工業通信

設計 M2M 工業應用通信。

M2M 工業應用通信

為什麼工業應用程序需要不同的通信協議?

工業 4.0 可能是目前最熱鬧的行業話題,但是數十年以來,機器一直在工業環境當中相互對話。流程控制、汽車生產、機器人或食品和飲料生產中的機器到機器 (M2M) 通信使效率和穩定性得到了大幅提升。

通過了解每台機器如何操作以及允許機器直接相互通信,我們可以大大提高效率並增強系統集成,從而實現端到端流程解決方案。

更高的速度– 無論您認為自己說話有多快,機器都會說得比您更快。通過了解流程中的機器網絡如何操作,以及它們的加載速率和吞吐量,可實現更快的生產效率。通過推動實時確定性網絡和系統分析,可使系統作為一個整體工作以優化生產。

質量和控制– 通過遍布整個流程的傳感器網絡,可以更密切地監控每個生產要素。由於傳感器變得更準確、機器視覺變得更敏銳,可使烤箱更恆定地保持在正確溫度、使機器人臂更精確地操作,並且更高效地發現並排除故障。

預防性維護– 現在的汽車能告訴您何時需要保養,機器也是一樣。工業通信可以傳遞操作小時數消息或向控制器發出元件即將出現故障的警報,幫助安排維護時間以避免出現緊急維修情況,從而減少停機時間。

這種級別的通信集成以前需要使用複雜、固定和昂貴的外部解決方案。隨著自動化系統的發展,以及機器之間的高通信級別成為標準的客戶期望,更高級別的電子產品集成已變得至關重要。從可編程邏輯控制器 (PLC) 到傳送帶和工業外圍設備的實時、可靠通信正在變得越來越智能化,而解決方案也變得更小型、更靈活、更強大。

為了支持工業應用中的惡劣條件和環境,所有解決方案都需要考慮一些事項。在無線通信當中,必須清晰地了解這些注意事項。

現場安裝– 為減少停機時間並執行維護和維修,連接到網絡中的任何智能資產都必須可熱插拔。這意味著它們可在系統操作過程當中在網絡中添加或移除,還意味著任何通信都需要一定程度的網絡信號交換和消息優先級確定。

高可靠性– 在任務關鍵型或安全系統中,重要的是通信必須可靠、及時,並且不會出現頻繁中斷或未發送的消息。在通信中發生的任何消息故障都必須然導致出現安全問題。

堅固強大– 工業應用通常會接觸到特別惡劣的環境,包括灰塵、液體、高溫、高壓或高電壓。例如,必須考慮連接和外殼的入侵防護等級 (IP),如 IP 69。為了提供保護以避免接觸高電壓、瞬變和短路,連接必須能夠提供獨立通信,5kVrms 及以上十分尋常。

EMI 屏蔽–工業環境中通過感應、耦合或傳導產生的電磁干擾 (EMI) 可能來自電機、液體流動、密閉電纜間的耦合、烤箱或切換負載。 EMI 可能會中斷信號或導​​致發送不必要的消息,而無線信號最易受 EMI 影響,因此推薦使用有線通信。

什麼是 HART 通信協議?

HART(高速可尋址遠程傳感器)協議已在 1986 年成為開放式協議。 30 年後,隨著工業物聯網或工業 4.0 的興起,使其在今天看來仍然正確。

通過使用頻移鍵控 (FSK) 標準,HART 協議在 4-20mA 的基礎之上增加了其他低電平的數字信號。 HART 通過模擬線路承載從傳感器和現場儀器到更廣泛主機系統和流程、安全或資產控制的雙向數字信息。為了更可靠地提供關鍵信息,模擬 4-20mA 信號可承載來自傳感器的測量值。數字信號承載的關鍵信息(例如診斷或輔助值)變得更少,帶來可輕鬆配置的強大通信解決方案。

什麼是 EtherCAT 自動化協議?

EtherCAT 基於熟悉且名稱密切相關的以太網標準構建,但是增加了實時通信和更高的拓撲靈活性。 EtherCAT 是工業應用中所用的最快通信技術,並且與納秒級 EtherCAT 的同步相比其他協議可實現巨大的性能提升,這是其顯著優勢。 EtherCAT 的速度和準確性可以減少系統等待時間和轉換,從而整體提高系統的效率。

與以太網不同,EtherCAT 網絡不需要使用集線器或交換機,可以按需要增加和移除自動鏈路檢測設備。這樣就能實現網絡拓撲和結構的完整靈活性。對於安全關鍵型應用,EtherCAT 功能安全性 (FSoE) 標準符合 SIL3 系統的要求,並已經過 TUV 認證設備的證實。 EtherCAT 以合理的價格提供了快速、穩定的通信級別,並且無需使用特定接口卡,即可通過 FPGA 的微控制器快速、輕鬆地實施 EtherCAT 控制器。

什麼是 Profinet 和 Profibus?

與 EtherCAT 一樣,Profinet 是一種在工業應用中使用的修改後以太網標準,但更接近於您在家里或辦公室中使用的以太網。由於其相似性,它可以使用集線器、交換機來設置,並通過 WLAN 或藍牙與無線網絡或移動設備交叉。因此,儘管在較傳統的網絡拓撲中設置時限制更多,但是能夠連接到其他標准設備的靈活性確保了 Profinet 成功用作工業應用的通信網絡。到 2014 年底,已投入使用的 PROFINET 聯網設備超過了 980 萬台。

到目前為止,部署最廣泛的工業通信標準是 Profibus,這是一種應用獨立型現場總線協議,在 2014 年底已安裝了超過 5000 萬台設備。 Profibus 以傳統方式通過 RS-485 雙絞線電纜進行傳輸,這意味著其實施成本較低,可在電氣嘈雜環境中長距離工作,特別適合用於工業應用。

什麼是 CAN 協議?

控制器局域網(又稱 CAN 總線)一般在汽車上使用,無需中央控制器即可進行通信,例如電動車窗。它不是實時通信協議,但特別適用於微控制器之間的低成本實施。由於其簡單性、廣泛可用性和穩定性(符合汽車行業的高標準規格),使 CAN 同樣可進入工業應用領域。

絕緣需求

工業環境始終存在電氣噪音。由於精密電子產品附近存在電機和高壓電纜,因此務必要針對瞬態電壓對其進行保護。通過以光學或數字方式來隔離連接,使高壓峰值無法損壞更適用於 5V 而不是 1kV 的元件。

光學隔離器和數字隔離器在 IC 內形成物理屏障,以防止這些峰值達到任何電子產品,但仍然可以傳遞所承載的信號。數字隔離器為傳統光耦合器提供了新的替代方案,具有極高的可靠性、極長的使用壽命,以及達到甚至超過 10kV 的更高數據完整性。