【導讀】由工業(yè)4.0所帶動的工業(yè)自動化改革，正在全面性地改變現(xiàn)代工廠的運作方式，提供更靈活的系統(tǒng)來因應快速變化市場的需求。本文將為您介紹工業(yè)4.0的最新發(fā)展趨勢，以及由ADI所推出的全方位工業(yè)4.0解決方案的重點產(chǎn)品介紹。
靈活的系統(tǒng)以快速適應不斷變化的要求
隨著工業(yè)4.0的出現(xiàn)，消費者的行為和需求也發(fā)生了變化，因此，制造商需要更靈活的系統(tǒng)來快速輕松地適應不斷變化的要求。為此，制造商不能再依賴為大眾市場產(chǎn)品設計的固定的大規(guī)模系統(tǒng)和可預測的需求。相反地，他們需要靈活的系統(tǒng)，此類系統(tǒng)支持快速重新配置，停機時間和資本投入也處于非常低的水平。
工業(yè)4.0的實施正在橫掃每一個現(xiàn)代工廠運作，借助邊緣到云計算、分析、軟件可配置系統(tǒng)等方面的重大技術進步，有望極大地提高生產(chǎn)力、靈活性和安全性。工業(yè)4.0的核心是希望通過大數(shù)據(jù)獲利，進一步提高生產(chǎn)力和效率，通過從工廠設備中可靠地獲取各種數(shù)據(jù)，便可以支持狀態(tài)監(jiān)控和預測性維護等先進功能，改變工業(yè)操作和維護工廠設備及廠房的方式。
ADI看好工業(yè)4.0應用的發(fā)展，推出了各種相關的解決方案，包括軟件I/O、以太網(wǎng)連接、狀態(tài)監(jiān)控（CbM）、可編程邏輯控制器（PLC）和分布式控制系統(tǒng)（DCS）等，都有相當完整的解決方案，以下將為您介紹相關的技術發(fā)展與重點產(chǎn)品的功能特性。
軟件可配置硬件幫助實現(xiàn)工業(yè)I/O模塊的靈活性
不管是用于過程控制安裝還是工業(yè)自動化系統(tǒng)，I/O模塊或現(xiàn)場接線盒在整個產(chǎn)品生命周期中都面臨著各種獨特的挑戰(zhàn)。產(chǎn)品管理層需要決定每個產(chǎn)品使用多少個通道以及進行哪些組合。電子設計人員必須決定如何對項目中的各種模擬或數(shù)字信號實現(xiàn)出色性能以及成本高效的系統(tǒng)。所有不同的產(chǎn)品和大量接線圖可能使安裝技術人員心力交瘁。ADI公司的新產(chǎn)品系列軟件可配置輸入／輸出（SWIO）IC便可實現(xiàn)此目標，它可隨時支持引腳上的幾乎任意功能和組合。SWIO組件不僅可支持其通道作為輸入或輸出編程，而且支持作為模擬或數(shù)字編程。此外，還可對它們進行高效設置，用于讀取2線或3線RTD或熱電偶。
以ADI的四通道SWIO器件AD74413R為例，該器件旨在滿足流程控制、工廠自動化或樓宇控制應用，是用于工業(yè)輸入和輸出操作的完全集成式整體解決方案。AD74413R包含用于模擬輸出、模擬輸入、數(shù)字輸入、電阻溫度檢測器（RTD）和熱電偶測量的功能。這些功能通過串行外設接口（SPI）集成在一個單芯片解決方案中。
AD74413R具有一個16位、∑-Δ ADC和四個13位DAC，采用支持–40℃至+105℃工作溫度范圍的9 mm × 9 mm、64引腳LFCSP封裝。每個通道均采用通過時鐘高達24 MHz的SPI總線寫入配置寄存器的方式來配置。用戶可通過AD74413R寄存器圖改進每個操作模式的默認配置。
AD74413R可提供多種模式，這些模式是電壓輸出、電流輸出、電壓輸入、外部供電的電流輸入、環(huán)路供電的電流輸入、外部RTD測量、數(shù)字輸入邏輯和環(huán)路供電的數(shù)字輸入。AD74413R包含一個高精度2.5 V內(nèi)部基準電壓源，用于驅(qū)動DAC和ADC。
10BASE-T1L網(wǎng)絡是工廠運營模式轉(zhuǎn)變的重要推動因素
基于100BASE-TX/10BASE-T的現(xiàn)有工業(yè)以太網(wǎng)解決方案通過帶PoE的Cat-5或Cat-6e電纜提供高達100 Mb的高數(shù)據(jù)帶寬和功率，但覆蓋距離限于100 m，且不支持危險區(qū)域使用場景，因為這些是高功率解決方案。
2019年11月對IEEE 802.3cg標準的認可，標志著引入工廠操作員在網(wǎng)絡邊緣連接設備截然不同的新方式，使他們不再受到基于傳統(tǒng)4 mA至20 mA和HART?通信接口的基礎設施的限制。802.3cg標準也稱為10BASE-T1L，是一種工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡協(xié)議。通過該協(xié)議，可以打破在工廠執(zhí)行一線服務的基本操作設備（傳感器、閥、執(zhí)行器和控件）與實現(xiàn)新智能工廠智能的企業(yè)數(shù)據(jù)、比特和字節(jié)庫之間的屏障。10BASE-T1L網(wǎng)絡將成為向數(shù)據(jù)和分析驅(qū)動型工廠運營模式轉(zhuǎn)變的重要推動因素。
ADI公司推出的10BASET1L PHY ― ADIN1100，是一款面向工業(yè)以太網(wǎng)應用的低功耗單端口10BASE-T1L收發(fā)器，可以在超過1000米長的單條雙絞線上實現(xiàn)更低功耗的以太網(wǎng)連接，其功耗僅為39 mW。將單對以太網(wǎng)供電（SPoE）或工程電源解決方案與10BASE-T1L PHY相結(jié)合，可支持通過單條雙絞線電纜提供電源和數(shù)據(jù)。
ADIN1100符合IEEE 802.3cg以太網(wǎng)標準，支持長程10 Mb/s單對以太網(wǎng)應用。該器件集成了以太網(wǎng)PHY內(nèi)核，以及所有相關的模擬電路、輸入和輸出時鐘緩沖、管理接口控制寄存器和子系統(tǒng)寄存器，以及MAC接口和控制邏輯，以便管理復位和時鐘控制以及引腳配置。
ADIN1100的內(nèi)核支持標準中定義的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單電源軌供電，提供低電壓選項，支持1.0 V峰峰值發(fā)射電壓電平。ADIN1100采用6 mm × 6 mm 40引腳封裝，并集成電源監(jiān)控電路和上電復位電路，可提高系統(tǒng)級穩(wěn)固性。
狀態(tài)監(jiān)控使用傳感器來測量機器或資產(chǎn)的健康狀態(tài)
狀態(tài)監(jiān)控（CbM）是涉及使用傳感器來測量與監(jiān)控當前機器或資產(chǎn)的健康狀態(tài)，預測性維護（PdM）需要組合使用CbM、機器學習和分析等多種技術，以預測未來的資產(chǎn)維護周期或可能發(fā)生的故障。關于CbM的發(fā)展趨勢，維護和設備管理人員現(xiàn)在有了新的選擇，比如無線裝置，以及更低成本的高性能裝置。雖然大部分CbM系統(tǒng)的基礎設施保持不變，但現(xiàn)在我們可以將新的MEMS技術直接集成到以前主要采用壓電式傳感器，或因成本障礙而未進行監(jiān)控的系統(tǒng)中。
ADI推出的ADXL1002是一款具有模擬輸出的單平面軸加速度計，這款MEMS傳感器可在具有兩個滿度范圍選項的拓展頻率范圍內(nèi)提供超低的噪聲密度，并且提供優(yōu)化的工業(yè)條件監(jiān)測能力。ADXL1002（±50 g）分別具有25 μg/√Hz的典型噪聲密度，這款加速度計器件具有穩(wěn)定、可重復的靈敏度，并且可以承受高達10,000 g的外部沖擊。
ADXL1002擁有集成的全靜電自檢（ST）功能和超范圍（OR）指示器，可以提供先進的系統(tǒng)級功能并可用于嵌入式應用。憑借低功耗和3.3 V至5.25 V的單電源供電，ADXL1002還允許進行無線感測產(chǎn)品設計，采用5 mm × 5 mm × 1.80 mm LFCSP封裝，可在?40℃至+125℃的溫度范圍內(nèi)工作。
MEMS傳感器能以更低的成本提供相當不錯的性能，ADXL1002的SNR為83 dB，但與壓電傳感器相比，其成本低10倍以上。MEMS傳感器現(xiàn)在已可替代除最高性能的壓電傳感器以外的所有傳感器，且成本相當?shù)土?/p>
工業(yè)PLC與DCS要求設備配置具備靈活性
PLC一種具有微處理器的數(shù)字電子裝置，用于自動化控制的數(shù)字邏輯控制器，可以將控制指令隨時加載內(nèi)存內(nèi)進行存儲與執(zhí)行，DCS則是工廠或是制程中使用的電腦化控制系統(tǒng)，一般其中會有幾個控制回路，自主的控制器分散在系統(tǒng)中，沒有中央操作員的監(jiān)控。對于過程控制或工廠自動化中的工業(yè)PLC或DCS，最終客戶和應用的要求不同，加上由于工業(yè)系統(tǒng)變得越來越分散，因此對容量、可配置性和效率的需求亦越來越高。
ADI推出的AD4114/AD4115是兩款低功耗、低噪聲24位Σ-?型模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），它集成了一個模擬前端（AFE），支持全差分或單端高阻抗（≥1 MΩ）、雙極性±10 V電壓輸入。AD4114/AD4115集成了關鍵的模擬和數(shù)字信號調(diào)變模塊，可針對所用的每個模擬輸入信道配置八種獨立設置。對于完全建立的數(shù)據(jù)，AD4114的最大信道掃描速率為6.21 kSPS（161 μs），AD4115則為24,845 kSPS（40.25 μs）。
AD4114/AD4115具有嵌入式2.5 V、低漂移（±5 ppm/℃）帶隙內(nèi)部基準電壓源（帶輸出基準電壓緩沖器）減少了外部組件數(shù)量。AD4114/AD4115的數(shù)字濾波器提供靈活的設置，包括以27.27 SPS輸出數(shù)據(jù)速率實現(xiàn)50 Hz和60 Hz同時抑制。用戶可以根據(jù)應用中每個通道的要求，選擇不同的濾波器設置。自動通道時序控制器能夠讓ADC在每個使能的通道之間切換。
AD4114/AD4115的精密性能通過集成ADI公司專有的iPassives?技術來實現(xiàn)，在出廠時已進行校準，可實現(xiàn)高精度性能。AD4114/AD4115采用單電源供電，簡化了在電氣隔離中的應用。AD4114/AD4115采用40引腳、6 mm×6 mm LFCSP封裝，額定工作溫度范圍為?40℃至+105℃。
結(jié)語
隨著消費者行為和期望的變化，以及對定制化需求的增加和更快的周轉(zhuǎn)時間，正迫使制造商改變他們的運營方式，工業(yè)4.0正是因應這些改變趨勢的解決方案。ADI針對工業(yè)4.0的各項需求，推出了各種相應的解決方案，由于產(chǎn)品線眾多，本文僅能重點介紹幾樣產(chǎn)品，還請上ADI官網(wǎng)以了解更多的相關產(chǎn)品信息。
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