HMI+PLC+傳感器+馬達控制的工業(yè)自動(dòng)化系統

概要

在當今競爭日益激烈的全球市場(chǎng)中，高效的工業(yè)生產(chǎn)能力通常取決于每間工廠(chǎng)自動(dòng)化系統的速度、精度和可靠度。即使是在一些低勞動(dòng)力成本的地區，制造廠(chǎng)商們也渴望提高其自動(dòng)化系統的精密度，因為他們知道，如果不這么做就會(huì )危及其在全球經(jīng)濟中的位置。

工業(yè)自動(dòng)化的心臟是新一代高級智能傳感器，它讓產(chǎn)品生產(chǎn)線(xiàn)持續運行，通過(guò)低延遲和實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò )，連接至高性能可編程邏輯控制器(PLC)以及人機界面(HMI)系統。當然，對制造廠(chǎng)商而言，時(shí)間就是金錢(qián)。只要制造的產(chǎn)品能夠達到規定質(zhì)量水平，高效的生產(chǎn)線(xiàn)就會(huì )盡可能快地持續運行。高速、可靠的傳感器必須非常迅速(數毫秒甚至更快)地監控或者測量生產(chǎn)線(xiàn)的各種狀態(tài)。之后，網(wǎng)絡(luò )必須以最小時(shí)間的延遲、且不中斷生產(chǎn)的情況下，傳輸這種信息。我們需要大量的工業(yè)通信協(xié)議來(lái)實(shí)現所要求的關(guān)鍵通信性能，例如：PROFIBUS/PROFINET、Ethernet/IP、EtherCAT、POWERLINK、SERCOS III等。另外，如PLC等處理元件必須正確地實(shí)時(shí)響應，否則會(huì )影響生產(chǎn)率，造成損失利潤(參見(jiàn)下面圖1)。

德州儀器公司(TI)在向工業(yè)自動(dòng)化提供全面高性能、高效、可擴展技術(shù)方面，擁有豐富的經(jīng)驗。德州儀器廣泛的模擬和嵌入式處理器產(chǎn)品系列可助力廣大客戶(hù)設計完整的系統級解決方案。本文重點(diǎn)介紹的TI的創(chuàng )新型高差異化解決方案，它讓工業(yè)通信成本更低、接入更方便，并推進(jìn)自動(dòng)化和生產(chǎn)效率的提升。

圖1 HMI+PLC+傳感器+馬達控制的工業(yè)自動(dòng)化系統

工業(yè)自動(dòng)化介紹

典型的工業(yè)自動(dòng)化系統一般由四大部分組成，它們之間可以實(shí)施低延遲和實(shí)時(shí)高速的通信。這四大組成部分分別為：傳感器、人機界面、PLC和馬達驅動(dòng)器。

傳感器

現代工廠(chǎng)自動(dòng)化系統的信息和數據傳輸越來(lái)越依賴(lài)于智能傳感器。從前，傳感器只負責監控和測量，卻不分析。而現在，隨著(zhù)傳感器變得更加智能，它們能夠更好地對其所檢測的工作進(jìn)行評估，并能實(shí)時(shí)地完成任務(wù)。傳感器的諸多功能包括檢測溫度、運動(dòng)、光學(xué)對象和位置、重量、加速度、化學(xué)成分、氣體、氣壓或者其他壓力、液體流動(dòng)以及物理世界的其它方面。

人機界面(HMI)

人機界面是與操控者進(jìn)行通信的某個(gè)單元或者子系統。使用當前一流的技術(shù)，大多數工業(yè)自動(dòng)化系統的人機界面都集成了圖形顯示子系統，例如：觸摸屏等，因為這類(lèi)系統直觀(guān)、簡(jiǎn)單易學(xué)。

可編程邏輯控制器(PLC)

一般而言，PLC均為基于微控制器或者處理器的系統，它們所接收的信息來(lái)自于分布在工廠(chǎng)內的各種傳感器以及系統操作員。根據這兩種信息源所提供的信息，PLC發(fā)起動(dòng)作來(lái)控制生產(chǎn)線(xiàn)的過(guò)程。

馬達驅動(dòng)器

馬達驅動(dòng)器是對PLC指令做出實(shí)際響應的一些機器零件。例如，在汽車(chē)組裝工廠(chǎng)，傳感器向PLC提供汽車(chē)車(chē)身位置的相關(guān)信息。PLC便會(huì )對這種信息做出響應，向馬達控制單元發(fā)出指令，讓其控制機械臂對汽車(chē)進(jìn)行點(diǎn)焊。

在工業(yè)自動(dòng)化系統中，這四大部分的連接是通過(guò)高速、低延遲網(wǎng)絡(luò )實(shí)現的。這個(gè)網(wǎng)絡(luò )確保對PLC對傳感器或者操作員信息輸入做出快速響應?？偟膩?lái)說(shuō)，當今的工業(yè)自動(dòng)化系統是實(shí)時(shí)、具有決策能力的高精密系統，能夠精確控制高速生產(chǎn)過(guò)程。

未來(lái)面臨的挑戰

工業(yè)自動(dòng)化將面臨的基本挑戰與我們已經(jīng)克服了的一些挑戰一樣。為了取得更好的結果，控制系統必須繼續提高其實(shí)時(shí)響應能力、可靠性、精確性、精密性和整體成熟度。要想滿(mǎn)足這些要求，一個(gè)必不可少的條件是不斷發(fā)展組網(wǎng)和其它聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。

在工業(yè)自動(dòng)化市場(chǎng)上，有超過(guò)120種串行通信標準和25種基于以太網(wǎng)的協(xié)議，它們都可以部署于我們今天的工廠(chǎng)里。問(wèn)題是，我們缺少的并不是解決方案，而是它們的多樣性，以及部署它們的方法。

每一種流行的工業(yè)通信協(xié)議，例如：PROFIBUS/PROFINET、EtherCAT、Ethernet/IP等，均有一個(gè)或者多個(gè)重要的傳感器、PLC、HMI和馬達驅動(dòng)器供應商在背后提供支持。使用多家廠(chǎng)商的組件來(lái)實(shí)現工業(yè)自動(dòng)化系統，通常會(huì )要求部署多家廠(chǎng)商支持的數種通信協(xié)議。這便增加了整體系統的復雜度，并且拉高了成本。例如，當今的許多自動(dòng)化系統一般都使用一種中央處理器(CPU)來(lái)運行應用程序，然后再使用另一種離散組件，例如：應用程序專(zhuān)用集成電路(ASIC)或者現場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)，專(zhuān)門(mén)用于通信協(xié)議處理。在一些被通信協(xié)議視作從設備的自動(dòng)化組件中，更是如此。

大多數工業(yè)自動(dòng)化通信協(xié)議均使用了分級主/從構架。主設備一般為PLC，要不就是一些智能控制單元。從設備一般為馬達驅動(dòng)器以及一些不發(fā)起動(dòng)作或者控制過(guò)程的傳感器。為了實(shí)現自動(dòng)化系統承載網(wǎng)絡(luò )所需的高速、低延遲通信，許多協(xié)議增強了與這些從設備有關(guān)的媒體訪(fǎng)問(wèn)(MAC)層功能。這給從設備帶來(lái)更大的本地協(xié)議處理負擔，最終導致在分布式從設備中使用協(xié)議處理專(zhuān)用ASIC或者FPGA.而由于工業(yè)自動(dòng)化系統中的從設備通常多于主設備，極大增加了整體系統的成本。