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工业控制与通信技术研讨会：工业4.0高效通信技术应用
2022-06-16 08:00:00
（相关网站周凯扬/李宁远）2022年6月15日，由全球知名电子科技媒体<电子发烧友>主办的2022第六届工业控制与通信技术研讨会在线上成功举办。本次会议，意法半导体、ADI、TI、灵动、Microchip、Silicon Labs等国内外知名企业的专家和领导带来了最新的技术分享。
电子发烧友总经理张迎辉在致辞中表示，随着5G、AI、大数据、云计算和更先进的控制与互联通信技术的发展，工业4.0智能制造时代下的工业控制与通信、工业数字化与工业互联网的创新应用不断落地，更加智能高效节能与数字化的工业5.0也成了产业升级的新目标。
与以往相比，今年工业互联网自动化与智能化需要更强大高效通信系统，更高性能稳定可靠的控制器支持工业IoT的时间敏感网络，同时也需要更加强调工业互联网中的数据安全等等。
IO-Link通讯系统在工业自动化上的应用
IO-Link作为一种点对点的串行数字通信协议，该技术的使用已经越来越广泛，本次工业控制与通信会议上，意法半导体亚太区工业自动化技术中心战略营销经理罗志宏为大家分享了《IO-Link通信系统在工业自动化上的应用》。
罗志宏首先对IO-Link技术进行了简单的介绍，IO-Link符合IEC 61131-9这一规范，将PLC等主设备与智能传感器和制动器从设备的点对点连接起来。传统的自动化工厂中，存在很多专有协议、单向和模拟的信息交换，不仅缺乏诊断能力和配置能力，而且模拟数据也更容易受到噪声的影响。 而IO-Link可以做到双向信号传输，所以可以完成更复杂更先进的诊断任务。再者IO-Link走的数字信号，所以通信可靠性也会比传统模拟信号更好。
IO-Link的点对点通信由一条最长20米的线提供，这条线由三条信号线组成，数据格式主要走的是11位的UART，电压水平为24V的直流电压。数据传输周期为每2ms传输一次，最小可以做到0.4ms。传输速率分为三个模式，分别是4.8kbps的COM1、38.4kbps的COM2和230.4kbps的COM3。 在物理层接口，IO-Link使用主要的连接器大小覆盖M5到M12，分为4pin的Class A和5pin的Class B两种类型。
通过这几年的增长，IO-Link的节点数量已经有了惊人的增长。根据IO-Link协会的统计，2018到2019年的全球出货量大约在1140万左右，到去年2021年为止，这个数字已经达到2100万，将近增长了快一倍。而且这个数据不是估算的，因为这个是根据终端授权费计算的。
目前全球市场最大的还是亚太和欧洲市场，尤其是增速极快的中国市场。2017年全球IO-Link市场在19.6亿美元，到了2023年预计会增长至122亿美元，实现33.55%的年复合增长率。IO-Link协会的成员数量也从2016年的100家发展至今年的400家，成员数量还在持续增长中。
意法半导体提供IO-Link主设备和从设备端的收发器IC，L6360和L6364/L6362A。L6360采用了DFN的小封装，大小只有3.5x3.5mm，其导通电阻低至1Ω，内部有高边+低边+推挽电路，方便驱动IO-Link的信号线。除此之外，L6360还集成了两个可编程的LED驱动器，欠压保护和过温保护电路。设备端收发器L6362A同样支持到极低的导通电阻，3x3mm的DFN小封装，整合了3.3V/5V的LDO。L6362A将电压工作范围扩展到36V，提供了灵活的设计选项。
意法半导体也提供了双通道的IO-Link设备，L6364Q和L6364W，后者采用了更小的CSP封装，仅有2.5x2.5mm，足以满足一些传感器对小尺寸的需求。L6464支持两个可配置的限流I/O，最高可达500mA，方便客户灵活调整。终端设备诊断的功能。L6464集成了DC/DC和两颗LDO，进一步提高了降压效率。
ST为每个IC都准备了对应的评估板、参考设计，针对收发器IC需要搭配的存放软件协议栈的MCU，意法半导体也提供了开放开发环境，也有不少的IDE合作伙伴以支持不同的开发需求。
工业以太网无缝联接， 加速工业4.0
工业4.0从多个方面提高了提高生产效率，尤其是在通信领域。在收购整合了凌特和美信后，ADI进一步补全了其在工业通信上的产品，为客户提供更全面的解决方案。本次工业控制与通信大会上，ADI的亚太区工业自动化行业市场部经理于常涛为大家分享了《工业以太网——无缝连接，加速工业4.0》这一主题。
RS-485和RS-422作为传统的工业通信接口，在一些现场总线、电机编码器的接口都会用到RS485的多点通信网络，完成一些长距离、稳定可靠的传输。ADI的RS-485收发器ADM286xE/ADM256xE产品系列，最高可以支持25Mbps的通信速率，支持到192个节点。
就背板通信而言，于常涛分享了常用的三种通信技术RS-485、LVDS和M-LVDS。RS-485与其他两者相比，功耗较高，速率也偏低，而LVDS主要是面向点对点的通信。M-LVDS结合了这两者的优势，采用了一主多从的架构，支持最多32个的节点，最高可达250Mbps的速率，同时又做到了低功耗。ADI也为M-LVDS提供了高密度的M-LVDS收发器，涵盖了全双工、半双工的多种工作模式，并在紧凑的封装下做到了低功耗。
IO-Link作为一种传感器的接口形式，已经从欧洲市场席卷了亚太市场，有效地解决了传感器设计中的散热、大小和电流驱动能力问题。主设备端收发器上，ADI提供MAX14819/MAX14819A等产品，在设备端收发器上也有MAX22513、MAX22515等明星产品，这两大产品线从电流限制、导通电阻和最高工作温度上等核心指标上都做到了优异的性能。
在配套的开发工具方面，ADI也提供一个8端口的IO-Link Demo，其参考设计既有支持TMG的协议栈，也有支持TE Connect的协议栈。至于外围的传感器和制动器，ADI也有一些Trinamic的电机驱动产品，构成从设备端的Demo板，方便客户对整套IO-Link系统做评估。
单对以太网（SPE）是基于IEEE 802.3cg-2019规范打造的一种以太网物理层技术，其中一种标准就是10BASE-T1L。10BASE-T1L最高可以实现1km范围内高达10Mbps速度的传输，供电上也支持PoDL数据线供电。不仅如此，基于10BASE-T1L标准的Ethernet-APL也支持EtherNet/IP、HART IP、OPC UA、PROFINET等高级应用层网络协议。
ADI提供ADIN1100和ADIN1110这两大10BASE-T1L PHY和MAC PHY产品，后者集成了MAC，更适合对于MCU资源要求低的应用中，比如传感器。而对于需要打造环形网络拓扑的客户，ADI也提供了双端口的ADIN2111。
隔离式USB在工业现场中，主要出现在调试接口、命令参数配置接口和程序上传下载等应用上，具备免疫噪声、操作安全性等优势。ADI也提供了隔离等级不同的产品方案，ADuM3165、ADuM4165，于常涛重点提及了20kV的浪涌保护，这一特性在医疗等级要求中是比较突出的优势。
TI助力加速伺服驱动工业多协议总线通信
全球制造业正在经历新一轮的数字化和智能化升级，其中智能伺服驱动系统，特别是支持多协议总线的伺服产品是新一轮升级中重要的角色。智能制造系统需要更智能且更安全的工业互联网。本次研讨会上，TI技术支持经理卢璟介绍了TI如何助力加速伺服驱动工业多协议总线通信。
在智能工厂中，HMI、PLC、Sensors以及电机控制是自动化系统的四大组件。这四个组件之间实现互联互通是实现智能化的核心之一。由于目前工业通讯是多种以太网并存的局面，对于很多伺服厂家而言，提供多协议的伺服产品也成为了新的趋势。
根据TI的分析，工业数据通讯具有以下这些特点：首先网络拓扑比较简单，采用菊花链或者环形网络，数据交互的路由结构很清晰；其次数据传输的可确定性强，可预期、可规划；另一方面是数据传输的实时性可靠性要求高，比如与伺服控制响应的时间通常控制在几个ms到几十个ms之间，有些应用甚至要求微秒级别；同时数据同步的要求也非常高，在机器人的多轴联动上这个需求尤为突出。
伺服驱动电路通常分为数字域和模拟域，其中电机控制模块和通讯模块是重中之重。实现智能工厂中不同功能的伺服功能，可以采用集中式或者分布式的架构。TI技术支持经理卢璟介绍了TI针对伺服驱动的多协议总线方案。TI传统的分布式双片结构是采用专门的芯片来负责通讯，用C2000系列或者FPGA来处理电流环等功能，不同的通讯协议换上不同的通讯模块即可。分布式架构上TI还有Sitara加上C2000的解决方案，可拓展性强。
集中式的单芯片方案同样来自C2000和Sitara系列。如果只需要支持单种协议，C2000下的F2838x是很好的选择，可以快速地实现单轴或者双轴的伺服控制。如果需要支持多种协议，Sitara也能提供不同主频，是否具有LINUX系统的多种选择。C2000和Sitara系列有非常丰富的实时控制外设以及高性能运算内核，能够快速帮助设计人员设计出高性能的伺服驱动。
针对工业通讯微秒级别延迟的需求，TI则提出了FSI与SORTE方案。FSI，快速串行接口，在C2000与Sitara系列中都能支持。典型的应用场景包括替代并行总线完成板上信号传输，也可以用于分布式系统的板间传输。其亮点之一是管脚数非常少，4个pin脚就能达到百兆bps速率，传输延迟与CAN、CAN-FD以及EtherCAT相比，8bytes传输仅需1.04us，延迟之低可见一斑。
SORTE是TI的简单开放实时以太网。目前基于工业以太网的各种协议同步周期，最短也只能做到几十个微秒。对于需要在几个微秒就完成数据传输的场合，当前主要是通过分离的数字和模拟信号进行实现。SORTE也就是为了解决此类问题诞生，通过数据包方式代替传统模拟信号进行低延迟控制，实现更小的同步周期。其自带的校验也进一步提高了数据可靠性。
TI的实时控制技术和先进的信号处理产品可以帮助工业应用，加快向智能生产系统的过渡。
电子发烧友总经理张迎辉在致辞中表示，随着5G、AI、大数据、云计算和更先进的控制与互联通信技术的发展，工业4.0智能制造时代下的工业控制与通信、工业数字化与工业互联网的创新应用不断落地，更加智能高效节能与数字化的工业5.0也成了产业升级的新目标。与以往相比，今年工业互联网自动化与智能化需要更强大高效通信系统，更高性能稳定可靠的控制器支持工业IoT的时间敏感网络，同时也需要更加强调工业互联网中的数据安全等等。
IO-Link通讯系统在工业自动化上的应用
IO-Link作为一种点对点的串行数字通信协议，该技术的使用已经越来越广泛，本次工业控制与通信会议上，意法半导体亚太区工业自动化技术中心战略营销经理罗志宏为大家分享了《IO-Link通信系统在工业自动化上的应用》。
罗志宏首先对IO-Link技术进行了简单的介绍，IO-Link符合IEC 61131-9这一规范，将PLC等主设备与智能传感器和制动器从设备的点对点连接起来。传统的自动化工厂中，存在很多专有协议、单向和模拟的信息交换，不仅缺乏诊断能力和配置能力，而且模拟数据也更容易受到噪声的影响。 而IO-Link可以做到双向信号传输，所以可以完成更复杂更先进的诊断任务。再者IO-Link走的数字信号，所以通信可靠性也会比传统模拟信号更好。
IO-Link的点对点通信由一条最长20米的线提供，这条线由三条信号线组成，数据格式主要走的是11位的UART，电压水平为24V的直流电压。数据传输周期为每2ms传输一次，最小可以做到0.4ms。传输速率分为三个模式，分别是4.8kbps的COM1、38.4kbps的COM2和230.4kbps的COM3。 在物理层接口，IO-Link使用主要的连接器大小覆盖M5到M12，分为4pin的Class A和5pin的Class B两种类型。
通过这几年的增长，IO-Link的节点数量已经有了惊人的增长。根据IO-Link协会的统计，2018到2019年的全球出货量大约在1140万左右，到去年2021年为止，这个数字已经达到2100万，将近增长了快一倍。而且这个数据不是估算的，因为这个是根据终端授权费计算的。
目前全球市场最大的还是亚太和欧洲市场，尤其是增速极快的中国市场。2017年全球IO-Link市场在19.6亿美元，到了2023年预计会增长至122亿美元，实现33.55%的年复合增长率。IO-Link协会的成员数量也从2016年的100家发展至今年的400家，成员数量还在持续增长中。
意法半导体提供IO-Link主设备和从设备端的收发器IC，L6360和L6364/L6362A。L6360采用了DFN的小封装，大小只有3.5x3.5mm，其导通电阻低至1Ω，内部有高边+低边+推挽电路，方便驱动IO-Link的信号线。除此之外，L6360还集成了两个可编程的LED驱动器，欠压保护和过温保护电路。设备端收发器L6362A同样支持到极低的导通电阻，3x3mm的DFN小封装，整合了3.3V/5V的LDO。L6362A将电压工作范围扩展到36V，提供了灵活的设计选项。意法半导体也提供了双通道的IO-Link设备，L6364Q和L6364W，后者采用了更小的CSP封装，仅有2.5x2.5mm，足以满足一些传感器对小尺寸的需求。L6464支持两个可配置的限流I/O，最高可达500mA，方便客户灵活调整。终端设备诊断的功能。L6464集成了DC/DC和两颗LDO，进一步提高了降压效率。
ST为每个IC都准备了对应的评估板、参考设计，针对收发器IC需要搭配的存放软件协议栈的MCU，意法半导体也提供了开放开发环境，也有不少的IDE合作伙伴以支持不同的开发需求。
工业以太网无缝联接， 加速工业4.0
工业4.0从多个方面提高了提高生产效率，尤其是在通信领域。在收购整合了凌特和美信后，ADI进一步补全了其在工业通信上的产品，为客户提供更全面的解决方案。本次工业控制与通信大会上，ADI的亚太区工业自动化行业市场部经理于常涛为大家分享了《工业以太网——无缝连接，加速工业4.0》这一主题。
RS-485和RS-422作为传统的工业通信接口，在一些现场总线、电机编码器的接口都会用到RS485的多点通信网络，完成一些长距离、稳定可靠的传输。ADI的RS-485收发器ADM286xE/ADM256xE产品系列，最高可以支持25Mbps的通信速率，支持到192个节点。
就背板通信而言，于常涛分享了常用的三种通信技术RS-485、LVDS和M-LVDS。RS-485与其他两者相比，功耗较高，速率也偏低，而LVDS主要是面向点对点的通信。M-LVDS结合了这两者的优势，采用了一主多从的架构，支持最多32个的节点，最高可达250Mbps的速率，同时又做到了低功耗。ADI也为M-LVDS提供了高密度的M-LVDS收发器，涵盖了全双工、半双工的多种工作模式，并在紧凑的封装下做到了低功耗。
IO-Link作为一种传感器的接口形式，已经从欧洲市场席卷了亚太市场，有效地解决了传感器设计中的散热、大小和电流驱动能力问题。主设备端收发器上，ADI提供MAX14819/MAX14819A等产品，在设备端收发器上也有MAX22513、MAX22515等明星产品，这两大产品线从电流限制、导通电阻和最高工作温度上等核心指标上都做到了优异的性能。
在配套的开发工具方面，ADI也提供一个8端口的IO-Link Demo，其参考设计既有支持TMG的协议栈，也有支持TE Connect的协议栈。至于外围的传感器和制动器，ADI也有一些Trinamic的电机驱动产品，构成从设备端的Demo板，方便客户对整套IO-Link系统做评估。
单对以太网（SPE）是基于IEEE 802.3cg-2019规范打造的一种以太网物理层技术，其中一种标准就是10BASE-T1L。10BASE-T1L最高可以实现1km范围内高达10Mbps速度的传输，供电上也支持PoDL数据线供电。不仅如此，基于10BASE-T1L标准的Ethernet-APL也支持EtherNet/IP、HART IP、OPC UA、PROFINET等高级应用层网络协议。
ADI提供ADIN1100和ADIN1110这两大10BASE-T1L PHY和MAC PHY产品，后者集成了MAC，更适合对于MCU资源要求低的应用中，比如传感器。而对于需要打造环形网络拓扑的客户，ADI也提供了双端口的ADIN2111。
隔离式USB在工业现场中，主要出现在调试接口、命令参数配置接口和程序上传下载等应用上，具备免疫噪声、操作安全性等优势。ADI也提供了隔离等级不同的产品方案，ADuM3165、ADuM4165，于常涛重点提及了20kV的浪涌保护，这一特性在医疗等级要求中是比较突出的优势。
TI助力加速伺服驱动工业多协议总线通信
全球制造业正在经历新一轮的数字化和智能化升级，其中智能伺服驱动系统，特别是支持多协议总线的伺服产品是新一轮升级中重要的角色。智能制造系统需要更智能且更安全的工业互联网。本次研讨会上，TI技术支持经理卢璟介绍了TI如何助力加速伺服驱动工业多协议总线通信。
在智能工厂中，HMI、PLC、Sensors以及电机控制是自动化系统的四大组件。这四个组件之间实现互联互通是实现智能化的核心之一。由于目前工业通讯是多种以太网并存的局面，对于很多伺服厂家而言，提供多协议的伺服产品也成为了新的趋势。
根据TI的分析，工业数据通讯具有以下这些特点：首先网络拓扑比较简单，采用菊花链或者环形网络，数据交互的路由结构很清晰；其次数据传输的可确定性强，可预期、可规划；另一方面是数据传输的实时性可靠性要求高，比如与伺服控制响应的时间通常控制在几个ms到几十个ms之间，有些应用甚至要求微秒级别；同时数据同步的要求也非常高，在机器人的多轴联动上这个需求尤为突出。
伺服驱动电路通常分为数字域和模拟域，其中电机控制模块和通讯模块是重中之重。实现智能工厂中不同功能的伺服功能，可以采用集中式或者分布式的架构。TI技术支持经理卢璟介绍了TI针对伺服驱动的多协议总线方案。TI传统的分布式双片结构是采用专门的芯片来负责通讯，用C2000系列或者FPGA来处理电流环等功能，不同的通讯协议换上不同的通讯模块即可。分布式架构上TI还有Sitara加上C2000的解决方案，可拓展性强。
集中式的单芯片方案同样来自C2000和Sitara系列。如果只需要支持单种协议，C2000下的F2838x是很好的选择，可以快速地实现单轴或者双轴的伺服控制。如果需要支持多种协议，Sitara也能提供不同主频，是否具有LINUX系统的多种选择。C2000和Sitara系列有非常丰富的实时控制外设以及高性能运算内核，能够快速帮助设计人员设计出高性能的伺服驱动。
针对工业通讯微秒级别延迟的需求，TI则提出了FSI与SORTE方案。FSI，快速串行接口，在C2000与Sitara系列中都能支持。典型的应用场景包括替代并行总线完成板上信号传输，也可以用于分布式系统的板间传输。其亮点之一是管脚数非常少，4个pin脚就能达到百兆bps速率，传输延迟与CAN、CAN-FD以及EtherCAT相比，8bytes传输仅需1.04us，延迟之低可见一斑。
SORTE是TI的简单开放实时以太网。目前基于工业以太网的各种协议同步周期，最短也只能做到几十个微秒。对于需要在几个微秒就完成数据传输的场合，当前主要是通过分离的数字和模拟信号进行实现。SORTE也就是为了解决此类问题诞生，通过数据包方式代替传统模拟信号进行低延迟控制，实现更小的同步周期。其自带的校验也进一步提高了数据可靠性。
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