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全方位的工业4.0解决方案

发布时间:2022-05-18 来源:艾睿电子 责任编辑:wenwei

【导读】由工业4.0所带动的工业自动化改革,正在全面性地改变现代工厂的运作方式,提供更灵活的系统来因应快速变化市场的需求。本文将为您介绍工业4.0的最新发展趋势,以及由ADI所推出的全方位工业4.0解决方案的重点产品介绍。


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灵活的系统以快速适应不断变化的要求


随着工业4.0的出现,消费者的行为和需求也发生了变化,因此,制造商需要更灵活的系统来快速轻松地适应不断变化的要求。为此,制造商不能再依赖为大众市场产品设计的固定的大规模系统和可预测的需求。相反地,他们需要灵活的系统,此类系统支持快速重新配置,停机时间和资本投入也处于非常低的水平。


工业4.0的实施正在横扫每一个现代工厂运作,借助边缘到云计算、分析、软件可配置系统等方面的重大技术进步,有望极大地提高生产力、灵活性和安全性。工业4.0的核心是希望通过大数据获利,进一步提高生产力和效率,通过从工厂设备中可靠地获取各种数据,便可以支持状态监控和预测性维护等先进功能,改变工业操作和维护工厂设备及厂房的方式。


ADI看好工业4.0应用的发展,推出了各种相关的解决方案,包括软件I/O、以太网连接、状态监控(CbM)、可编程逻辑控制器(PLC)和分布式控制系统(DCS)等,都有相当完整的解决方案,以下将为您介绍相关的技术发展与重点产品的功能特性。


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软件可配置硬件帮助实现工业I/O模块的灵活性


不管是用于过程控制安装还是工业自动化系统,I/O模块或现场接线盒在整个产品生命周期中都面临着各种独特的挑战。产品管理层需要决定每个产品使用多少个通道以及进行哪些组合。电子设计人员必须决定如何对项目中的各种模拟或数字信号实现出色性能以及成本高效的系统。所有不同的产品和大量接线图可能使安装技术人员心力交瘁。ADI公司的新产品系列软件可配置输入/输出(SWIO)IC便可实现此目标,它可随时支持引脚上的几乎任意功能和组合。SWIO组件不仅可支持其通道作为输入或输出编程,而且支持作为模拟或数字编程。此外,还可对它们进行高效设置,用于读取2线或3线RTD或热电偶。


以ADI的四通道SWIO器件AD74413R为例,该器件旨在满足流程控制、工厂自动化或楼宇控制应用,是用于工业输入和输出操作的完全集成式整体解决方案。AD74413R包含用于模拟输出、模拟输入、数字输入、电阻温度检测器(RTD)和热电偶测量的功能。这些功能通过串行外设接口(SPI)集成在一个单芯片解决方案中。


AD74413R具有一个16位、∑-Δ ADC和四个13位DAC,采用支持–40℃至+105℃工作温度范围的9 mm × 9 mm、64引脚LFCSP封装。每个通道均采用通过时钟高达24 MHz的SPI总线写入配置寄存器的方式来配置。用户可通过AD74413R寄存器图改进每个操作模式的默认配置。


AD74413R可提供多种模式,这些模式是电压输出、电流输出、电压输入、外部供电的电流输入、环路供电的电流输入、外部RTD测量、数字输入逻辑和环路供电的数字输入。AD74413R包含一个高精度2.5 V内部基准电压源,用于驱动DAC和ADC。


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10BASE-T1L网络是工厂运营模式转变的重要推动因素


基于100BASE-TX/10BASE-T的现有工业以太网解决方案通过带PoE的Cat-5或Cat-6e电缆提供高达100 Mb的高数据带宽和功率,但覆盖距离限于100 m,且不支持危险区域使用场景,因为这些是高功率解决方案。


2019年11月对IEEE 802.3cg标准的认可,标志着引入工厂操作员在网络边缘连接设备截然不同的新方式,使他们不再受到基于传统4 mA至20 mA和HART®通信接口的基础设施的限制。802.3cg标准也称为10BASE-T1L,是一种工业以太网网络协议。通过该协议,可以打破在工厂执行一线服务的基本操作设备(传感器、阀、执行器和控件)与实现新智能工厂智能的企业数据、比特和字节库之间的屏障。10BASE-T1L网络将成为向数据和分析驱动型工厂运营模式转变的重要推动因素。


ADI公司推出的10BASET1L PHY ― ADIN1100,是一款面向工业以太网应用的低功耗单端口10BASE-T1L收发器,可以在超过1000米长的单条双绞线上实现更低功耗的以太网连接,其功耗仅为39 mW。将单对以太网供电(SPoE)或工程电源解决方案与10BASE-T1L PHY相结合,可支持通过单条双绞线电缆提供电源和数据。


ADIN1100符合IEEE 802.3cg以太网标准,支持长程10 Mb/s单对以太网应用。该器件集成了以太网PHY内核,以及所有相关的模拟电路、输入和输出时钟缓冲、管理接口控制寄存器和子系统寄存器,以及MAC接口和控制逻辑,以便管理复位和时钟控制以及引脚配置。


ADIN1100的内核支持标准中定义的1.0 V峰峰值工作模式和2.4 V峰峰值工作模式,可采用1.8V或3.3V单电源轨供电,提供低电压选项,支持1.0 V峰峰值发射电压电平。ADIN1100采用6 mm × 6 mm 40引脚封装,并集成电源监控电路和上电复位电路,可提高系统级稳固性。


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状态监控使用传感器来测量机器或资产的健康状态


状态监控(CbM)是涉及使用传感器来测量与监控当前机器或资产的健康状态,预测性维护(PdM)需要组合使用CbM、机器学习和分析等多种技术,以预测未来的资产维护周期或可能发生的故障。关于CbM的发展趋势,维护和设备管理人员现在有了新的选择,比如无线装置,以及更低成本的高性能装置。虽然大部分CbM系统的基础设施保持不变,但现在我们可以将新的MEMS技术直接集成到以前主要采用压电式传感器,或因成本障碍而未进行监控的系统中。


ADI推出的ADXL1002是一款具有模拟输出的单平面轴加速度计,这款MEMS传感器可在具有两个满度范围选项的拓展频率范围内提供超低的噪声密度,并且提供优化的工业条件监测能力。ADXL1002(±50 g)分别具有25 μg/√Hz的典型噪声密度,这款加速度计器件具有稳定、可重复的灵敏度,并且可以承受高达10,000 g的外部冲击。


ADXL1002拥有集成的全静电自检(ST)功能和超范围(OR)指示器,可以提供先进的系统级功能并可用于嵌入式应用。凭借低功耗和3.3 V至5.25 V的单电源供电,ADXL1002还允许进行无线感测产品设计,采用5 mm × 5 mm × 1.80 mm LFCSP封装,可在−40℃至+125℃的温度范围内工作。


MEMS传感器能以更低的成本提供相当不错的性能,ADXL1002的SNR为83 dB,但与压电传感器相比,其成本低10倍以上。MEMS传感器现在已可替代除最高性能的压电传感器以外的所有传感器,且成本相当低廉。


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工业PLC与DCS要求设备配置具备灵活性


PLC一种具有微处理器的数字电子装置,用于自动化控制的数字逻辑控制器,可以将控制指令随时加载内存内进行存储与执行,DCS则是工厂或是制程中使用的电脑化控制系统,一般其中会有几个控制回路,自主的控制器分散在系统中,没有中央操作员的监控。对于过程控制或工厂自动化中的工业PLC或DCS,最终客户和应用的要求不同,加上由于工业系统变得越来越分散,因此对容量、可配置性和效率的需求亦越来越高。


ADI推出的AD4114/AD4115是两款低功耗、低噪声24位Σ-∆型模数转换器(ADC),它集成了一个模拟前端(AFE),支持全差分或单端高阻抗(≥1 MΩ)、双极性±10 V电压输入。AD4114/AD4115集成了关键的模拟和数字信号调变模块,可针对所用的每个模拟输入信道配置八种独立设置。对于完全建立的数据,AD4114的最大信道扫描速率为6.21 kSPS(161 μs),AD4115则为24,845 kSPS(40.25 μs)。


AD4114/AD4115具有嵌入式2.5 V、低漂移(±5 ppm/℃)带隙内部基准电压源(带输出基准电压缓冲器)减少了外部组件数量。AD4114/AD4115的数字滤波器提供灵活的设置,包括以27.27 SPS输出数据速率实现50 Hz和60 Hz同时抑制。用户可以根据应用中每个通道的要求,选择不同的滤波器设置。自动通道时序控制器能够让ADC在每个使能的通道之间切换。


AD4114/AD4115的精密性能通过集成ADI公司专有的iPassives®技术来实现,在出厂时已进行校准,可实现高精度性能。AD4114/AD4115采用单电源供电,简化了在电气隔离中的应用。AD4114/AD4115采用40引脚、6 mm×6 mm LFCSP封装,额定工作温度范围为−40℃至+105℃。


结语


随着消费者行为和期望的变化,以及对定制化需求的增加和更快的周转时间,正迫使制造商改变他们的运营方式,工业4.0正是因应这些改变趋势的解决方案。ADI针对工业4.0的各项需求,推出了各种相应的解决方案,由于产品线众多,本文仅能重点介绍几样产品,还请上ADI官网以了解更多的相关产品信息。



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