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工业智能化向前沿推进 芯片设计如何助力PLC低功耗、小型化

导读: 随工业物联网和智能化的不断推进,整个工厂网络面临重建,智能化控制正在加速向前沿、边缘推进,而工业设备边缘侧的小型化、低功耗要求显著更高。

工业领域的技术变革经过了几个时代,当前已经进入了工业4.0阶段,虽然技术更迭在加速,但每一次更迭都致力于相同的愿景,即提高生产效率、降低安全隐患、提高产品一致性和质量、缩短产品生产周期,以及降低生产过程的浪费。

对此,近些年一直将提升工业和工厂智能化作为主要目标市场的美信深有体会,2014年该公司推出面向工业市场的第一代微型PLC产品,大幅减小PLC尺寸;2016年推出的第二代Pocket IO产品,较上一代尺寸缩小2.5倍,功耗降低30%,整个模块体积缩小到可以放入口袋,这也是Pocket IO名称的来历。更重要的这一代产品通过引入了IO-Link技术,一种智能传感器技术,让工业控制真正实现自适应,能够让产线针对外界环境的变化,实现一些动态响应和调整。由此带来的最大好处是通过自适应调节提供生产灵活性,工厂可以用一条产线生产多种产品,不需要增建、扩建更多的产线;按照两年更新一代的节奏,到了今年2018年,美信如约推出了第三代工业平台Go IO产品,这一代产品的尺寸较上一代缩小10倍,功耗降低50%。

如果说第一代和第二代工业平台产品的推出背后是随着自动化水平的提高,工业领域对于模块体积要求越来越高,对分布式控制的需求也越来越多。那么到了第三代产品,我们能看到工业4.0对工厂建设的新要求和新趋势,即随工业物联网和智能化的不断推进,整个工厂网络面临重建,智能化控制正在加速向前沿、边缘推进,而工业设备边缘侧的小型化、低功耗要求显著更高。下图数据显示,当前市场对小型PLC的需求量几乎是大型PLC的2倍,明显见证了这一趋势,Go IO正是为此而来。

工业智能化向前沿推进 芯片设计如何助力PLC低功耗、小型化

“实际上Go IO的引入可以让客户实时监测产线运行的健康状况,每个环节是不是在正常健康的运转,同时引入一些诊断的功能,从而实现更加智能化的管理。而且从前沿智能传感器收集大量信息,能够获取更准确的数据,对人工智能的引入也是有帮助的,因为人工智能的算法可以基于这些精准的数据来做运算,从而做出正确的判断。Go IO的部署,可以让终端设备将收集到的数据送到云端,对于AI数据管理非常有利。”美信工业及医疗健康事业部总经理Jeff DeAngelis这样介绍Go IO对未来智能化工厂建设的意义。

最新一代Go IO产品在尺寸、功耗方面表现的显著改善得益于几颗核心器件的集成化设计和性能优化。包括将上一代通信模块MAX14949与变压器集成在一起,构成MAXM22510,尺寸减小了40%;IO部分的数字隔离器MAX14930和数字串行器MAX22190集成在一起,构成MAX22192,尺寸减小了31%;电源部分通过美信专有的uSLIC电源模块技术实现输出电流可达300mA工业电源模块MAXM15462,将高效同步整流的高压DC-DC转换器和电感、电容全部集成到一起,较上一代解决方案的尺寸减小了65%。最终实现的Go IO电路板尺寸只有12K mm3 。

工业智能化向前沿推进 芯片设计如何助力PLC低功耗、小型化

Go IO PLC板卡大小不及一张名片

然而在传统的工业领域,芯片产品的高集成度优势并不那么明显。对此,Jeff也坦言,因为工业领域的客户需求相对分散,如何在高集成度和灵活性之间取得平衡确实是产品定义中的一大难题。美信的做法是听取客户声音,与客户进行广泛沟通,了解他们的需求,在产品定义中以解决客户的实际问题为出发点是其经验之谈。

用一个细节来说明美信在产品定义中对客户实际需求的考量。MAX14912是一款8路数字输出芯片,以非常小的尺寸提供8通道的数字输出,它除了可以实现快速切换外,还具有安全的去磁功能,这点在工业控制里很重要,因为系统中的一些传感器是感性负载,在开关瞬间会产生很强的反冲,这个能量如果不能很好的处理会造成机器设备的损坏。MAX14912这颗IC里集成了释放通道,让它具有了去磁的功能,可以把感性负载的瞬间反冲吸收掉,为设备和其他单元提供有效的保护。帮助用户摆脱设计的局限性。

Jeff提到,之所以命名为Go IO,意在这款平台产品因为其小型化的特征可以进入更多的应用场景,不只局限于工业自动化应用,还可以进入包括楼宇自动化、机器人等同样对低功耗、小型化有较高要求的应用领域。“很多客户已经在design in阶段。”Jeff如是说。

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