【導讀】在工業4.0概念的驅動下，運用像是IO-Link網絡解決方案與工業物聯網（IIoT）的傳感器技術，使工業自動化應用朝向更為智能化、更具通用性與更易于定制的方向發展。本文將為您介紹工業自動化的相關應用與解決方案，并進一步了解工業4.0的發展方向。
IO-Link網絡解決方案是工業4.0的基礎
所謂的工業4.0概念，便是要求在商品進行生產的過程中，從供應鏈、生產端、質量控制與包裝和運輸等流程中，進行更智能、更彈性的流程管理，包括靈活的接單能力、生產過程的實時監控，以及對生產設備進行預測性維護，以減少停機的時間，并同時能夠達到節能減廢的目標。
想要實現工業4.0的目標，其中一項關鍵技術便是IO-Link網絡解決方案，它可以解決物聯網應用環境中的信號嘈雜問題，也可以解決采用不同布線的線路混亂現象，并可大幅減少在安裝／維修時所造成的生產停機時間。
傳統采用模擬技術進行信號傳輸時，由于需要經過多次A/D轉換，將導致精度損失，受到EMI和其他外部因素的影響，可能會影響到模擬信號，而導致檢測不到信號，若采用防止EMI的屏蔽電纜，其價格也較為昂貴。在工業環境中若采用IO-Link的數字化技術，將可消除不必要的多次A/D轉換，可確保不損失精度，也不需要屏蔽電纜，因為數字信號具備抗EMI的能力，可以采用非屏蔽電纜，將可節省成本、空間和使用模擬I/O卡的費用，采用數字載體也可以同時承載多種數據。
IO-Link技術具有更強的抗噪能力，采用簡單的3線數字數據傳輸，能夠減少轉換損失、傳輸速度更快，可采用標準連接器和電纜（非屏蔽M12/M8電纜），電纜線長可超過20米，在一個端口上可以進行輸入／輸出雙向傳輸，因此可以連接傳感器和執行器。此外，IO-Link標準不受限于單一制造商，可適應任何現有的PLC和總線，可以替代多個標準，具有通用性，可方便、輕松地定制設計具彈性的生產線，并可進行無縫式遠程監控，可靈活接單并減少停機時間，通過遠程機器狀態監控，可實現預測性維護和節能，使其成為推動工業4.0的基礎。
依據統計數據顯示，在2020年時，全球已經有超過1600萬個IO-Link節點，預計到2023年時，IO-Link市場預計將達到120億美元以上，其中尤以亞太地區將會是IO-Link應用最大的市場，將可占有全球30%以上的市場空間，以及超過36億美元的市場份額。
完整的IO-Link解決方案與技術支持
針對市場對IO-Link技術的迫切需求，艾睿電子推出了符合IEC 61131-9 IO-Link規范的ARW-IOLM4P-STM32L4控制板，可執行從控制器到傳感器／執行器的點對點連接，ARW-IOLM4P-STM32L4是基于STM32L431RBT6控制器的多合一IO-Link Master 4端口解決方案，采用低功耗的STM32 ARM? Cortex?- M4 MCU，并包括符合IO-Link V1.1.3的4端口主控制器堆棧，已通過IO-Link主控端的一致性測試，可支持通過SPI連接到主機CPU，可簡化IO-Link主控設計，以減少軟件工作量，并提供有保證的IO-Link功能，艾睿電子還提供ARW-IOLM4P-EVAL01/02評估板，可縮短產品上市時間。
除了作為IO-Link通信核心的主控端和設備端收發器IC之外，ST還提供完整的生態系統，包括豐富的評估板產品組合與合作伙伴，ST和艾睿電子、TEConcept簽署了三方合作伙伴關系，其具體成果是IOLM4P，這是一款基于超低功耗STM32L4的4端口IO-Link主芯片解決方案，具有集成協議棧，能夠控制多達四個IO-Link設備。
另一方面，艾睿電子還可提供來自ST的L6360 IO-Link主控收發器與L6362A IO-Link從屬收發器，提供8-CH IO-Link主站和DI/DO Hub參考設計與IO-Link從屬軟件平臺，可用于工業4.0的IO-Link接口，以連接傳感器／執行器，可應用于工業自動化系統、Profinet／以太網／Profibus、可編程邏輯控制器與預測性維護等場合。
此外，艾睿電子還與ST合作開發單一MCU結合IO-Link Master／Ethernet IP／Profinet功能的微控制器，可支持8路IO-Link設備，支持雙控架構（PC或嵌入式主機），包含符合IO-Link V1.1.2標準的8端口主控制器堆棧，帶有2個集成的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，可應用于IO-Link主集線器、PLC、工廠自動化等領域。
艾睿電子也推出IO-Link塔燈解決方案，其采用M12標準工業連接器，可通過IO-Link接口控制執行器塔燈，并可配置不同的模式，支持IO-Link版本1.1/1.0物理層兼容，采用的核心芯片包括ST的四路低電位智能電源開關IPS4260L、IO-Link雙通道收發IC L6364Q，以及ARM Cortex-M0+ 32位MCU STM32G071、8Kbit串行EEPROM M24C08與1500W TVS SMB15F24A，以及模擬多路復用器STG3157CTR，并采用Murata的MEMS諧振器WMRAG32K76CS1C00R0與8MHz的陶瓷諧振器CSTNE8M00G520000R0，還有Amphenol ICC的M12圓形4 POS ST 通孔4端子1端口的M12A-04PMMP-SF8001與BergStik板對板連接器77311-1180xLF，可應用于執行器塔燈控制、工廠自動化與控制與樓宇自動化應用。
艾睿電子還與TE-concept合作，支持IO-Link軟件和合規性測試，可協助客戶進行IO-Link預先測試，可提供TE-Concept控制工具、IO-Link主測試儀、IODD Designer、IO-Link診斷工具，以及ST的所有電子組件與Amphenol的連接器、電纜、模塊，可加快IO-Link相關應用的產品開發速度。
先進的IO-Link主控和設備端芯片
ST看好IO-Link技術的發展，從一開始就加入了IO-Link聯盟，可提供主控和設備端芯片來實現IO-Link通信中的物理層，包括L6360、L6362A收發器與L6364的新設備芯片。
L6360是一款符合PHY2（3線）的單片IO-Link主收發器，支持COM1、COM2和COM3模式。C/Q輸出級可編程為高電位、低電位或推挽，可編程截止電流和截止電流延遲時間，并結合熱關斷和自動重啟功能，保護設備免受過載和短路的影響。C/Q和L+輸出級能夠驅動電阻、電感和電容負載，可驅動高達10 mJ的電感負載，監控電源電壓并檢測低電壓條件。
L6360 IO-Link通信主收發器IC的電源電壓范圍為18 - 32.5 V，可支持高達500 mA L+保護的高電位驅動器，可支持額外的IEC61131-2 type-1輸入，并支持短路、過流、過壓（> 36 V）、過熱、ESD等保護功能，采用小型化的VFQFPN-26L（3.5 x 5 x 1 mm）封裝。
L6362A則是符合PHY2（3線連接）的IO-Link和SIO（標準IO）模式收發器IC，支持COM1、COM2和COM3模式，可允許低電位、高電位側和推挽輸出配置，可驅動任何類型的負載（電阻、電容或電感）。L6362A是在24 V環境中運行的工業傳感器的理想接口，可連接到PLC、工業IO模塊或IO-Link主控端。
L6362A的電源電壓范圍為7 - 36 V，具有極其高效的功率級，RDSON為0.8 Ω / 1 Ω（低電位／高電位），輸出電流高達300 mA，能夠驅動L/C/R高達500mJ/30μF，支持喚醒檢測，以及5 V或3.3 V、10 mA可選線性穩壓器，還包含一組豐富的保護功能，包括VCC、GND、OUTH、OUTL和I/Q引腳之間的反極性，這是安裝工業傳感器的關鍵特性，其他保護功能還包括輸出短路、過壓／欠壓、過載、過溫和快速瞬態條件（±1 kV、500 Ω和18 μF耦合），具有EMC穩健性，可面對突波、浪涌與ESD，可在-40至125℃的溫度范圍工作，采用微型DFN封裝（3 x 3毫米）。
新推出的L6364則是一款雙通道IO-Link設備收發器IC，它可在具有傳感器或執行器功能的微控制器與24 V電源和信號電纜之間提供一座橋梁，指定用于支持COM2和COM3模式下的IO-Link通信。
多合一、靈活的PLC解決方案
ST針對工業自動化應用，也推出具有12個輸入和12個輸出的全功能工業級可編程邏輯控制器（PLC），支持采用觸摸屏顯示器的人機界面（HMI），這種一體化解決方案可確保快速輕松地訪問所有控制功能，搭配具有DSP和FPU指令的高性能STM32F7微控制器、具有L1緩存的自適應實時加速器（ART Accelerator?），以及具有專用Chrom-ART Accelerator?的LCD-TFT控制器，可用于創建增強圖形內容。
這個解決方案在輸入和輸出陣列上都提供了多種可能性，包括帶SPI接口的電隔離8通道高電位智能功率固態繼電器（ISO8200AQ）或4通道低電位智能功率開關（IPS4260L）可以驅動輸出，而高速數字輸入電流限制器（CLT01 -38SQ7）或自供電數字輸入電流限制器（CLT03-2Q3），則可分別提供高速SPI和支持60V的自供電輸入。
ST的ISO8200AQ是具有SPI接口的電隔離、八通道高電位工業輸出驅動器，每通道輸出電流可達0.7A，具有帶菊花鏈的20 MHz SPI接口，嵌入了多項保護功能，包括過熱（外殼和每個通道）和接地丟失，并可感應負載的快速退磁，符合IEC 61000-4-2、IEC 61000-4-4、IEC 61000-4-5和IEC 61000-4-8標準。
ST IPS4260則是一款四路低電位智能電源開關，具有四個獨立的受保護信道，每個信道具有0.5 A電流能力，嵌入了多種保護功能，包括接地和VCC斷線、過壓和開路負載，具備豐富的診斷功能，包括過載和熱關斷（通用和每通道），并符合IEC 61131-2標準。
用于位置和運動監測的工業傳感器
工業傳感器節點中使用了許多不同的位置和運動監測傳感器，以檢測物體的位置和方向，或檢測物體沿一個或多個軸的位移和旋轉。ST針對不同的用例制造了一系列最先進的數字傳感器，像是具有多目標檢測能力的飛行時間（ToF）測距傳感器，嵌入了ST的第三代FlightSense專利技術，結合了高性能接近和測距傳感器、多目標距離測量和自動污跡校正等功能，可以檢測物體的位置與距離。此外，加速度計則可參考地球的重力場，通常用于檢測最終產品的方向或在檢測到外部運動時喚醒系統，ST的MEMS加速度計則可以極低的功耗提供高精度測量結果。
ST已經推出多款的ToF測距傳感器，包括VL53L3CX多目標檢測ToF測距傳感器、VL53L0XToF測距傳感器、VL53L1CB先進的多區域和多對象檢測的ToF測距傳感器、VL53L1X ToF測距傳感器、VL53L4CD ToF高精度接近傳感器、具有擴展范圍測量的VL53L4CX ToF傳感器、VL6180V1 ToF接近傳感器、VL6180X接近傳感器和環境光感應（ALS）模塊等，可滿足客戶不同應用的多樣需求。
ST也針對不同應用，推出多款加速度計，包括可用于工業應用、具有數字輸出的超低功耗高性能3軸加速度計IIS2DH，以及采用MEMS技術的數字輸出運動傳感器，可用于工業應用的高性能超低功耗3軸加速度計IIS2DLPC，用于工業應用的高分辨率、高穩定性3軸數字傾角儀的IIS3DHHC，用于工業應用、具有數字輸出的高性能超低功耗3軸加速度計IIS328DQ，以及MEMS數字輸出雙運動和溫度傳感器LIS2DTW12等，可以針對工業應用提供多樣化的加速度測量。
ST也提供1點或3點翻滾傳感器校準，可計算3軸傳感器（通常是加速度計）的偏移和增益。MotionFX庫以往僅提供磁力計和陀螺儀校準，ST則添加了MotionFX庫的加速度計校準功能，并可讓最終用戶輕松實現定制和增強（MotionFX僅以二進制格式提供，而不提供源代碼），并易于在每個微控制器上使用（MotionFX只能在STM32上運行），可適用于ST的所有加速度計、eCompass模塊和iNemo慣性IMU。
NFC技術也可應用在工業自動化領域，ST推出的ST25R3916/7是高性能NFC通用器件和EMVCo讀取器，在適用時可支持NFC發起方、NFC目標、NFC讀取器和NFC卡仿真模式。該NFC IC完全符合EMVCo 3.0模擬和數字標準，針對POS終端應用進行了優化，即使在天線周圍有嘈雜的LCD顯示器等惡劣的條件下，也能實現最快的EMVCo 3.0認證周期。
ST25R3916/7設計用于在寬電源范圍（-40℃至+105℃范圍內為2.6至5.5 V，-20℃至+105℃范圍內為2.4至5.5 V）和寬廣的外設IO電壓范圍（從1.65到5.5 V）。由于這種高射頻輸出功率、低功率模式和寬電源范圍的組合，這些器件非常適合基礎設施的NFC應用。
高精度、超低功耗的參考設計與傳感器
針對工業智能傳感應用，ST 也推出 STEVAL-IOD04KT1 工業智能傳感器套件，這是基于 L6364W 雙 IO-Link 設備收發器的參考設計，可協助加速 IO-Link 工業連接領域的智能工業傳感器開發應用。該套件包含 STEVAL-IOD004V1 主板（不單獨銷售）、STLINK-V3MINI 編程器和調試器工具（包括一個 M8-M12 工業連接器適配器與20厘米的電纜），STEVAL-IOD004V1主板具有 STM32G071EB 這款主流 Arm? Cortex?-M0+ RISC 內核 MCU，工作頻率高達 64 MHz，以及 L6364W 可用于 SIO 和 IO-Link 傳感器應用的雙通道收發器 IC，此外還有 IIS2MDC 這款高精度、超低功耗的3軸數字輸出磁力計，以及 ISM330DHCX這款帶有機器學習內核的iNEMO慣性模塊，和帶有數字輸出的有限狀態機，適用于工業應用。
STEVAL-IOD04KT1參考設計支持IO-Link協議棧v.1.1，可提供額外的傳感器連接器、狀態LED、M8工業標準連接器，尺寸僅有45.8 x 8.3 mm，且形狀易于集成到工業傳感器外殼中，并提供可在STM32G071EB上運行的相關固件示例，使多個實際用例的實現成為可能。此參考設計的目標是基于IO-Link的智能工業傳感器應用，具有易于配置、遠程監控、減少接線、高級診斷和易于設備更換等功能。
結語
在朝向工業4.0發展的工業應用環境中，必須借助更先進的數字化IO-Link網絡技術，以及搭配各式各樣的傳感器，才能達成更智能的工業自動化應用。艾睿電子與ST等伙伴合作，推出了完整的解決方案與技術服務，能夠加快相關應用的開發速度，請即刻與艾睿電子聯系，以取得更詳細的產品與技術信息。
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