Šajā rakstā galvenā uzmanība pievērsta mikrokontrolleru (MCU) lomai rūpnieciskajā automatizācijā, īpaši pētot, kā tie nodrošina reālas{0}}pasaules saskarnes sensoriem un izpildmehānismiem. Tajā ir aplūkota augstas veiktspējas kodolu, piemēram, ARM® Cortex™-M3, integrācija ar precizitāti un specializētām perifērijas ierīcēm, piemēram, Analog Devices ADuCM360 un EMF32 sērijām. Tajā tiek pārbaudīti arī salīdzinoši jauni protokoli šim lietojumprogrammu domēnam, īpaši atsaucoties uz zemas klases MCU, tostarp Infineon XC800 un XC16x sēriju un Texas Instruments MSP430F2274, kā arī īpašiem raiduztvērējiem, piemēram, Maxim's MAX14821.
Mikrokontrolleri integrē pieaugošās hibrīda{0}signāla iespējas un apstrādes jaudu, taču citi uzlabojumi pagarina zemas klases mikrokontrolleru dzīves ciklu.
Pēc definīcijas mikrokontrolleri (MCU) ir lieki, un tiem trūkst tiešas saskarnes ar "reālo pasauli". Tie ir paredzēti, lai kalpotu kā centrālie ieejas un izejas centrmezgli, izpildot nosacītas atbildes un pārvaldot secīgus un paralēlus procesus. To lomu nosaka vadība, un to programmējamība nozīmē, ka šo vadību pārvalda loģika. Tomēr tie pamatā ir veidoti kā saskarnes ar analogo pasauli, tādējādi lielā mērā atkarīgi no analogās-uz-digitālās pārveides. Parasti vadības procesu virza analogā parametra digitālais attēlojums-bieži no kāda veida sensora-, kas nav acīmredzamāks kā automatizācijas lietojumprogrammās.
Precīza veiktspēja
Komerciālais spiediens prasa, lai to darbībai būtiskie datu konvertēšanas procesi tiktu efektīvi apstrādāti- mikroshēmā, tādējādi veicinot jauktu{2}}signālu integrāciju. Turklāt pastiprināta integrācija rada lielāku apstrādes slogu kodolam.
To zemās izmaksas un elastība nozīmē, ka MCU bieži tiek brīvi nodarbināti, taču ražotāji visās nozarēs tagad cenšas konsolidēt funkcionalitāti izmaksu, sarežģītības vai drošības apsvērumu dēļ; kur kādreiz varēja izmantot desmitiem MCU, tagad var pietikt tikai ar vienu.
Tādējādi nav pārsteidzoši, ka vienkāršas 4-bitu ierīces ir kļuvušas par ļoti sarežģītiem 32 bitu apstrādes dzinējiem, un ARM Cortex-M sērija ir kļuvusi par galveno izvēli daudziem piegādātājiem.
Augstas veiktspējas{0}}apstrādes kodolu apvienošana ar precīzu, stabilu analogo pārveidošanu nav vienkāršs uzdevums. CMOS izceļas ar ātrgaitas-digitālo tehnoloģiju, taču jutīgu analogo perifērijas ierīču instantēšana var būt sarežģīta. Viens uzņēmums ar dziļām zināšanām šajā jomā ir Analog Devices, Inc. Tā pilnībā integrēto datu iegūšanas sistēmu ADuCM sērija ir paredzēta tiešai savienošanai ar precīziem analogajiem sensoriem. Šī pieeja ne tikai samazina komponentu skaitu, bet arī saglabā precizitāti, novēršot analogos un/vai digitālos posmus.
Piemēram, pārveidotājs, kas ieviests uz ARM Cortex-M3-bāzētā ADuCM360, ir 24 bitu Sigma Delta ADC, kas ir daļa no ierīces analogās apakšsistēmas. Tas ietver programmējamu strāvas ierosmes avotu un nobīdes sprieguma ģeneratoru, bet vēl svarīgāk ir iekšējos filtrus — vienu precīziem mērījumiem un otru ātriem mērījumiem, kas piemēroti lielu avota signāla izmaiņu noteikšanai.
Dziļā miega sensors
MCU ražotāji atzīst sensoru kritisko lomu automatizācijā un ir sākuši izstrādāt optimizētus analogos priekšējos galus ar speciālām saskarnēm induktīviem, kapacitatīviem un pretestības sensoriem.
Dažas no šīm priekšējām daļām ir pat izstrādātas, lai darbotos autonomi, piemēram, LESENSE (Low Energy Sensor) saskarne Energy Micro īpaši-mazjaudas-MCU sērijā. Tajā ir iekļauts analogais salīdzinājums, DAC (digitālais-analogais pārveidotājs-) un zemas-jaudas sekvencētājs, kas ļauj to konfigurēt MCU kodolam un pēc tam darboties, kamēr pārējā ierīce paliek dziļā miega režīmā.
Sekvencētājs darbojas no 32 kHz pulksteņa un kontrolē darbību, savukārt salīdzinājuma izvadi var konfigurēt, lai radītu pārtraukumu, lai pamodinātu centrālo procesoru. DAC var izvēlēties kā salīdzinājuma atsauci vai piedziņas avotu. LESENSE tehnoloģijā ir iekļauts arī konfigurējams dekodētājs, kuru var iestatīt tā, lai tas radītu pārtraukumus tikai tad, ja vienlaikus ir izpildīti vairāki sensora nosacījumi. Digi-Key piedāvā Energy Micro EFM32 Tiny Gecko sākuma komplektu, kas ietver LESENSE demonstrāciju. Energy Micro Tiny Gecko MCU sērija, kuras pamatā ir ARM Cortex-M3 un darbojas ar frekvencēm līdz 32 MHz, ir paredzētas rūpnieciskās automatizācijas lietojumprogrammām, piemēram, temperatūras, vibrācijas, spiediena un kustības noteikšanai.
1. attēls. Energy Micro zemas-jaudas sensora saskarne LESENSE nodrošina elastīgu sensoru savienojamību rūpnieciskās vadības un automatizācijas sistēmām.
IO-Saite
Jauna jaudīga sensora un izpildmehānisma saskarnes ieviešana palīdz daudziem ražotājiem pagarināt 8-bitu un 16 bitu ierīču kalpošanas laiku rūpnieciskajā automatizācijā. Šīs saskarnes protokols tiek saukts par IO-Link, un tas ir guvis atbalstu no daudziem rūpnieciskās automatizācijas līderiem, īpaši MCU piegādātājiem.
IO-Link izmanto 3-vadu neekranētu kabeli, kura maksimālais garums ir 20 metri, tāpēc tas ir piemērots viedo sensoru un izpildmehānismu modernizēšanai esošās instalācijās. Tam ir nepieciešama "inteliģence" katrā galā, kas parasti tiek ieviesta MCU. Tomēr protokola relatīvās vienkāršības dēļ to var ievietot zemu -izmaksu 8 bitu MCU — tieši to, ko pašlaik izstrādā daudzi ražotāji.
Protokols (pazīstams arī kā SDCI, kas apzīmē Single{0}}Point Digital Communication Interface un standartizēts saskaņā ar IEC 61131-9) tika izstrādāts kā vienādranga saziņas risinājums-to{5}}, ko var viegli iegult sensoros un izpildmehānismos, piešķirot tiem zināmu "inteliģences" pakāpi. Tāpēc tas nav paredzēts esošo sakaru slāņu, piemēram, lauka kopnes, Profinet vai HART, aizstāšanai, bet gan darbam kopā ar tiem, atvieglojot zemu -cenu MCU saskarni ar augstas precizitātes sensoriem un izpildmehānismiem.
IO{0}}Link konsorcijs uzskata, ka tas var ievērojami samazināt sistēmas sarežģītību, vienlaikus ieviešot noderīgas funkcijas, piemēram,{1}}reāllaika diagnostiku, izmantojot parametru uzraudzību. Integrējot lauka kopnes topoloģijās, izmantojot vārtejus (to īsteno arī MCU vai PLC), sarežģītas sistēmas var centralizēti uzraudzīt un pārvaldīt no vadības telpas. Sensorus var konfigurēt attālināti, daļēji tāpēc, ka IO-Link-saderīgie sensori zina par sevi vairāk nekā "parastie" sensori.
Pirmkārt, to (un ražotāja) identitāte ir iegulta sensorā XML formātā, kas ir pieejama pēc pieprasījuma. Tas ļauj sistēmai nekavējoties atpazīt sensoru un izprast tā iespējas. Vēl svarīgāk ir tas, ka IO-Link ļauj sensoriem (un izpildmehānismiem) nodrošināt nepārtrauktas,-reāllaika datu straumes kontrolierim. Faktiski IO-Link atvieglo trīs veidu datu apmaiņu: apstrādes datus, pakalpojumu datus un notikumus. Procesa dati tiek pārsūtīti cikliski, savukārt pakalpojumu datu apmaiņa notiek ne-cikliski un vienmēr pēc pieprasījuma no IO-Saites galvenā. Servisa datus var izmantot, lai nolasītu un ierakstītu parametru datus ierīcē/no tās.
IO-Link nodrošina vienkāršāku veidu MCU saskarnei ar viedajiem sensoriem, ļaujot sistēmu inženieriem izstrādāt viedākus rūpnieciskās automatizācijas risinājumus.
Daudzi MCU piegādātāji ir pievienojušies IO-Link Consortium, kas nesen kļuva par tehnisko komiteju (TC6) PI (PROFIBUS un PROFINET International) ietvaros. Būtībā IO-Link nodrošina kontrolieriem-tostarp MCU un PLC-ar standartizētu metodi sensoru un izpildmehānismu identificēšanai, kontrolei un vispārīgai saziņai ar tiem, kas izmanto šo protokolu. To ražotāju saraksts, kas piedāvā saderīgas ierīces, pieaug, vienlaikus pieaugot atbalstam no MCU ražotājiem.
Atbalstu daļēji sniedz tādi speciālisti kā Vācijas dizaina nams Mesco Engineering, kas sadarbojas ar vairākiem pusvadītāju ražotājiem, lai izstrādātu IO{0}}Link risinājumus. Tā partneru sarakstā ir Infineon, STMicroelectronics, Atmel un Texas Instruments. Piemēram, Infineon ir pārnesis Mesco IO-saišu kopu uz savu XC800 — ar 8051-saderīgu 8 bitu MCU, kas nodrošina informāciju saites ierīces (sensora/izpildmehānisma) galā. Infineon arī nodrošina IO-Link atbalstu savām 16 bitu ierīcēm, tostarp XE16x sērijai.
Mesco steks ir arī pārnests uz Texas Instruments mazjaudas MSP430 sēriju-citu 16 bitu MCU, kura pamatā ir patentēts kodols. Konkrēti, tas ir paredzēts MSP430F2274.
Ražotāji izstrādā arī virkni diskrētu IO{0}}Link raiduztvērēju, piemēram, Maxim's MAX14821. Šī raiduztvērēja mērķauditorija ir IO-Saites ierīces un 24 V binārie sensori/izpildmehānismi, kas kalpo kā fiziskā slāņa saskarne MCU, kurā darbojas datu pārraides slāņa protokols (3. attēls). Divi iekšējie lineārie regulatori ģenerē kopējās sensora un izpildmehānisma jaudas prasības pie 5 V un 3,3 V, un ierīce tiek konfigurēta un uzraudzīta, izmantojot SPI interfeisu. Tam ir arī IO raiduztvērēja saskarne, kas spēj darboties ar spriegumu līdz 36 V.
Attēls: Maxim's IO{0}}Saites uztvērējs nodrošina fiziska slāņa saskarni MCU, kas darbojas ar datu saites slāņa protokoliem.
Tā kā IO-Link sasniedz augstāku izplatības līmeni, šķiet, ka arvien vairāk ražotāju integrē šīs fiziskās saskarnes ar citām specializētām MCU perifērijas ierīcēm rūpnieciskās automatizācijas lietojumprogrammām.
Rūpnieciskā automatizācija vienmēr ir balstījusies uz mērījumu un kontroles integrāciju. Neskatoties uz arvien pieaugošo tīklu ieviešanu pēdējos gados, interfeiss starp digitālo un analogo domēnu ir palicis relatīvi nemainīgs. Tomēr, ieviešot IO-Link, tagad tiek izstrādāti sensori un izpildmehānismi, kas var izveidot savienojumu ar MCU sarežģītākos veidos. Savienojumi no punkta-līdz{5}}nodrošina ne tikai vienkāršāku metodi vadības elementu saskarsmei, bet arī nodrošina efektīvu veidu, kā paplašināt zemas-MCU iespējas.