EEPW论坛

由Miro Adzan和Thomas Leyrer共同撰写

当今的终端设备市场需要更短的产品生命周期、更多的单独配置产品及快速适应瞬息万变的消费者权益。在制造车间，关键参数包括较低的资源利用率，特别是更低的功率、更快的制造时间和更低的生产停机时间。这些要求需要一个更复杂、更智能的工厂，利用云，并使用远程大数据分析功能优化并适应制造流程，增强在整个生命周期跟踪产品的能力。

机器和生产单元与互联网的联系实现了过程数据的实时视图。机器与产品的联系还提供了产品数据的实时视图。由工业服务机器人操作的自动化机器和生产单元处理原材料和生产部件。在生产过程中进行产品和机器质量检查，以进一步缩短周期时间。这种方式减少了人机互动，并在生产过程中聚焦更高价值的任务。

创新的突破使得工业4.0成为现实。许多意义非凡的技术是由像德州仪器这样的工程公司实现的。对于TI来说，解决子系统设计挑战至关重要，这将提高包括效率和灵活性在内的智能制造设计，同时提供制造流程的实时视图、连通性和通信。

以下为促成更智能、更高效制造的工业4.0的一些关键技术：

• 兼容的工业通信。为了获得完整制造系统的透明视图，所有数据必须通过具有共同格式的工业通信技术提供。您可能听说过“IT连接到OT”这一短语。这意味着信息技术（IT）世界使用互联网协议（IP）和更高层协议来实现安全的Web访问。操作技术（OT）世界使用专用的现场总线和工业以太网，其通常仅使用以太网标准，而不使用基于软件的网络堆栈组件。这种现场级和企业级之间的不兼容性要求将兼容层定义为工业4.0框架的一部分。将开放平台通信统一架构（OPC UA）连接到较高层，并将现场总线连接到较低层的工业4.0网关是兼容性问题的短期解决方案。

将通信扩展到产品级需要低功耗通信。射频识别RFID是获得产品和机器通信的关键技术。将传感器部署在产品附近和机器处时，电源通过电缆。IO-Link通过双向数字通信为基本开/关状态通信的扩展建立标准。IO-Link网关使用工业以太网或无线LAN直接与OPC UA通信。对于手动操作员的检查，Bluetooth®低能量连接将数据发送到移动终端。

• 高精度传感。生产过程的效率很大程度上取决于工业传感技术。小批量的机床设置时间变得更加重要。尽管仍需要在线碰撞避免系统，但工具、工件和夹具之间避免碰撞可进行离线模拟。许多材料和工具需要水冷却，这使得光学传感器难以检测碰撞。在灰尘和潮湿环境中工作的扫描仪是必需品。

机床在其使用寿命期间会出现故障且生产质量也会降低。机床的连续力感测可在早期指示机床断裂情形。机床质量会影响温度传感器和声学传感器的数据。预测性维护是一个潮词，其描述了尽早更换早期预示有机床断裂情形的概念，而不会影响生产流程或生产质量。

机床的多轴控制使用闭环运动来定位刨槽机或材料。尺寸和表面的公差具有来自轴、机床和夹具的机械方差的额外方差。使用线性编码器和激光距离传感器的精确距离测量用于机器校准、运动控制和质量监控。

制造过程取决于诸如温度和湿度等环境数据。主动冷却和清洁系统对环境条件有影响。用于液体和空气的流量传感器为机床的环境系统提供输入。

• 电机驱动和控制效率。电机是生产系统中需要大部分能量的组件。具有闭环电流、速度和位置控制的变频驱动器实现了对功耗有直接影响的动态转矩曲线。通过绝对编码器对隔离和转子位置测量的高精度电流测量为每个控制周期提供控制算法。除了高效的电机控制算法外，功率级的效率是功耗的关键因素。氮化镓（GaN）晶体管的更快的开关频率降低了生产单元中的电动机驱动系统的功率。

现代生产单元具有四个一起工作的主要子系统：定义整个生产过程的计算机数字控制（CNC）系统、驱动生产用电动机和致动器的运动控制子系统、用于其它传感和控制应用的可编程逻辑控制（PLC）系统，以及用于材料处理的服务机器人。

• 嵌入式处理。提高生产系统的效率和灵活性体现在许多方面。工业通信、工业传感和工业控制构成了智能工厂的基础。本地智能在嵌入式微控制器和微处理器上运行。得到的产品和过程数据通过无线和有线工业通信被发送到用于大数据分析的工业云。

工业4.0演示墙

我们展示了几个工业演示，帮助利用TI半导体解决方案实现工业4.0和未来智能工厂。请莅临2016年德国慕尼黑电子展（electronica 2016）的TI展位（A4展厅，219展位）和德国纽伦堡自动化展的TI展位（展位＃6-441）亲睹它们的风采。针对我们计划展示的内容，您可先睹为快。

TI的工业4.0演示墙将采用最新的TI参考设计和创新，通过EtherCAT网关实现实时以太网通信功能。我们的传感器通信采用IO-Link等有线技术和蓝牙®低功耗等无线技术。TI的GaN技术与具有电流感测功能的48 V 3相GaN基逆变器一起展示，有助于提高变速电机驱动器的效率。

TI演示墙突显工业电机驱动控制的创新。

以下是TI工业4.0演示墙上每个参考设计的更多详细信息，可在TI.com.cn上下载。

工厂自动化和控制：

• 通过BLE连通性驱动的现场变送器参考设计：该现场变送器设计测量湿度和温度。它使用Bluetooth®低能量报告测量值。该设计的回路电源为4至20 mA电流，回路上的电流值根据湿度值变化。

• IO-Link传感器变送器参考设计：该参考设计为IO-Link传感器变送器提供了快速原型开发平台。由于其模块化设计，可轻松切割不同的区段，允许任何模拟或数字传感器实现快速简易连接。

• 单芯片，回路供电4-20mA RTD传感器变送器参考设计；该设计中的内置处理器支持使用补偿算法，提高系统性能。该参考设计非常适合空间受限的应用，并以低功率性能在高环境温度下运行。

• 用于具有模拟4-20mA输出的传感器的IO-Link适配器参考设计：该设计评估工业环境中传感器的二进制或模拟4-20mA输出信号，并通过IO-Link将结果转发到PLC。所有这些都适用于与工业标准M12连接器兼容的6mm宽PCB。

• 隔离回路供电热电偶变送器参考设计：本参考设计系统解决方案为4至20 mA隔离电流回路应用提供精确的K型热电偶测量。该解决方案可帮助设计人员快速原型化并开发用于过程控制和工厂自动化的最终产品。

工业电机驱动：

• 增强隔离的参考设计：具有电流、电压和温度保护的三相逆变器。实现提供卓越增强隔离能力和开关损耗减少的功率级。

• 符合EMC标准的单芯片解析器到数字转换器（RDC）参考设计：与传统RDC解决方案相比，该解决方案降低了系统成本，并减小了电路板空间，且提供片上保护和诊断功能，以提高抗短路能力并通过检测外部故障条件增强安全性。

• 用于无刷电机的48-V 10-A三相高频氮化镓（GaN）基逆变器参考设计：TI将LMG5200半桥GaN功率模块与更快、更精确的电流感测放大器相结合，创建了一个可实现更高效、更小电机设计的参考设计。

• 采用48V三相逆变器的基于分流的在线相电流检测：基于在线相位分流的电流测量允许连续相电流测量，以获得更佳的驱动性能和高AC共模抑制，允许从低-高PWM频率，并在未校准的情况下在整个温度范围内的高增益和偏移精度条件下进行精确的电流检测。

• 具有多协议以太网功能的符合EMC协议的EtherCAT从站：该参考设计为多协议以太网功能提供了极大的灵活性，包括一个双端口EtherCAT从站，带有用于PROFIBUS和多协议RT以太网的HW选项。它还包括一个成本优化的电源管理集成电路，为整个板提供电源，设计符合IEC61000-4-2，4-4和4-5 EMC抗扰性。

其他信息：

• ·           新白皮书：通过TI的Avner Goren和Miro Adzan的预测性维护，让工厂变得更智能、更高效。

• 有关工业4.0的更多信息和参考设计。

• TI工厂自动化与控制和电机驱动的产品和子系统设计专业知识。

• 阅读博客“智能工厂自动化系统中的控制级设计挑战”。