【導(dǎo)讀】在工業(yè)4.0概念的驅(qū)動下，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)自動化應(yīng)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)自動化的相關(guān)應(yīng)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(chǔ)
所謂的工業(yè)4.0概念，便是要求在商品進(jìn)行生產(chǎn)的過程中，從供應(yīng)鏈、生產(chǎn)端、質(zhì)量控制與包裝和運輸?shù)攘鞒讨校M(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)過程的實時監(jiān)控，以及對生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行預(yù)測性維護(hù)，以減少停機(jī)的時間，并同時能夠達(dá)到節(jié)能減廢的目標(biāo)。
想要實現(xiàn)工業(yè)4.0的目標(biāo)，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(yīng)用環(huán)境中的信號嘈雜問題，也可以解決采用不同布線的線路混亂現(xiàn)象，并可大幅減少在安裝／維修時所造成的生產(chǎn)停機(jī)時間。
傳統(tǒng)采用模擬技術(shù)進(jìn)行信號傳輸時，由于需要經(jīng)過多次A/D轉(zhuǎn)換，將導(dǎo)致精度損失，受到EMI和其他外部因素的影響，可能會影響到模擬信號，而導(dǎo)致檢測不到信號，若采用防止EMI的屏蔽電纜，其價格也較為昂貴。在工業(yè)環(huán)境中若采用IO-Link的數(shù)字化技術(shù)，將可消除不必要的多次A/D轉(zhuǎn)換，可確保不損失精度，也不需要屏蔽電纜，因為數(shù)字信號具備抗EMI的能力，可以采用非屏蔽電纜，將可節(jié)省成本、空間和使用模擬I/O卡的費用，采用數(shù)字載體也可以同時承載多種數(shù)據(jù)。
IO-Link技術(shù)具有更強(qiáng)的抗噪能力，采用簡單的3線數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸，能夠減少轉(zhuǎn)換損失、傳輸速度更快，可采用標(biāo)準(zhǔn)連接器和電纜（非屏蔽M12/M8電纜），電纜線長可超過20米，在一個端口上可以進(jìn)行輸入／輸出雙向傳輸，因此可以連接傳感器和執(zhí)行器。此外，IO-Link標(biāo)準(zhǔn)不受限于單一制造商，可適應(yīng)任何現(xiàn)有的PLC和總線，可以替代多個標(biāo)準(zhǔn)，具有通用性，可方便、輕松地定制設(shè)計具彈性的生產(chǎn)線，并可進(jìn)行無縫式遠(yuǎn)程監(jiān)控，可靈活接單并減少停機(jī)時間，通過遠(yuǎn)程機(jī)器狀態(tài)監(jiān)控，可實現(xiàn)預(yù)測性維護(hù)和節(jié)能，使其成為推動工業(yè)4.0的基礎(chǔ)。
依據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，在2020年時，全球已經(jīng)有超過1600萬個IO-Link節(jié)點，預(yù)計到2023年時，IO-Link市場預(yù)計將達(dá)到120億美元以上，其中尤以亞太地區(qū)將會是IO-Link應(yīng)用最大的市場，將可占有全球30%以上的市場空間，以及超過36億美元的市場份額。
完整的IO-Link解決方案與技術(shù)支持
針對市場對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(guī)范的ARW-IOLM4P-STM32L4控制板，可執(zhí)行從控制器到傳感器／執(zhí)行器的點對點連接，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IO-Link主控端的一致性測試，可支持通過SPI連接到主機(jī)CPU，可簡化IO-Link主控設(shè)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)品上市時間。
除了作為IO-Link通信核心的主控端和設(shè)備端收發(fā)器IC之外，ST還提供完整的生態(tài)系統(tǒng)，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(dá)四個IO-Link設(shè)備。
另一方面，艾睿電子還可提供來自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(shè)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(zhí)行器，可應(yīng)用于工業(yè)自動化系統(tǒng)、Profinet／以太網(wǎng)／Profibus、可編程邏輯控制器與預(yù)測性維護(hù)等場合。
此外，艾睿電子還與ST合作開發(fā)單一MCU結(jié)合IO-Link Master／Ethernet IP／Profinet功能的微控制器，可支持8路IO-Link設(shè)備，支持雙控架構(gòu)（PC或嵌入式主機(jī)），包含符合IO-Link V1.1.2標(biāo)準(zhǔn)的8端口主控制器堆棧，帶有2個集成的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(yīng)用于IO-Link主集線器、PLC、工廠自動化等領(lǐng)域。
艾睿電子也推出IO-Link塔燈解決方案，其采用M12標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)連接器，可通過IO-Link接口控制執(zhí)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(fù)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(yīng)用于執(zhí)行器塔燈控制、工廠自動化與控制與樓宇自動化應(yīng)用。
艾睿電子還與TE-concept合作，支持IO-Link軟件和合規(guī)性測試，可協(xié)助客戶進(jìn)行IO-Link預(yù)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(yīng)用的產(chǎn)品開發(fā)速度。
先進(jìn)的IO-Link主控和設(shè)備端芯片
ST看好IO-Link技術(shù)的發(fā)展，從一開始就加入了IO-Link聯(lián)盟，可提供主控和設(shè)備端芯片來實現(xiàn)IO-Link通信中的物理層，包括L6360、L6362A收發(fā)器與L6364的新設(shè)備芯片。
L6360是一款符合PHY2（3線）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間，并結(jié)合熱關(guān)斷和自動重啟功能，保護(hù)設(shè)備免受過載和短路的影響。C/Q和L+輸出級能夠驅(qū)動電阻、電感和電容負(fù)載，可驅(qū)動高達(dá)10 mJ的電感負(fù)載，監(jiān)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(dá)500 mA L+保護(hù)的高電位驅(qū)動器，可支持額外的IEC61131-2 type-1輸入，并支持短路、過流、過壓（> 36 V）、過熱、ESD等保護(hù)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線連接）的IO-Link和SIO（標(biāo)準(zhǔn)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(cè)和推挽輸出配置，可驅(qū)動任何類型的負(fù)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(dá)300 mA，能夠驅(qū)動L/C/R高達(dá)500mJ/30μF，支持喚醒檢測，以及5 V或3.3 V、10 mA可選線性穩(wěn)壓器，還包含一組豐富的保護(hù)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(hù)功能還包括輸出短路、過壓／欠壓、過載、過溫和快速瞬態(tài)條件（±1 kV、500 Ω和18 μF耦合），具有EMC穩(wěn)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(shè)備收發(fā)器IC，它可在具有傳感器或執(zhí)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)自動化應(yīng)用，也推出具有12個輸入和12個輸出的全功能工業(yè)級可編程邏輯控制器（PLC），支持采用觸摸屏顯示器的人機(jī)界面（HMI），這種一體化解決方案可確?？焖佥p松地訪問所有控制功能，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(yīng)實時加速器（ART Accelerator?），以及具有專用Chrom-ART Accelerator?的LCD-TFT控制器，可用于創(chuàng)建增強(qiáng)圖形內(nèi)容。
這個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關(guān)（IPS4260L）可以驅(qū)動輸出，而高速數(shù)字輸入電流限制器（CLT01 -38SQ7）或自供電數(shù)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(qū)動器，每通道輸出電流可達(dá)0.7A，具有帶菊花鏈的20 MHz SPI接口，嵌入了多項保護(hù)功能，包括過熱（外殼和每個通道）和接地丟失，并可感應(yīng)負(fù)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(biāo)準(zhǔn)。
ST IPS4260則是一款四路低電位智能電源開關(guān)，具有四個獨立的受保護(hù)信道，每個信道具有0.5 A電流能力，嵌入了多種保護(hù)功能，包括接地和VCC斷線、過壓和開路負(fù)載，具備豐富的診斷功能，包括過載和熱關(guān)斷（通用和每通道），并符合IEC 61131-2標(biāo)準(zhǔn)。
用于位置和運動監(jiān)測的工業(yè)傳感器
工業(yè)傳感器節(jié)點中使用了許多不同的位置和運動監(jiān)測傳感器，以檢測物體的位置和方向，或檢測物體沿一個或多個軸的位移和旋轉(zhuǎn)。ST針對不同的用例制造了一系列最先進(jìn)的數(shù)字傳感器，像是具有多目標(biāo)檢測能力的飛行時間（ToF）測距傳感器，嵌入了ST的第三代FlightSense專利技術(shù)，結(jié)合了高性能接近和測距傳感器、多目標(biāo)距離測量和自動污跡校正等功能，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，通常用于檢測最終產(chǎn)品的方向或在檢測到外部運動時喚醒系統(tǒng)，ST的MEMS加速度計則可以極低的功耗提供高精度測量結(jié)果。
ST已經(jīng)推出多款的ToF測距傳感器，包括VL53L3CX多目標(biāo)檢測ToF測距傳感器、VL53L0XToF測距傳感器、VL53L1CB先進(jìn)的多區(qū)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(kuò)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(yīng)（ALS）模塊等，可滿足客戶不同應(yīng)用的多樣需求。
ST也針對不同應(yīng)用，推出多款加速度計，包括可用于工業(yè)應(yīng)用、具有數(shù)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(shù)字輸出運動傳感器，可用于工業(yè)應(yīng)用的高性能超低功耗3軸加速度計IIS2DLPC，用于工業(yè)應(yīng)用的高分辨率、高穩(wěn)定性3軸數(shù)字傾角儀的IIS3DHHC，用于工業(yè)應(yīng)用、具有數(shù)字輸出的高性能超低功耗3軸加速度計IIS328DQ，以及MEMS數(shù)字輸出雙運動和溫度傳感器LIS2DTW12等，可以針對工業(yè)應(yīng)用提供多樣化的加速度測量。
ST也提供1點或3點翻滾傳感器校準(zhǔn)，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(zhǔn)，ST則添加了MotionFX庫的加速度計校準(zhǔn)功能，并可讓最終用戶輕松實現(xiàn)定制和增強(qiáng)（MotionFX僅以二進(jìn)制格式提供，而不提供源代碼），并易于在每個微控制器上使用（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(yīng)用在工業(yè)自動化領(lǐng)域，ST推出的ST25R3916/7是高性能NFC通用器件和EMVCo讀取器，在適用時可支持NFC發(fā)起方、NFC目標(biāo)、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(shù)字標(biāo)準(zhǔn)，針對POS終端應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化，即使在天線周圍有嘈雜的LCD顯示器等惡劣的條件下，也能實現(xiàn)最快的EMVCo 3.0認(rèn)證周期。
ST25R3916/7設(shè)計用于在寬電源范圍（-40℃至+105℃范圍內(nèi)為2.6至5.5 V，-20℃至+105℃范圍內(nèi)為2.4至5.5 V）和寬廣的外設(shè)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(chǔ)設(shè)施的NFC應(yīng)用。
高精度、超低功耗的參考設(shè)計與傳感器
針對工業(yè)智能傳感應(yīng)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(shè)備收發(fā)器的參考設(shè)計，可協(xié)助加速 IO-Link 工業(yè)連接領(lǐng)域的智能工業(yè)傳感器開發(fā)應(yīng)用。該套件包含 STEVAL-IOD004V1 主板（不單獨銷售）、STLINK-V3MINI 編程器和調(diào)試器工具（包括一個 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(nèi)核 MCU，工作頻率高達(dá) 64 MHz，以及 L6364W 可用于 SIO 和 IO-Link 傳感器應(yīng)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(shù)字輸出磁力計，以及 ISM330DHCX這款帶有機(jī)器學(xué)習(xí)內(nèi)核的iNEMO慣性模塊，和帶有數(shù)字輸出的有限狀態(tài)機(jī)，適用于工業(yè)應(yīng)用。
STEVAL-IOD04KT1參考設(shè)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(biāo)準(zhǔn)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，使多個實際用例的實現(xiàn)成為可能。此參考設(shè)計的目標(biāo)是基于IO-Link的智能工業(yè)傳感器應(yīng)用，具有易于配置、遠(yuǎn)程監(jiān)控、減少接線、高級診斷和易于設(shè)備更換等功能。
結(jié)語
在朝向工業(yè)4.0發(fā)展的工業(yè)應(yīng)用環(huán)境中，必須借助更先進(jìn)的數(shù)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(dá)成更智能的工業(yè)自動化應(yīng)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(yīng)用的開發(fā)速度，請即刻與艾睿電子聯(lián)系，以取得更詳細(xì)的產(chǎn)品與技術(shù)信息。
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