HMI+PLC+传感器+马达控制的工业自动化系统

概要

在当今竞争日益激烈的全球市场中，高效的工业生产能力通常取决于每间工厂自动化系统的速度、精度和可靠度。即使是在一些低劳动力成本的地区，制造厂商们也渴望提高其自动化系统的精密度，因为他们知道，如果不这么做就会危及其在全球经济中的位置。

工业自动化的心脏是新一代高级智能传感器，它让产品生产线持续运行，通过低延迟和实时网络，连接至高性能可编程逻辑控制器(PLC)以及人机界面(HMI)系统。当然，对制造厂商而言，时间就是金钱。只要制造的产品能够达到规定质量水平，高效的生产线就会尽可能快地持续运行。高速、可靠的传感器必须非常迅速(数毫秒甚至更快)地监控或者测量生产线的各种状态。之后，网络必须以最小时间的延迟、且不中断生产的情况下，传输这种信息。我们需要大量的工业通信协议来实现所要求的关键通信性能，例如：PROFIBUS/PROFINET、Ethernet/IP、EtherCAT、POWERLINK、SERCOS III等。另外，如PLC等处理元件必须正确地实时响应，否则会影响生产率，造成损失利润(参见下面图1)。

德州仪器公司(TI)在向工业自动化提供全面高性能、高效、可扩展技术方面，拥有丰富的经验。德州仪器广泛的模拟和嵌入式处理器产品系列可助力广大客户设计完整的系统级解决方案。本文重点介绍的TI的创新型高差异化解决方案，它让工业通信成本更低、接入更方便，并推进自动化和生产效率的提升。

图1 HMI+PLC+传感器+马达控制的工业自动化系统

工业自动化介绍

典型的工业自动化系统一般由四大部分组成，它们之间可以实施低延迟和实时高速的通信。这四大组成部分分别为：传感器、人机界面、PLC和马达驱动器。

传感器

现代工厂自动化系统的信息和数据传输越来越依赖于智能传感器。从前，传感器只负责监控和测量，却不分析。而现在，随着传感器变得更加智能，它们能够更好地对其所检测的工作进行评估，并能实时地完成任务。传感器的诸多功能包括检测温度、运动、光学对象和位置、重量、加速度、化学成分、气体、气压或者其他压力、液体流动以及物理世界的其它方面。

人机界面(HMI)

人机界面是与操控者进行通信的某个单元或者子系统。使用当前一流的技术，大多数工业自动化系统的人机界面都集成了图形显示子系统，例如：触摸屏等，因为这类系统直观、简单易学。

可编程逻辑控制器(PLC)

一般而言，PLC均为基于微控制器或者处理器的系统，它们所接收的信息来自于分布在工厂内的各种传感器以及系统操作员。根据这两种信息源所提供的信息，PLC发起动作来控制生产线的过程。

马达驱动器

马达驱动器是对PLC指令做出实际响应的一些机器零件。例如，在汽车组装工厂，传感器向PLC提供汽车车身位置的相关信息。PLC便会对这种信息做出响应，向马达控制单元发出指令，让其控制机械臂对汽车进行点焊。

在工业自动化系统中，这四大部分的连接是通过高速、低延迟网络实现的。这个网络确保对PLC对传感器或者操作员信息输入做出快速响应。总的来说，当今的工业自动化系统是实时、具有决策能力的高精密系统，能够精确控制高速生产过程。

未来面临的挑战

工业自动化将面临的基本挑战与我们已经克服了的一些挑战一样。为了取得更好的结果，控制系统必须继续提高其实时响应能力、可靠性、精确性、精密性和整体成熟度。要想满足这些要求，一个必不可少的条件是不断发展组网和其它联网技术。

在工业自动化市场上，有超过120种串行通信标准和25种基于以太网的协议，它们都可以部署于我们今天的工厂里。问题是，我们缺少的并不是解决方案，而是它们的多样性，以及部署它们的方法。

每一种流行的工业通信协议，例如：PROFIBUS/PROFINET、EtherCAT、Ethernet/IP等，均有一个或者多个重要的传感器、PLC、HMI和马达驱动器供应商在背后提供支持。使用多家厂商的组件来实现工业自动化系统，通常会要求部署多家厂商支持的数种通信协议。这便增加了整体系统的复杂度，并且拉高了成本。例如，当今的许多自动化系统一般都使用一种中央处理器(CPU)来运行应用程序，然后再使用另一种离散组件，例如：应用程序专用集成电路(ASIC)或者现场可编程门阵列(FPGA)，专门用于通信协议处理。在一些被通信协议视作从设备的自动化组件中，更是如此。

大多数工业自动化通信协议均使用了分级主/从构架。主设备一般为PLC，要不就是一些智能控制单元。从设备一般为马达驱动器以及一些不发起动作或者控制过程的传感器。为了实现自动化系统承载网络所需的高速、低延迟通信，许多协议增强了与这些从设备有关的媒体访问(MAC)层功能。这给从设备