，可以采用非屏蔽電纜，將可節省成本、空間和使用模擬I/O卡的費用，采用數字載體也可以同時(shí)承載多種數據。

IO-Link技術(shù)具有更強的抗噪能力，采用簡(jiǎn)單的3線(xiàn)數字數據傳輸，能夠減少轉換損失、傳輸速度更快，可采用標準連接器和電纜（非屏蔽M12/M8電纜），電纜線(xiàn)長(cháng)可超過(guò)20米，在一個(gè)端口上可以進(jìn)行輸入／輸出雙向傳輸，因此可以連接傳感器和執行器。此外，IO-Link標準不受限于單一制造商，可適應任何現有的PLC和總線(xiàn)，可以替代多個(gè)標準，具有通用性，可方便、輕松地定制設計具彈性的生產(chǎn)線(xiàn)，并可進(jìn)行無(wú)縫式遠程監控，可靈活接單并減少停機時(shí)間，通過(guò)遠程機器狀態(tài)監控，可實(shí)現預測性維護和節能，使其成為推動(dòng)工業(yè)4.0的基礎。

依據統計數據顯示，在2020年時(shí)，全球已經(jīng)有超過(guò)1600萬(wàn)個(gè)IO-Link節點(diǎn)，預計到2023年時(shí)，IO-Link市場(chǎng)預計將達到120億美元以上，其中尤以亞太地區將會(huì )是IO-Link應用最大的市場(chǎng)，將可占有全球30%以上的市場(chǎng)空間，以及超過(guò)36億美元的市場(chǎng)份額。

完整的IO-Link解決方案與技術(shù)支持

針對市場(chǎng)對IO-Link技術(shù)的迫切需求，艾睿電子推出了符合IEC 61131-9 IO-Link規范的ARW-IOLM4P-STM32L4控制板，可執行從控制器到傳感器／執行器的點(diǎn)對點(diǎn)連接，ARW-IOLM4P-STM32L4是基于STM32L431RBT6控制器的多合一IO-Link Master 4端口解決方案，采用低功耗的STM32 ARM? Cortex?- M4 MCU，并包括符合IO-Link V1.1.3的4端口主控制器堆棧，已通過(guò)IO-Link主控端的一致性測試，可支持通過(guò)SPI連接到主機CPU，可簡(jiǎn)化IO-Link主控設計，以減少軟件工作量，并提供有保證的IO-Link功能，艾睿電子還提供ARW-IOLM4P-EVAL01/02評估板，可縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。

除了作為IO-Link通信核心的主控端和設備端收發(fā)器IC之外，ST還提供完整的生態(tài)系統，包括豐富的評估板產(chǎn)品組合與合作伙伴，ST和艾睿電子、TEConcept簽署了三方合作伙伴關(guān)系，其具體成果是IOLM4P，這是一款基于超低功耗STM32L4的4端口IO-Link主芯片解決方案，具有集成協(xié)議棧，能夠控制多達四個(gè)IO-Link設備。

另一方面，艾睿電子還可提供來(lái)自ST的L6360 IO-Link主控收發(fā)器與L6362A IO-Link從屬收發(fā)器，提供8-CH IO-Link主站和DI/DO Hub參考設計與IO-Link從屬軟件平臺，可用于工業(yè)4.0的IO-Link接口，以連接傳感器／執行器，可應用于工業(yè)自動(dòng)化系統、Profinet／以太網(wǎng)／Profibus、可編程邏輯控制器與預測性維護等場(chǎng)合。

此外，艾睿電子還與ST合作開(kāi)發(fā)單一MCU結合IO-Link Master／Ethernet IP／Profinet功能的微控制器，可支持8路IO-Link設備，支持雙控架構（PC或嵌入式主機），包含符合IO-Link V1.1.2標準的8端口主控制器堆棧，帶有2個(gè)集成的EtherNet/IP接口，其采用的核心芯片包括STM的STM32H743ZIT6、VN808-32-E、L6360、M24256-BRDW6TP、L7986A、SLVU2.8-4A1、SMA4F28A，Microchip的KSZ8863RLL、Amphenol的M12A-05PMMC-SF8B20，以及Apps Electronics的AE-RJC101013、AE-SB16001，Abracon的ABM8W-19.2000MHZ-8-J1Z-T3，可應用于IO-Link主集線(xiàn)器、PLC、工廠(chǎng)自動(dòng)化等領(lǐng)域。

艾睿電子也推出IO-Link塔燈解決方案，其采用M12標準工業(yè)連接器，可通過(guò)IO-Link接口控制執行器塔燈，并可配置不同的模式，支持IO-Link版本1.1/1.0物理層兼容，采用的核心芯片包括ST的四路低電位智能電源開(kāi)關(guān)IPS4260L、IO-Link雙通道收發(fā)IC L6364Q，以及ARM Cortex-M0+ 32位MCU STM32G071、8Kbit串行EEPROM M24C08與1500W TVS SMB15F24A，以及模擬多路復用器STG3157CTR，并采用Murata的MEMS諧振器WMRAG32K76CS1C00R0與8MHz的陶瓷諧振器CSTNE8M00G520000R0，還有Amphenol ICC的M12圓形4 POS ST 通孔4端子1端口的M12A-04PMMP-SF8001與BergStik板對板連接器77311-1180xLF，可應用于執行器塔燈控制、工廠(chǎng)自動(dòng)化與控制與樓宇自動(dòng)化應用。

艾睿電子還與TE-concept合作，支持IO-Link軟件和合規性測試，可協(xié)助客戶(hù)進(jìn)行IO-Link預先測試，可提供TE-Concept控制工具、IO-Link主測試儀、IODD Designer、IO-Link診斷工具，以及ST的所有電子組件與Amphenol的連接器、電纜、模塊，可加快IO-Link相關(guān)應用的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)速度。

先進(jìn)的IO-Link主控和設備端芯片

ST看好IO-Link技術(shù)的發(fā)展，從一開(kāi)始就加入了IO-Link聯(lián)盟，可提供主控和設備端芯片來(lái)實(shí)現IO-Link通信中的物理層，包括L6360、L6362A收發(fā)器與L6364的新設備芯片。

L6360是一款符合PHY2（3線(xiàn)）的單片IO-Link主收發(fā)器，支持COM1、COM2和COM3模式。C/Q輸出級可編程為高電位、低電位或推挽，可編程截止電流和截止電流延遲時(shí)間，并結合熱關(guān)斷和自動(dòng)重啟功能，保護設備免受過(guò)載和短路的影響。C/Q和L+輸出級能夠驅動(dòng)電阻、電感和電容負載，可驅動(dòng)高達10 mJ的電感負載，監控電源電壓并檢測低電壓條件。

L6360 IO-Link通信主收發(fā)器IC的電源電壓范圍為18 - 32.5 V，可支持高達500 mA L+保護的高電位驅動(dòng)器，可支持額外的IEC61131-2 type-1輸入，并支持短路、過(guò)流、過(guò)壓（> 36 V）、過(guò)熱、ESD等保護功能，采用小型化的VFQFPN-26L（3.5 x 5 x 1 mm）封裝。

L6362A則是符合PHY2（3線(xiàn)連接）的IO-Link和SIO（標準IO）模式收發(fā)器IC，支持COM1、COM2和COM3模式，可允許低電位、高電位側和推挽輸出配置，可驅動(dòng)任何類(lèi)型的負載（電阻、電容或電感）。L6362A是在24 V環(huán)境中運行的工業(yè)傳感器的理想接口，可連接到PLC、工業(yè)IO模塊或IO-Link主控端。

L6362A的電源電壓范圍為7 - 36 V，具有極其高效的功率級，RDSON為0.8 Ω / 1 Ω（低電位／高電位），輸出電流高達300 mA，能夠驅動(dòng)L/C/R高達500mJ/30μF，支持喚醒檢測，以及5 V或3.3 V、10 mA可選線(xiàn)性穩壓器，還包含一組豐富的保護功能，包括VCC、GND、OUTH、OUTL和I/Q引腳之間的反極性，這是安裝工業(yè)傳感器的關(guān)鍵特性，其他保護功能還包括輸出短路、過(guò)壓／欠壓、過(guò)載、過(guò)溫和快速瞬態(tài)條件（±1 kV、500 Ω和18 μF耦合），具有EMC穩健性，可面對突波、浪涌與ESD，可在-40至125℃的溫度范圍工作，采用微型DFN封裝（3 x 3毫米）。

新推出的L6364則是一款雙通道IO-Link設備收發(fā)器IC，它可在具有傳感器或執行器功能的微控制器與24 V電源和信號電纜之間提供一座橋梁，指定用于支持COM2和COM3模式下的IO-Link通信。

多合一、靈活的PLC解決方案

ST針對工業(yè)自動(dòng)化應用，也推出具有12個(gè)輸入和12個(gè)輸出的全功能工業(yè)級可編程邏輯控制器（PLC），支持采用觸摸屏顯示器的人機界面（HMI），這種一體化解決方案可確?？焖佥p松地訪(fǎng)問(wèn)所有控制功能，搭配具有DSP和FPU指令的高性能STM32F7微控制器、具有L1緩存的自適應實(shí)時(shí)加速器（ART Accelerator?），以及具有專(zhuān)用Chrom-ART Accelerator?的LCD-TFT控制器，可用于創(chuàng )建增強圖形內容。

這個(gè)解決方案在輸入和輸出陣列上都提供了多種可能性，包括帶SPI接口的電隔離8通道高電位智能功率固態(tài)繼電器（ISO8200AQ）或4通道低電位智能功率開(kāi)關(guān)（IPS4260L）可以驅動(dòng)輸出，而高速數字輸入電流限制器（CLT01 -38SQ7）或自供電數字輸入電流限制器（CLT03-2Q3），則可分別提供高速SPI和支持60V的自供電輸入。

ST的ISO8200AQ是具有SPI接口的電隔離、八通道高電位工業(yè)輸出驅動(dòng)器，每通道輸出電流可達0.7A，具有帶菊花鏈的20 MHz SPI接口，嵌入了多項保護功能，包括過(guò)熱（外殼和每個(gè)通道）和接地丟失，并可感應負載的快速退磁，符合IEC 61000-4-2、IEC 61000-4-4、IEC 61000-4-5和IEC 61000-4-8標準。

ST IPS4260則是一款四路低電位智能電源開(kāi)關(guān)，具有四個(gè)獨立的受保護信道，每個(gè)信道具有0.5 A電流能力，嵌入了多種保護功能，包括接地和VCC斷線(xiàn)、過(guò)壓和開(kāi)路負載，具備豐富的診斷功能，包括過(guò)載和熱關(guān)斷（通用和每通道），并符合IEC 61131-2標準。

用于位置和運動(dòng)監測的工業(yè)傳感器

工業(yè)傳感器節點(diǎn)中使用了許多不同的位置和運動(dòng)監測傳感器，以檢測物體的位置和方向，或檢測物體沿一個(gè)或多個(gè)軸的位移和旋轉。ST針對不同的用例制造了一系列最先進(jìn)的數字傳感器，像是具有多目標檢測能力的飛行時(shí)間（ToF）測距傳感器，嵌入了ST的第三代FlightSense專(zhuān)利技術(shù)，結合了高性能接近和測距傳感器、多目標距離測量和自動(dòng)污跡校正等功能，可以檢測物體的位置與距離。此外，加速度計則可參考地球的重力場(chǎng)，通常用于檢測最終產(chǎn)品的方向或在檢測到外部運動(dòng)時(shí)喚醒系統，ST的MEMS加速度計則可以極低的功耗提供高精度測量結果。

ST已經(jīng)推出多款的ToF測距傳感器，包括VL53L3CX多目標檢測ToF測距傳感器、VL53L0XToF測距傳感器、VL53L1CB先進(jìn)的多區域和多對象檢測的ToF測距傳感器、VL53L1X ToF測距傳感器、VL53L4CD ToF高精度接近傳感器、具有擴展范圍測量的VL53L4CX ToF傳感器、VL6180V1 ToF接近傳感器、VL6180X接近傳感器和環(huán)境光感應（ALS）模塊等，可滿(mǎn)足客戶(hù)不同應用的多樣需求。

ST也針對不同應用，推出多款加速度計，包括可用于工業(yè)應用、具有數字輸出的超低功耗高性能3軸加速度計IIS2DH，以及采用MEMS技術(shù)的數字輸出運動(dòng)傳感器，可用于工業(yè)應用的高性能超低功耗3軸加速度計IIS2DLPC，用于工業(yè)應用的高分辨率、高穩定性3軸數字傾角儀的IIS3DHHC，用于工業(yè)應用、具有數字輸出的高性能超低功耗3軸加速度計IIS328DQ，以及MEMS數字輸出雙運動(dòng)和溫度傳感器LIS2DTW12等，可以針對工業(yè)應用提供多樣化的加速度測量。

ST也提供1點(diǎn)或3點(diǎn)翻滾傳感器校準，可計算3軸傳感器（通常是加速度計）的偏移和增益。MotionFX庫以往僅提供磁力計和陀螺儀校準，ST則添加了MotionFX庫的加速度計校準功能，并可讓最終用戶(hù)輕松實(shí)現定制和增強（MotionFX僅以二進(jìn)制格式提供，而不提供源代碼），并易于在每個(gè)微控制器上使用（MotionFX只能在STM32上運行），可適用于ST的所有加速度計、eCompass模塊和iNemo慣性IMU。

NFC技術(shù)也可應用在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，ST推出的ST25R3916/7是高性能NFC通用器件和EMVCo讀取器，在適用時(shí)可支持NFC發(fā)起方、NFC目標、NFC讀取器和NFC卡仿真模式。該NFC IC完全符合EMVCo 3.0模擬和數字標準，針對POS終端應用進(jìn)行了優(yōu)化，即使在天線(xiàn)周?chē)朽须s的LCD顯示器等惡劣的條件下，也能實(shí)現最快的EMVCo 3.0認證周期。

ST25R3916/7設計用于在寬電源范圍（-40℃至+105℃范圍內為2.6至5.5 V，-20℃至+105℃范圍內為2.4至5.5 V）和寬廣的外設IO電壓范圍（從1.65到5.5 V）。由于這種高射頻輸出功率、低功率模式和寬電源范圍的組合，這些器件非常適合基礎設施的NFC應用。

高精度、超低功耗的參考設計與傳感器

針對工業(yè)智能傳感應用，ST 也推出 STEVAL-IOD04KT1 工業(yè)智能傳感器套件，這是基于 L6364W 雙 IO-Link 設備收發(fā)器的參考設計，可協(xié)助加速 IO-Link 工業(yè)連接領(lǐng)域的智能工業(yè)傳感器開(kāi)發(fā)應用。該套件包含 STEVAL-IOD004V1 主板（不單獨銷(xiāo)售）、STLINK-V3MINI 編程器和調試器工具（包括一個(gè) M8-M12 工業(yè)連接器適配器與20厘米的電纜），STEVAL-IOD004V1主板具有 STM32G071EB 這款主流 Arm? Cortex?-M0+ RISC 內核 MCU，工作頻率高達 64 MHz，以及 L6364W 可用于 SIO 和 IO-Link 傳感器應用的雙通道收發(fā)器 IC，此外還有 IIS2MDC 這款高精度、超低功耗的3軸數字輸出磁力計，以及 ISM330DHCX這款帶有機器學(xué)習內核的iNEMO慣性模塊，和帶有數字輸出的有限狀態(tài)機，適用于工業(yè)應用。

STEVAL-IOD04KT1參考設計支持IO-Link協(xié)議棧v.1.1，可提供額外的傳感器連接器、狀態(tài)LED、M8工業(yè)標準連接器，尺寸僅有45.8 x 8.3 mm，且形狀易于集成到工業(yè)傳感器外殼中，并提供可在STM32G071EB上運行的相關(guān)固件示例，使多個(gè)實(shí)際用例的實(shí)現成為可能。此參考設計的目標是基于IO-Link的智能工業(yè)傳感器應用，具有易于配置、遠程監控、減少接線(xiàn)、高級診斷和易于設備更換等功能。

結語(yǔ)

在朝向工業(yè)4.0發(fā)展的工業(yè)應用環(huán)境中，必須借助更先進(jìn)的數字化IO-Link網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，以及搭配各式各樣的傳感器，才能達成更智能的工業(yè)自動(dòng)化應用。艾睿電子與ST等伙伴合作，推出了完整的解決方案與技術(shù)服務(wù)，能夠加快相關(guān)應用的開(kāi)發(fā)速度，請即刻與艾睿電子聯(lián)系，以取得更詳細的產(chǎn)品與技術(shù)信息。