出色的過(guò)程自動(dòng)化通訊解決方案——ADI公司的fido5000如何幫助JUMO做好準(zhǔn)備，迎接工業(yè)4.0

作者：Thomas Brand，ADI 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師

在工業(yè)4.0和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的推動(dòng)下，工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)向數(shù)字化轉(zhuǎn)變。生產(chǎn)場(chǎng)所在不斷改變。各生產(chǎn)地點(diǎn)都在實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接；彼此之間、公司不同部門(mén)之間可以通信，甚至跨公司范圍與外界通信。通過(guò)狀態(tài)監(jiān)控、優(yōu)化機(jī)械裝置和技術(shù)系統(tǒng)可以大幅提高總體生產(chǎn)效率。但是，這需要企業(yè)中的所有參與者（無(wú)論是人還是機(jī)器）始終保持通信，以交換海量數(shù)據(jù)和各種參數(shù)。

圖1.聯(lián)網(wǎng)工廠中各種參與者應(yīng)用示例。

圖2.從簡(jiǎn)單的模擬傳感器轉(zhuǎn)向智能傳感器。智能模擬傳感器包括整個(gè)信號(hào)鏈和處理單元。

以前，連接相對(duì)簡(jiǎn)單，將來(lái)自各種系統(tǒng)的模擬傳感器信號(hào)傳輸給中央控制器并進(jìn)行數(shù)字化處理即可，但是，在工業(yè)4.0時(shí)代，傳感器也開(kāi)始采用數(shù)字化技術(shù)。采用能夠集成到復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的任何位置的所謂智能傳感器之后，即可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)以數(shù)字形式傳輸記錄的數(shù)據(jù)量。如圖2所示，除了實(shí)際測(cè)量參數(shù)檢測(cè)之外，這些智能傳感器將主要的信號(hào)調(diào)理和處理部分集成在單一封裝結(jié)構(gòu)中。

此外，智能傳感器通常已配備了總線接口。通過(guò)對(duì)測(cè)量參數(shù)實(shí)施數(shù)字化，能夠以更快速度傳輸更多數(shù)據(jù)。另一項(xiàng)優(yōu)勢(shì)在于信號(hào)傳輸更可靠。通過(guò)數(shù)字信號(hào)傳輸，可以減少甚至完全消除信號(hào)變化和干擾。此外，在理想情況下，總線使能傳感器可以通過(guò)即插即用連接至網(wǎng)絡(luò)，意味著控制單元會(huì)自動(dòng)檢測(cè)到這些傳感器。如果一個(gè)傳感器故障，其他傳感器會(huì)繼續(xù)正常運(yùn)行。

但是，所有這些都要求通用、高度可靠、實(shí)時(shí)可用的網(wǎng)絡(luò)從單個(gè)傳感器和執(zhí)行器擴(kuò)展至機(jī)器，最終擴(kuò)展到整個(gè)系統(tǒng)。以太網(wǎng)，尤其是工業(yè)以太網(wǎng)，已經(jīng)成為一套重要的通信標(biāo)準(zhǔn)。與以前的現(xiàn)場(chǎng)總線相比，工業(yè)以太網(wǎng)具有決定性的優(yōu)勢(shì)，例如可以在共享傳輸介質(zhì)上高效、同步地傳輸更大的數(shù)據(jù)量。此外，工業(yè)以太網(wǎng)提供了基于統(tǒng)一基礎(chǔ)構(gòu)建整個(gè)通信的可能性，通過(guò)實(shí)時(shí)擴(kuò)展來(lái)補(bǔ)充傳統(tǒng)以太網(wǎng)，以實(shí)現(xiàn)確定性。

去年，ADI公司針對(duì)此類(lèi)應(yīng)用推出了實(shí)時(shí)以太網(wǎng)多協(xié)議（REM）開(kāi)關(guān)網(wǎng)關(guān)芯片系列fido5000。該系列產(chǎn)品使用兩個(gè)支持TSN的以太網(wǎng)端口來(lái)實(shí)現(xiàn)（例如）線形、環(huán)形、星形和冗余星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。此外，任何主機(jī)處理器都可以通過(guò)其可配置的存儲(chǔ)器總線接口與開(kāi)關(guān)芯片連接。盡管各種標(biāo)準(zhǔn)在不斷變化，由于fido5000 REM開(kāi)關(guān)靈活支持當(dāng)前的每個(gè)工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，因此有助于開(kāi)發(fā)人員面向未來(lái)設(shè)計(jì)新產(chǎn)品。

這些優(yōu)勢(shì)通過(guò)JUMO Group得以實(shí)現(xiàn)；JUMO Group是一家在全球范圍內(nèi)運(yùn)營(yíng)的德國(guó)家族性SMB，位于富爾達(dá)地區(qū)。JUMO面向食品、空調(diào)、機(jī)械工程、化學(xué)和制藥、包裝以及水和廢水等眾多行業(yè)，開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)用于測(cè)量、控制和分析物理量和化學(xué)量的多種產(chǎn)品和系統(tǒng)解決方案。在這些行業(yè)領(lǐng)域，隨時(shí)隨地都需要通過(guò)大型網(wǎng)絡(luò)傳輸多種過(guò)程數(shù)據(jù)。對(duì)于fido5000，這是理想應(yīng)用場(chǎng)景，也是其用于最新的JUMO設(shè)計(jì)DICON touch的原因所在。

JUMO DICON Touch

DICON touch是一款2通道過(guò)程和編程控制器，可以通過(guò)TFT彩色顯示屏查看，支持直觀的觸摸操作。除了提供以前具有的RS-422/RS-485 MODBUS? RTU、以太網(wǎng)和PROFIBUS? DP接口之外，最新款DICON touch還可以與PROFINET控制器連接并與其通信。上述功能通過(guò)集成的fido5000 2端口開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)，該開(kāi)關(guān)支持構(gòu)建簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。該網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用具備多種集成特性，包括注冊(cè)數(shù)據(jù)評(píng)估、設(shè)置配置，以及用于實(shí)現(xiàn)在線可視化的Web服務(wù)器功能；此外，還支持PROFINET實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換。通過(guò)認(rèn)證可保證符合PROFINET標(biāo)準(zhǔn)，并兼容來(lái)自不同制造商的應(yīng)用。

圖3.DICON touch 2通道過(guò)程和編程控制器——首款配備PROFINET接口的JUMO產(chǎn)品。

ADI和JUMO建立了長(zhǎng)期合作關(guān)系。2016年，通過(guò)收購(gòu)Innovasic，ADI公司擴(kuò)展了其工業(yè)以太網(wǎng)產(chǎn)品系列。這使得ADI能夠幫助客戶(hù)實(shí)現(xiàn)一系列工業(yè)以太網(wǎng)應(yīng)用，與JUMO的合作彰顯了這一點(diǎn)，而這又對(duì)雙方的合作產(chǎn)生了積極影響。通過(guò)與JUMO合作，ADI公司從單個(gè)組件供應(yīng)商一躍成為真正的設(shè)計(jì)合作伙伴。JUMO GmbH的產(chǎn)品經(jīng)理Klaus Otto表示：“ADI公司是非常不錯(cuò)的合作伙伴，在我們?yōu)槎嗤ǖ肋^(guò)程和編程控制器JUMO DICON touch開(kāi)發(fā)PROFINET接口的過(guò)程中，為我們提供了極有力的專(zhuān)業(yè)支持?！?/p>

ADI公司非常重視這種合作伙伴關(guān)系，未來(lái)會(huì)繼續(xù)進(jìn)一步擴(kuò)展。ADI公司展開(kāi)合作的方式，以及利用各自的優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)雙贏的特點(diǎn)，使其在這些合作伙伴中脫穎而出。例如，ADI公司通過(guò)在早期階段采用最新技術(shù)和解決重大挑戰(zhàn)，為其合作伙伴提供全面的工業(yè)4.0專(zhuān)業(yè)技術(shù)支持。

最終，ADI不斷發(fā)展，超越了傳統(tǒng)半導(dǎo)體公司的范疇，打破硅芯片技術(shù)的邊界，并大力投資于軟件、系統(tǒng)專(zhuān)業(yè)技術(shù)和專(zhuān)項(xiàng)技術(shù)開(kāi)發(fā)。這種知識(shí)積累與覆蓋傳感器到云的整個(gè)信號(hào)鏈的各種精選功能相結(jié)合。從系統(tǒng)層面解決各種挑戰(zhàn)。由此加速開(kāi)發(fā)過(guò)程，并縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。因此，通過(guò)更早開(kāi)發(fā)下一代產(chǎn)品來(lái)提升競(jìng)爭(zhēng)力。ADI無(wú)論作為被動(dòng)合作伙伴提供幫助，還是作為主動(dòng)合作伙伴，積極提供技術(shù)、經(jīng)驗(yàn)等支持，都盡力滿足合作伙伴的所有需求。

特別是在開(kāi)發(fā)DICON touch過(guò)程中，ADI提供了一種解決方案，能夠滿足基于以太網(wǎng)協(xié)議PROFINET設(shè)計(jì)所有器件的需求。挑戰(zhàn)在于，需要開(kāi)發(fā)一款能夠?yàn)榭蛻?hù)提供無(wú)數(shù)可能的通用型器件。DICON touch采用功能強(qiáng)大的模塊化概念設(shè)計(jì)：提供簡(jiǎn)單的插入卡和用于標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)的集成式PHY，或者提供具有PROFINET功能的外接插入卡。Klaus Otto表示：“開(kāi)發(fā)期間，我們特別關(guān)注單個(gè)PROFINET解決方案，市面上還沒(méi)有具備這些功能的同類(lèi)解決方案。”

除了fido5000 REM開(kāi)關(guān)芯片外，在DICON touch開(kāi)發(fā)中還用到了集成式RapID平臺(tái)。該平臺(tái)展示了以fido5000作為嵌入式設(shè)計(jì)的完整解決方案。它將fido5000開(kāi)關(guān)芯片、通信處理器、JTAG接口、PHY，以及Flash?、SDRAM和EEPROM等存儲(chǔ)器集成在同一個(gè)電路板上。下一代RapID平臺(tái)將采用功能更強(qiáng)大、更節(jié)能的ARM? Cortex?-M4處理器作為通信處理器，可根據(jù)需要，在該處理器上執(zhí)行更多處理功能。開(kāi)發(fā)DICON touch期間，JUMO對(duì)現(xiàn)有RapID平臺(tái)的特性非常感興趣，例如，該平臺(tái)提供的常見(jiàn)預(yù)認(rèn)證工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議。RapID平臺(tái)支持下載所有相關(guān)信息，例如電路圖和布局?jǐn)?shù)據(jù)，這大大縮短了開(kāi)發(fā)時(shí)間。RapID平臺(tái)還提供動(dòng)態(tài)集成web服務(wù)器，可通過(guò)簡(jiǎn)單的方式讀取或更改網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，以及輸入和輸出數(shù)據(jù)；DICON touch也具備這一特性。該平臺(tái)還可以通過(guò)RMII和I2C接口配置PHY。此外，由于固件已在DICON touch上生成鏡像，因此PROFINET模塊可以在啟動(dòng)時(shí)更新。

圖4.基于fido5000的RapID平臺(tái)可用作評(píng)估套件。

所以，RapID平臺(tái)針對(duì)DICON touch的靈活配置也支持固件更新和網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)。對(duì)于DICON touch開(kāi)發(fā)，存在無(wú)限創(chuàng)新可能。例如，電子器件上不會(huì)提供標(biāo)準(zhǔn)閃爍LED，這是PROFINET的一項(xiàng)重要特性。相反，DICON touch的整個(gè)LED顯示屏?xí)W爍。

開(kāi)發(fā)DICON touch期間，網(wǎng)絡(luò)安全也是一項(xiàng)重要因素。工業(yè)控制器的網(wǎng)絡(luò)安全無(wú)法通過(guò)通用型解決方案實(shí)現(xiàn)。而是需要根據(jù)系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，采取長(zhǎng)遠(yuǎn)方法。作為安全策略的一部分，ADI公司盡力提高以太網(wǎng)元件的安全性。所以，當(dāng)前的工業(yè)以太網(wǎng)和TSN解決方案就是該公司安全開(kāi)發(fā)工作的重點(diǎn)。基于fido5000的RapID平臺(tái)補(bǔ)充了多項(xiàng)安全特性，可提供密鑰管理、安全引導(dǎo)、安全更新和安全存儲(chǔ)器訪問(wèn)，以抵御網(wǎng)絡(luò)攻擊。

結(jié)論

ADI利用fido5000系列和RapID平臺(tái)，為合作伙伴提供出色的應(yīng)用解決方案，幫助客戶(hù)滿足實(shí)時(shí)功能、可靠性和安全性等未來(lái)需求。因此，ADI不僅能為客戶(hù)提供優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品，同時(shí)還提供開(kāi)發(fā)合作或開(kāi)發(fā)支持。這種合作優(yōu)勢(shì)通過(guò)新型JUMO DICON touch過(guò)程控制器得到印證。通過(guò)雙方的通力合作，項(xiàng)目如期完成，成功獲得安全可靠的前瞻性解決方案。

作者簡(jiǎn)介

Thomas Brand于2015年加入德國(guó)慕尼黑的ADI公司，當(dāng)時(shí)他還在攻讀碩士。畢業(yè)后，他參加了ADI公司的培訓(xùn)生項(xiàng)目。2017年，他成為一名現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師。Thomas為中歐的大型工業(yè)客戶(hù)提供支持，并專(zhuān)注于工業(yè)以太網(wǎng)領(lǐng)域。他畢業(yè)于德國(guó)莫斯巴赫的聯(lián)合教育大學(xué)電氣工程專(zhuān)業(yè)，之后在德國(guó)康斯坦茨應(yīng)用科學(xué)大學(xué)獲得國(guó)際銷(xiāo)售碩士學(xué)位。