工业4.0驱动工业自动化快速发展_技术

【导读】在工业4.0概念的驱动下，运用像是IO-Link网络解决方案与工业物联网（IIoT）的传感器技术，使工业自动化应用朝向更为智能化、更具通用性与更易于定制的方向发展。本文将为您介绍工业自动化的相关应用与解决方案，并进一步了解工业4.0的发展方向。

IO-Link网络解决方案是工业4.0的基础

所谓的工业4.0概念，便是要求在商品进行生产的过程中，从供应链、生产端、质量控制与包装和运输等流程中，进行更智能、更d性的流程管理，包括灵活的接单能力、生产过程的实时监控，以及对生产设备进行预测性维护，以减少停机的时间，并同时能够达到节能减废的目标。

想要实现工业4.0的目标，其中一项关键技术便是IO-Link网络解决方案，它可以解决物联网应用环境中的信号嘈杂问题，也可以解决采用不同布线的线路混乱现象，并可大幅减少在安装／维修时所造成的生产停机时间。

传统采用模拟技术进行信号传输时，由于需要经过多次A/D转换，将导致精度损失，受到EMI和其他外部因素的影响，可能会影响到模拟信号，而导致检测不到信号，若采用防止EMI的屏蔽电缆，其价格也较为昂贵。在工业环境中若采用IO-Link的数字化技术，将可消除不必要的多次A/D转换，可确保不损失精度，也不需要屏蔽电缆，因为数字信号具备抗EMI的能力，可以采用非屏蔽电缆，将可节省成本、空间和使用模拟I/O卡的费用，采用数字载体也可以同时承载多种数据。

IO-Link技术具有更强的抗噪能力，采用简单的3线数字数据传输，能够减少转换损失、传输速度更快，可采用标准连接器和电缆（非屏蔽M12/M8电缆），电缆线长可超过20米，在一个端口上可以进行输入／输出双向传输，因此可以连接传感器和执行器。此外，IO-Link标准不受限于单一制造商，可适应任何现有的PLC和总线，可以替代多个标准，具有通用性，可方便、轻松地定制设计具d性的生产线，并可进行无缝式远程监控，可灵活接单并减少停机时间，通过远程机器状态监控，可实现预测性维护和节能，使其成为推动工业4.0的基础。

依据统计数据显示，在2020年时，全球已经有超过1600万个IO-Link节点，预计到2023年时，IO-Link市场预计将达到120亿美元以上，其中尤以亚太地区将会是IO-Link应用最大的市场，将可占有全球30%以上的市场空间，以及超过36亿美元的市场份额。

完整的IO-Link解决方案与技术支持

针对市场对IO-Link技术的迫切需求，艾睿电子推出了符合IEC 61131-9 IO-Link规范的ARW-IOLM4P-STM32L4控制板，可执行从控制器到传感器／执行器的点对点连接，ARW-IOLM4P-STM32L4是基于STM32L431RBT6控制器的多合一IO-Link Master 4端口解决方案，采用低功耗的STM32 ARM® Cortex®- M4 MCU，并包括符合IO-Link V1.1.3的4端口主控制器堆栈，已通过IO-Link主控端的一致性测试，可支持通过SPI连接到主机CPU，可简化IO-Link主控设计，以减少软件工作量，并提供有保证的IO-Link功能，艾睿电子还提供ARW-IOLM4P-EVAL01/02评估板，可缩短产品上市时间。

除了作为IO-Link通信核心的主控端和设备端收发器IC之外，ST还提供完整的生态系统，包括丰富的评估板产品组合与合作伙伴，ST和艾睿电子、TEConcept签署了三方合作伙伴关系，其具体成果是IOLM4P，这是一款基于超低功耗STM32L4的4端口IO-Link主芯片解决方案，具有集成协议栈，能够控制多达四个IO-Link设备。

另一方面，艾睿电子还可提供来自ST的L6360 IO-Link主控收发器与L6362A IO-Link从属收发器，提供8-CH IO-Link主站和DI/DO Hub参考设计与IO-Link从属软件平台，可用于工业4.0的IO-Link接口，以连接传感器／执行器，可应用于工业自动化系统、Profinet／以太网／Profibus、可编程逻辑控制器与预测性维护等场合。

此外，艾睿电子还与ST合作开发单一MCU结合IO-Link Master／Ethernet IP／Profinet功能的微控制器，可支持8路IO-Link设备，支持双控架构（PC或嵌入式主机），包含符合IO-Link V1.1.2标准的8端口主控制器堆栈，带有2个集成的EtherNet/IP接口，其采用的核心芯片包括STM的STM32H743ZIT6、VN808-32-E、L6360、M24256-BRDW6TP、L7986A、SLVU2.8-4A1、SMA4F28A，Microchip的KSZ8863RLL、Amphenol的M12A-05PMMC-SF8B20，以及Apps Electronics的AE-RJC101013、AE-SB16001，Abracon的ABM8W-19.2000MHZ-8-J1Z-T3，可应用于IO-Link主集线器、PLC、工厂自动化等领域。

艾睿电子也推出IO-Link塔灯解决方案，其采用M12标准工业连接器，可通过IO-Link接口控制执行器塔灯，并可配置不同的模式，支持IO-Link版本1.1/1.0物理层兼容，采用的核心芯片包括ST的四路低电位智能电源开关IPS4260L、IO-Link双通道收发IC L6364Q，以及ARM Cortex-M0+ 32位MCU STM32G071、8Kbit串行EEPROM M24C08与1500W TVS SMB15F24A，以及模拟多路复用器STG3157CTR，并采用Murata的MEMS谐振器WMRAG32K76CS1C00R0与8MHz的陶瓷谐振器CSTNE8M00G520000R0，还有Amphenol ICC的M12圆形4 POS ST 通孔4端子1端口的M12A-04PMMP-SF8001与BergStik板对板连接器77311-1180xLF，可应用于执行器塔灯控制、工厂自动化与控制与楼宇自动化应用。

艾睿电子还与TE-concept合作，支持IO-Link软件和合规性测试，可协助客户进行IO-Link预先测试，可提供TE-Concept控制工具、IO-Link主测试仪、IODD Designer、IO-Link诊断工具，以及ST的所有电子组件与Amphenol的连接器、电缆、模块，可加快IO-Link相关应用的产品开发速度。

先进的IO-Link主控和设备端芯片

ST看好IO-Link技术的发展，从一开始就加入了IO-Link联盟，可提供主控和设备端芯片来实现IO-Link通信中的物理层，包括L6360、L6362A收发器与L6364的新设备芯片。

L6360是一款符合PHY2（3线）的单片IO-Link主收发器，支持COM1、COM2和COM3模式。C/Q输出级可编程为高电位、低电位或推挽，可编程截止电流和截止电流延迟时间，并结合热关断和自动重启功能，保护设备免受过载和短路的影响。C/Q和L+输出级能够驱动电阻、电感和电容负载，可驱动高达10 mJ的电感负载，监控电源电压并检测低电压条件。

L6360 IO-Link通信主收发器IC的电源电压范围为18 - 32.5 V，可支持高达500 mA L+保护的高电位驱动器，可支持额外的IEC61131-2 type-1输入，并支持短路、过流、过压（> 36 V）、过热、ESD等保护功能，采用小型化的VFQFPN-26L（3.5 x 5 x 1 mm）封装。

L6362A则是符合PHY2（3线连接）的IO-Link和SIO（标准IO）模式收发器IC，支持COM1、COM2和COM3模式，可允许低电位、高电位侧和推挽输出配置，可驱动任何类型的负载（电阻、电容或电感）。L6362A是在24 V环境中运行的工业传感器的理想接口，可连接到PLC、工业IO模块或IO-Link主控端。

L6362A的电源电压范围为7 - 36 V，具有极其高效的功率级，RDSON为0.8 Ω / 1 Ω（低电位／高电位），输出电流高达300 mA，能够驱动L/C/R高达500mJ/30μF，支持唤醒检测，以及5 V或3.3 V、10 mA可选线性稳压器，还包含一组丰富的保护功能，包括VCC、GND、OUTH、OUTL和I/Q引脚之间的反极性，这是安装工业传感器的关键特性，其他保护功能还包括输出短路、过压／欠压、过载、过温和快速瞬态条件（±1 kV、500 Ω和18 μF耦合），具有EMC稳健性，可面对突波、浪涌与ESD，可在-40至125℃的温度范围工作，采用微型DFN封装（3 x 3毫米）。

新推出的L6364则是一款双通道IO-Link设备收发器IC，它可在具有传感器或执行器功能的微控制器与24 V电源和信号电缆之间提供一座桥梁，指定用于支持COM2和COM3模式下的IO-Link通信。

多合一、灵活的PLC解决方案

ST针对工业自动化应用，也推出具有12个输入和12个输出的全功能工业级可编程逻辑控制器（PLC），支持采用触摸屏显示器的人机界面（HMI），这种一体化解决方案可确保快速轻松地访问所有控制功能，搭配具有DSP和FPU指令的高性能STM32F7微控制器、具有L1缓存的自适应实时加速（ART Accelerator™），以及具有专用Chrom-ART Accelerator™的LCD-TFT控制器，可用于创建增强图形内容。

这个解决方案在输入和输出阵列上都提供了多种可能性，包括带SPI接口的电隔离8通道高电位智能功率固态继电器（ISO8200AQ）或4通道低电位智能功率开关（IPS4260L）可以驱动输出，而高速数字输入电流限制器（CLT01 -38SQ7）或自供电数字输入电流限制器（CLT03-2Q3），则可分别提供高速SPI和支持60V的自供电输入。

ST的ISO8200AQ是具有SPI接口的电隔离、八通道高电位工业输出驱动器，每通道输出电流可达0.7A，具有带菊花链的20 MHz SPI接口，嵌入了多项保护功能，包括过热（外壳和每个通道）和接地丢失，并可感应负载的快速退磁，符合IEC 61000-4-2、IEC 61000-4-4、IEC 61000-4-5和IEC 61000-4-8标准。

ST IPS4260则是一款四路低电位智能电源开关，具有四个独立的受保护信道，每个信道具有0.5 A电流能力，嵌入了多种保护功能，包括接地和VCC断线、过压和开路负载，具备丰富的诊断功能，包括过载和热关断（通用和每通道），并符合IEC 61131-2标准。

用于位置和运动监测的工业传感器

工业传感器节点中使用了许多不同的位置和运动监测传感器，以检测物体的位置和方向，或检测物体沿一个或多个轴的位移和旋转。ST针对不同的用例制造了一系列最先进的数字传感器，像是具有多目标检测能力的飞行时间（ToF）测距传感器，嵌入了ST的第三代FlightSense专利技术，结合了高性能接近和测距传感器、多目标距离测量和自动污迹校正等功能，可以检测物体的位置与距离。此外，加速度计则可参考地球的重力场，通常用于检测最终产品的方向或在检测到外部运动时唤醒系统，ST的MEMS加速度计则可以极低的功耗提供高精度测量结果。

ST已经推出多款的ToF测距传感器，包括VL53L3CX多目标检测ToF测距传感器、VL53L0XToF测距传感器、VL53L1CB先进的多区域和多对象检测的ToF测距传感器、VL53L1X ToF测距传感器、VL53L4CD ToF高精度接近传感器、具有扩展范围测量的VL53L4CX ToF传感器、VL6180V1 ToF接近传感器、VL6180X接近传感器和环境光感应（ALS）模块等，可满足客户不同应用的多样需求。

ST也针对不同应用，推出多款加速度计，包括可用于工业应用、具有数字输出的超低功耗高性能3轴加速度计IIS2DH，以及采用MEMS技术的数字输出运动传感器，可用于工业应用的高性能超低功耗3轴加速度计IIS2DLPC，用于工业应用的高分辨率、高稳定性3轴数字倾角仪的IIS3DHHC，用于工业应用、具有数字输出的高性能超低功耗3轴加速度计IIS328DQ，以及MEMS数字输出双运动和温度传感器LIS2DTW12等，可以针对工业应用提供多样化的加速度测量。

ST也提供1点或3点翻滚传感器校准，可计算3轴传感器（通常是加速度计）的偏移和增益。MotionFX库以往仅提供磁力计和陀螺仪校准，ST则添加了MotionFX库的加速度计校准功能，并可让最终用户轻松实现定制和增强（MotionFX仅以二进制格式提供，而不提供源代码），并易于在每个微控制器上使用（MotionFX只能在STM32上运行），可适用于ST的所有加速度计、eCompass模块和iNemo惯性IMU。

NFC技术也可应用在工业自动化领域，ST推出的ST25R3916/7是高性能NFC通用器件和EMVCo读取器，在适用时可支持NFC发起方、NFC目标、NFC读取器和NFC卡仿真模式。该NFC IC完全符合EMVCo 3.0模拟和数字标准，针对POS终端应用进行了优化，即使在天线周围有嘈杂的LCD显示器等恶劣的条件下，也能实现最快的EMVCo 3.0认证周期。

ST25R3916/7设计用于在宽电源范围（-40℃至+105℃范围内为2.6至5.5 V，-20℃至+105℃范围内为2.4至5.5 V）和宽广的外设IO电压范围（从1.65到5.5 V）。由于这种高射频输出功率、低功率模式和宽电源范围的组合，这些器件非常适合基础设施的NFC应用。

高精度、超低功耗的参考设计与传感器

针对工业智能传感应用，ST 也推出 STEVAL-IOD04KT1 工业智能传感器套件，这是基于 L6364W 双 IO-Link 设备收发器的参考设计，可协助加速 IO-Link 工业连接领域的智能工业传感器开发应用。该套件包含 STEVAL-IOD004V1 主板（不单独销售）、STLINK-V3MINI 编程器和调试器工具（包括一个 M8-M12 工业连接器适配器与20厘米的电缆），STEVAL-IOD004V1主板具有 STM32G071EB 这款主流 Arm® Cortex®-M0+ RISC 内核 MCU，工作频率高达 64 MHz，以及 L6364W 可用于 SIO 和 IO-Link 传感器应用的双通道收发器 IC，此外还有 IIS2MDC 这款高精度、超低功耗的3轴数字输出磁力计，以及 ISM330DHCX这款带有机器学习内核的iNEMO惯性模块，和带有数字输出的有限状态机，适用于工业应用。

STEVAL-IOD04KT1参考设计支持IO-Link协议栈v.1.1，可提供额外的传感器连接器、状态LED、M8工业标准连接器，尺寸仅有45.8 x 8.3 mm，且形状易于集成到工业传感器外壳中，并提供可在STM32G071EB上运行的相关固件示例，使多个实际用例的实现成为可能。此参考设计的目标是基于IO-Link的智能工业传感器应用，具有易于配置、远程监控、减少接线、高级诊断和易于设备更换等功能。

结语

在朝向工业4.0发展的工业应用环境中，必须借助更先进的数字化IO-Link网络技术，以及搭配各式各样的传感器，才能达成更智能的工业自动化应用。艾睿电子与ST等伙伴合作，推出了完整的解决方案与技术服务，能够加快相关应用的开发速度，请即刻与艾睿电子联系，以取得更详细的产品与技术信息。

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