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就微控制器在行業(yè)中的設(shè)計和應(yīng)用來說，沒有哪個行業(yè)像工業(yè)自動化和控制領(lǐng)域發(fā)展得如此迅速。由于中國及亞洲其它地區(qū)主要制造工廠自動化程度的提高，新技術(shù)被用來提高效率，因此對制造成本以及產(chǎn)品成本有重要的影響。盡管集中控制可以改善任何特定制造工藝的整體可視性，但是可能并不適合那些響應(yīng)延時和處理延遲會導(dǎo)致故障的一些關(guān)鍵應(yīng)用。 本文將介紹這種關(guān)鍵應(yīng)用的幾個實例，對于智能和處理能力增加到接近工藝節(jié)點的應(yīng)用，會大大的影響效率和可靠性的改善。新的系統(tǒng)級芯片設(shè)計提供必要的智能來實現(xiàn)關(guān)鍵的加工測量和這些參數(shù)的控制。本文還將討論幾種SoC設(shè)計中特殊的改進，解決當(dāng)今快速增長的工業(yè)領(lǐng)域中設(shè)計和選擇微控制器所面臨的設(shè)計挑戰(zhàn)以及相關(guān)的解決方案。 從歷史的角度來看，主要依靠那些具有非常有限制造知識的手工業(yè)者來制造商品的時代并不遙遠，例如鞋、帽子、衣服、器皿以及其它物品。產(chǎn)品的質(zhì)量和數(shù)量取決于特定手工業(yè)者的技能和這個行業(yè)的人數(shù)。最初的生產(chǎn)線實現(xiàn)了產(chǎn)量的增加，隨之而來的是提高了產(chǎn)品的質(zhì)量。任何指定產(chǎn)品的制造被分割成簡單的分離步驟，每個步驟由生產(chǎn)線上的一個工人重復(fù)地處理，然后這個工人再將半成品轉(zhuǎn)送到下一個操作者。每一個操作人員僅僅接受針對某個特定步驟有限的培訓(xùn)，整體的處理流程由領(lǐng)班或主管負(fù)責(zé)。使用不熟練的或半熟練的勞力就可以確保質(zhì)量、數(shù)量的快速提高，以及消費產(chǎn)品的可用性。 這些手工業(yè)者和早期組裝線操作人員的分離步驟在之后實現(xiàn)了機械化，這實現(xiàn)了從人力資本(人)到控制正在日益中央化的本地機械化工藝流水線的轉(zhuǎn)移。隨著中央控制的增加，任何特定工藝步驟的可視性(特別是在早期)越來越低，中央控制指令發(fā)布到實際執(zhí)行的延時變得越來越長。某些時候，作為集中控制相關(guān)的響應(yīng)時間延時的產(chǎn)生和影響的函數(shù)，整個工藝的吞吐量的影響比每個單獨的工藝步驟的限制還要大。 當(dāng)前的工藝優(yōu)化策略包括從模擬到數(shù)字I/O(傳感器和驅(qū)動器)的轉(zhuǎn)化、分離工藝步驟的銜接，以及從單一的集中控制拓?fù)涞揭粋�分布式的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)遷移。由于智能的需求需要更進一步靠近工藝節(jié)點以及每個步驟/任務(wù)，大型的通用工作站以及處理器讓位于更專用的解決方案，例如微控制器和FPGA實現(xiàn)。 隨著更多的處理和判決的實現(xiàn)脫離本地，以及客戶服務(wù)器中央控制模型變成一個類似“對等”的分布式模型，這就需要向更先進的混合信號SoC發(fā)展。像PLC和I/O模塊、溫度/工藝控制器、CNC機床這樣的設(shè)備類型，以及例如流量/高度測量、編碼器/解析器、測量儀/指示器/極限報警、電機保護以及斷路器等其它應(yīng)用，將成為進一步改進本地智能的主要應(yīng)用，這些將以單芯片的形式實現(xiàn)，這些單芯片中將集成多通道、混合信號A/D轉(zhuǎn)換以及專用的h/w處理和輔助的MCU系統(tǒng)管理。 利用PLC和I/O模塊、電機驅(qū)動控制器和多軸控制器的一個實例是典型的包裝應(yīng)用，這種應(yīng)用包括一個用于卷繞材料的退繞輥子、一個用于傳送需要包裝物品的進料裝置，以及一些封口位置和一個完成包裝后移走物品的傳送裝置。 當(dāng)被包裝材料的注冊信息比較差、包裝材料的張力不一致以及封裝較差時，這種系統(tǒng)的開環(huán)控制通常導(dǎo)致低的吞吐量(效率)和較差的質(zhì)量。最終的結(jié)果就是因為額外的QA檢查、監(jiān)控以及產(chǎn)品損壞而增加了單位成本，且不說連續(xù)監(jiān)控所增加的額外人力成本(見圖1)。 圖1：工業(yè)控制中的開環(huán)系統(tǒng)示意圖。 相同系統(tǒng)的閉環(huán)作業(yè)將增加參數(shù)的監(jiān)控和反饋功能，例如輥子的扭矩、速度和輥子上剩余材料的數(shù)量(長度)、進料和出料傳送裝置的速度/張力、封口輥子的溫度和壓力、待包裝產(chǎn)品的注冊/定位以及任何一個關(guān)鍵單元的震動。上面例子中主電機驅(qū)動函數(shù)(速度、張力和位置)的控制可以看成是一個伺服系統(tǒng)，可以通過增加像溫度和振動這類的二次測量來實現(xiàn)。 在伺服系統(tǒng)中，通過位置、速度/角速度和電流環(huán)實現(xiàn)閉環(huán)操作(見圖2)。 圖2：在伺服系統(tǒng)中，通過位置、速度/角速度和電流環(huán)實現(xiàn)閉環(huán)操作。 位置環(huán)路通過輸出一個帶有由編碼器或解析器提供的旋轉(zhuǎn)角度反饋信息的速度/角速度命令，使電機的旋轉(zhuǎn)角度能達到所要求的位置。速度環(huán)路通過環(huán)路中的這一部分來控制由位置環(huán)路所設(shè)定的電機旋轉(zhuǎn)速度，環(huán)路由來自編碼器或解析器的反饋數(shù)據(jù)來關(guān)閉。速度環(huán)路輸出是電流環(huán)路的輸入，它為電機提供實現(xiàn)指定位置和速度的電流。電機電流值被反饋到電流環(huán)路，將命令和響應(yīng)值之間的差值盡可能地減小到零。Teridian公司獲得專利的單轉(zhuǎn)換器技術(shù)架構(gòu)和應(yīng)用在其用于測量單相或多相功率測量的能量測量器件71M651x系列中的技術(shù)非常適用于這些類應(yīng)用要求的高精度電流測量。 一種用作斷路器和繼電器保護的漏電跳閘器的新器件——71M6403也非常適合上面談到的包裝應(yīng)用中的電機保護。利用Teridian公司的專利的單轉(zhuǎn)換器技術(shù)，71M6403集成了22位的Δ-∑ ADC、6主1次的電流傳感器輸入、數(shù)字溫度補償、精確的電壓基準(zhǔn)、32位的可編程計算引擎、定時器、實時時鐘(RTC)、兩個UART和一個單周期執(zhí)行8位MCU。 采用內(nèi)置的數(shù)字di/dt積分器，這種可編程器件支持電流變換器或者Rogowski線圈，用于任何或所有輸入通道，并提供瞬態(tài)和延時的過電流、地泄漏、接地故障、電弧故障保護功能。而且，器件可能被配置成支持?jǐn)?shù)量任意的、能夠適于現(xiàn)場特定負(fù)載的傳統(tǒng)和慣用保護算法。可編程32位計算引擎(CE)接收和處理來自22位A/D轉(zhuǎn)換器的所有傳感器數(shù)據(jù)，同時獨立于8位MCU運行，8位MCU負(fù)責(zé)處理更高的系統(tǒng)層面的管理和通信任務(wù)。這種混合信號測量子系統(tǒng)的分離以及管理子系統(tǒng)能夠提供高速度、高可靠性和優(yōu)異的動態(tài)范圍，沒有外部中斷或不必要的處理開銷。 整合一個多路復(fù)用輸入到22位Δ-∑ A/D轉(zhuǎn)換器，實現(xiàn)了最低成本，還改善了增益一致性、偏移一致性、降低了串?dāng)_并增強了設(shè)計靈活性。此外，Teridian公司的71M8100測量控制器器件利用相同的高性能架構(gòu)開發(fā)，能夠共享很多相同的功能，此外還有三個輸入可以被用于感測和控制二級參數(shù)，例如溫度、振動、流程、壓力和濕度等。 總而言之，通過利用更專用的SoC解決方案來實現(xiàn)閉環(huán)系統(tǒng)，降低了延時時間，工藝流程智能和控制可以從集中模式轉(zhuǎn)移到分布模式，不僅提高了效率和質(zhì)量，還相應(yīng)地降低了單位成本。進一步講，出現(xiàn)了進一步提高工業(yè)自動化、保護和控制的創(chuàng)新機會，并且可以用相同的基本芯片級架構(gòu)來解決。 |
