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流程自动化的可靠通讯解决方案
 

【作者: ADI】2020年03月04日 星期三

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工业4.0与工业物联网(IIoT)所带动的数位化趋势已经充分反映在工业自动化科技上。生产工厂的面貌逐渐改变,工业生产场所开始网路化,除了厂房彼此之间会进行通讯,连网的范畴还扩及厂房和公司其他部门或甚至跨公司。各界可以透过状态监控以及机具安装与技术系统的最隹化来提高整体生产效率。而若是想要落实这些作为,企业所有叁与各方,包括人员和机具都需要持续通讯,以及交换庞大的资料以及各式各样的叁数。



图1 : 网路化工厂各叁与方的应用范例
图1 : 网路化工厂各叁与方的应用范例

图2 : 从简单类比感测器转型到智慧型感测器。智慧型类比感测器包含完整的讯号链以及处理单元
图2 : 从简单类比感测器转型到智慧型感测器。智慧型类比感测器包含完整的讯号链以及处理单元

以往连结功能的规划相对较为容易-各种系统的类比感测器讯号先传送到一个中央控制器,然後进行数位化-在工业4.0时代,数位化的工作逐渐转移到感测器。建置所谓聪明智慧型感测器,并整合在复杂网路的任何位置,它们就能在网路上传递数位格式的物理数据。如图2所示,除了感测各种量测叁数,这种智慧感测器还整合了大部分的讯号调节以及处理功能,并全部装入在一个元件外壳内。


此外,智慧感测器通常已配备汇流排介面。量测叁数经过数位化,系统就能以更快的速度传送更多的资料。另一项优点,则是其更强固的讯号传输。透过数位讯号传输,即可减少、甚至完全避免讯号内容变动或干扰。


在理想状况下,支援汇流排的感测器还能透过随??即用(plug and play)的模式连上网路,这意谓着,控制单元会自动侦测到感测器。如果有某个感测器失效,其他感测器仍可继续运作。


然而,上述目标全都需要一个全面覆盖、高度可靠、即时性的网路,从个别感测器与致动器一路涵盖到机具以及最後的完整系统。乙太网路-特别是工业乙太网路-已成为通讯标准的其中一个关键环结。相较於先前的现场汇流排,工业乙太网路提供许多关键性的优点,像是透过共用传输媒体高效率与同步传输大量资料。此外,工业乙太网路营造出了新的可能性,建构出一致性的通讯传输,并针对确定性传输制定出各种即时延伸规范,进而补强既有乙太网路的功能。


针对这种类型应用,ADI(Analog Devices)推出了即时乙太网路多重协定(REM)交换器晶片系列,fido5000已於去年问市。此系列产品嵌入型处理器两个支援TSN的乙太网路埠,能组建包括线型、环状、以及冗馀星型等网路拓扑。此外,任何host主控端处理器都能透过其可设定记忆体汇流排介面连到交换器晶片。fido5000 REM交换器具备充裕弹性,能支援每一版现有的工业乙太网路协定,让开发业者设计的产品能符合未来的需求,因应持续演化的标准规范。


JUMO Group是一家位於德国富尔达(Fulda)市家族经营的国际企业,该公司成功实现上述以及其他优点。JUMO为包括食品、空调、机械工程、化学与制药、包装、水资源与废水等产业的物理/化学数值量测、控制、分析等应用研发与制造各种产品以及系统解决方案。这些产业必须透过大型网路传递各式各样的流程资料。而这方面正是fido5000的理想应用,同时也为此它会用在JUMO最新开发的DICON touch。


JUMO DICON Touch

DICON touch是一款双通道处理与程式控制器,能透过TFT彩色图形萤幕输出影像,以及透过触控介面直觉操作。除了提供RS-422/RS-485 MODBUS RTU、乙太网路、以及PROFIBUS DP等这些先前已配备的介面外,最新推出的DICON touch还能透过PROFINET控制器进行连结与通讯。这项功能归功於其内部整合fido5000双埠交换器,其让用户能采用各种简单的网路拓扑进行组建。网路应用已整合的功能,包括评估登录资料、设定组态、以及线上视觉化的网页伺服器功能,可配合PROFINET进行即时资料交换。遵循PROFINET标准加上和各家制造商的应用程式相容,都确保产品能通过验证。



图3 : DICON touch 双通道流程与程式控制器━首款配备PROFINET介面的JUMO产品
图3 : DICON touch 双通道流程与程式控制器━首款配备PROFINET介面的JUMO产品

ADI与JUMO长年持续合作。ADI 在2016年藉由并购 Innovasic 拓展本身在工业乙太网路的版图。ADI藉此让客户跨入各种工业乙太网路应用━证明与JUMO的合作对两家企业的关系产生了正面影响。在JUMO的协助下,ADI的角色从原本个别元件供应商转型成真正的设计夥伴。ADI协助JUMO以高度专业的模式针对旗下多通道流程与程式控制器JUMO DICON touch着手开发PROFINET介面。这类的合作为夥伴提供工业4.0领域的全方位专业,因应最新技术趋势,以及在初期阶段及早克服各种艰钜挑战。


透过跳脱各界对传统半导体厂商的认知,突破矽晶技术的疆界,在软体、系统专才、以及专业知识领域??注可观投资。这些知识进一步整合到功能组合,从感测器到云端,涵盖完整的讯号链。各种挑战都能在系统层面有效解决,因此不仅能加快开发流程,产品上市时程也会随之缩短,厂商能提前开发下一代产品藉以取得竞争优势。


在 DICON touch 研发过程中,ADI 特别推出一款解决方案,在乙太网路协定 PROFINET的基础上着手设计所有元件。当时面对的挑战是元件必须尽可能通用,为顾客创造大量的可能性。为此 DICON touch 开发成一项功能强大的模组化概念:简单的扩充卡,内建标准乙太网路的实体层元件,或是配备PROFINET功能的延伸外挂介面卡。Klaus Otto指出,在研发过程中,我们特别专注在一种PROFINET解决方案,当时市面上还没有具备这种功能的产品。


除了 fido5000 REM 交换器晶片,整合式 RapID 平台还用来开发 DICON touch。这款以fido5000为基础的完整解决方案展现嵌入式设计的能力。它结合 fido5000 交换器晶片、通讯处理器、JTAG 介面、实体层元件、以及各种记忆体,包括像快闪、SDRAM EEPROM等,所有元件全部嵌在一片机板。下一代的 RapID 平台还将搭载更强大且更省电的 ARM Cortex-M4 作为通讯协定处理器,用户可根据本身需求在这个晶片上建置额外的处理功能。


在 DICON touch 的开发方面,RapID 平台的现有属性,像是预先验证工业乙太网路协定,都是 JUMO 注重的特性。能在 RapID 平台下载包括电路图与布线资料等所有相关资讯,让用户省下可观的研发时间。


RapID 另一项有趣功能,同时也出现在DICON touch的功能就是整合式网页伺服器,能用来轻易读取或修改各种网路叁数以及输入/输出资料。另外,用户还能透过 RMII 与I2C介面设定实体层元件。此外,由於韧体已镜射复制到 DICON touch,因此在开机後系统就能更新 PROFINET 模组。



图4 : 采用fido5000的RapID平台已推出评估套件
图4 : 采用fido5000的RapID平台已推出评估套件

因此,RapID平台针对DICON推出的弹性组态,让客户能进行韧体更新以及网路存取。此外,在 DICON touch 的研发方面,创意空间完全没有限制。举例来说,PROFINET 其中一项重要功能标准LED闪光,该功能并非建置在电子元件。DICON touch 配备完整的LCD 显示器就具备闪光功能。


在 DICON touch 的研发方面,网路安全也扮演关键触角。对於工业控制器而言,没有办法用万用型解决方案来维护网路安全。防护较全面的作法必须对系统进行风险评估。ADI的安全策略侧重在尽可能让所有乙太网路元件都安全无虞。因此目前的工业乙太网路以及 TSN 时效性网路解决方案成为公司安全研发的其中一项焦点。以fido5000为基础的RapID 平台补强多项安全功能,提供包括密钥管理、安全开机、安全更新、以及安全记忆体存取等机制,协助抵御各种网路攻击。


总结

透过 fido5000 使用以及RapID平台为夥伴的各种应用提供解决方案,以因应未来的各种需求,包括即时功能、可靠度、安全等。藉此不仅为客户提供产品,更促成合作或支援其研发工作的可能性。


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