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德州儀器供稿 針對工業4.0的工廠自動化系統通常主要包括三個層級的設備，用于驅動實時通信和控制： 1. 在現場層級，I/O模塊、制動器和驅動器負責工廠內的物理運作； 2. 在控制層級，可編程邏輯控制器（PLC）或計算機數控（CNC）負責從現場級搜集信息并向現場發出指令； 3. 在操作員層級，人機界面（HMI）設備與操作員交互通信，同時操作員可以發出指令。 每一個層級都需要經優化的硬件和軟件解決方案來解決各自所面臨的嚴峻設計挑戰。其中，涉及到控制層級的挑戰尤其難以解決。 
由于通過一個控制器所支持的節點數量正在逐漸增加，除了能耗、長電源使用壽命和可靠性要求等與所有工業自動化設計相關的挑戰外，控制級設備的設計人員還面臨著某些特定的挑戰。更多的支持節點數量意味著整個工廠解決方案內所需的控制器數量就應該越少，以創建一個性價比更高的自動化解決方案，或者這些增加的節點都可以在工廠在得以應用，從而實現更高的自動化程度。然而，隨著支持的節點數量越來越多，處理器的性能也必須要同比提升，并且在此情況下仍然保持足夠低的功耗，這樣才可以避免增加封裝的尺寸。此外，大多數PLC在設計時都不需要添加風扇，因此功率損耗是設計方面的一個關鍵。 由于PLC和CNC同時控制工廠內的大量節點或功能，所以它們運營的實時性至關重要。對于一個解決方案而言，實現精準的定時需要兩個部分：一個是實時操作系統，另一個則是針對工業通信的靈活時間感知外設。實時操作系統（RTOS）在這些設備中被用于決策和控制延時，以滿足關鍵定時的需求。商用RTOS在工業控制領域中的廣泛應用已經長達數年，同時其在RT Linux®解決方案中的興趣也在不斷增加，這些解決方案在添加了工業自動化應用所需的時間感知和決策能力的同時，還具有Linux大型開源社區的全部優勢。 對于實時解決方案的通信外設部分而言，主要的需求是通過一個即使在需要增加節點數量的情況下，也能實現低延遲和較短協議周期時間的方法來支持工業現場的總線協議。當在單個設計中必須支持多個現場總線標準時，這會變成一個更加復雜的難題。為了使終端產品與EtherCAT、PROFINET、以太網/IP等多個也許已經在工廠中使用的標準兼容，多協議支持是必須的。通過硬件 (ASIC) 來滿足多協議支持是比較復雜的，其原因在于每個協議都可能需要屬于其自己的專門ASIC，因此每個支持的現場總線都需要不同的電路板設計。如果采用可編程方法的話，問題可能會變得簡單一些。在這些方法中，只需進行軟件或固件更改即可實現現場總線協議的變更。 為了使這個實時通信解決方案更加方便快捷，控制器需要大量外設接口，這是因為它們需要在多個層級上與工廠內的現場總線網絡、連接I/O的背板、制動器、驅動器或者其它控制器，以及那些使用OPC UA等協議進行數據采集來實現工廠診斷功能的服務器進行通信。所有這一切都需要用到大量的外設接口，特別是以太網接口。此外，還需要一個靈活的且可編程的通信解決方案。
圖片：可編程邏輯控制器和I/O卡 針對Sitara™ AM572x處理器的TMDXIDK5728工業開發套件 (IDK) 現在已經開始對外提供，用來評估控制層級工廠自動化解決方案。AM572x dual-core ARM® Cortex®-A15 處理器非常適合用于工業應用，這是因為它可以支持工業溫度范圍，實現高達100000小時的超長使用壽命，同時擁有實時軟件支持和大量的外設，例如針對可編程工業通信的雙PRU-ICSS（處理器實時單元—工業通信子系統）。TMDXIDK5728提供4個以太網端口，其中2個可來自千兆交換機，另外2個可來自PRU-ICSS（默認配置），或者4個端口均來自PRU-ICSS。TMDXIDK5728能夠基于AM57x評估TI針對工業現場總線協議最新發布的解決方案，這些解決方案由Processor-SDK-RTOS中的PRU-ICSS-INDUSTRIAL-SW提供。此外，提供TMDXIDK5728還能夠運行Processor-SDK-Linux-RT軟件包，該軟件包可提供TI主線Linux內核上經優化的RT Preempt補丁包，以實現實時工業自動化應用的開發。 |
