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适用于工厂自动化工作负载的最受欢迎的I / O端口

2020-09-28 16:28
朗锐智科
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随着物联网,大数据和机器智能的技术进步对制造业和自动化等行业提出了更高的要求,数据及其价值在信息技术(IT)和运营技术(OT) 效率方面的变化仍在不断发生重大变化   。在这个转型时代或所谓的“工业4.0”时代,越来越多的设备连接到机器。这给计算系统带来了巨大的压力,使其在特定功能和工作负载性能方面变得通用。

例如,工业计算机现在充当平台,用于在本地或边缘级别进行更紧密的工作负载合并和融合。换句话说,工业计算系统现在需要能够管理各种数据输入,这些数据来回传输有价值的信息以进行实时决策。因此,工业计算机需要支持各种旧式和新式输入输出(I / O)端口,以实现更强大的计算操作。本文将解释当今工业计算部署中使用的一些最受欢迎的I / O端口。

串行端口

为了使工业计算机能够与其他设备通信,串行端口是最常用的传统端口。串行端口标准可以追溯到1960年代,并且在将近60年后的今天仍在使用。这证明了串行端口的设计水平以及其数据传输的可靠性和质量。串行端口的主要限制是其数据速率,最高约为115,200位/秒。

RS-232 / 422/485

对于旧版串行端口,可以将其配置为以三种不同的模式运行:RS-232 / 422/485,具体取决于应用程序和与其连接的设备。

RS-232:在此模式下,端口以单点对点拓扑操作:只能连接一个设备。通常用于调制解调器,鼠标或键盘。电缆的最大长度为15m,最大运行速度为9,600波特。由于其单端数据传输,该端口还容易受到传输噪声和数据错误的影响。

RS-422:此模式类似于RS-232,但有一些优点。最大电缆长度可达1200m。而且,它可以在单主机,多从机模式下运行。这允许端口最多将数据传输到10个不同的设备。与RS-232相比,此模式还具有更好的抗传输噪声能力,因为它使用分开的导线对发送/接收数据并以差分数据传输模式工作。

RS-485:此模式扩展了RS-422的功能。它提供了真正的多点拓扑,而不是RS-232 / 422的单点对点。这样一来,最大连接的设备数可以增加到32个,但有一个限制,一次只能发送一个设备。

USB端口

USB于1995年被认为是老化的串行端口的替代品,USB已成为消费和工业市场上使用的大多数设备或传感器的事实上的标准端口。随着对更大带宽的需求增加, 传统的串行端口无法实现 视觉摄像头和指纹读取 器等现代 物联网传感器;这些类型的设备需要的带宽远远高于115.2 b / sec。对于大多数工业系统而言,传统串行端口的数量与较新的USB端口之间可以达到很好的平衡。根据   上 在应用程序和环境中,系统可能需要同时存在两个端口。系统上的旧版串行端口可用于连接到较旧的自动化设备或传感器,而现代高分辨率相机则可连接至USB端口。 除了USB端口的 更高的速度和灵活性,它也使智能电源管理连接的USB设备,缺乏传统的串行端口上的特性。此电源管理功能使系统可以使不使用的设备进入睡眠状态以接通电源,并在需要设备时立即将它们唤醒。如果有多个USB设备连接到系统,则可以帮助降低系统的总体功耗。

由于现代设备需要更高的速度,因此串行端口的后继产品于1995年作为通用串行总线或USB推出。USB的设计完全是为了解决传统串行端口的这些主要限制而设计的:

速度: USB 1.0以12 Mb /秒的数据速率启动,远大于115.2 b / s。USB版本的每次迭代都会将速度提高一个数量级,到2020年,速度将达到40 Gb / s。

多个设备:传统串行端口主要是一对一的端口设计。这将需要多个端口才能连接常见的外围设备,例如键盘或鼠标。USB被设计为一种智能串行协议,可以在一个端口上处理和枚举多达128个设备。  

USB 3.2 Gen 2 /超高速USB 10 Gbps

USB 3.2 Gen 2(以前称为USB 3.1)的速度高达10 Gbps(1),是USB 3.0的最大传输速率的两倍。为避免混淆,USB 3.2 Gen 2通常被称为“ SuperSpeed USB 10 Gbps”。该规范可显着提高性能,以满足存储和显示应用程序的计算要求。通过利用USB基础结构,新规范与现有USB产品兼容,从而允许在设备之间更快,可靠和方便地进行数据传输。

即使USB端口问世,传统的串行端口在现代工业系统中仍然存在。这是由于工厂中仍在使用旧版串行设备的缘故。这些设备的数十年使用经验证明了传统串行端口的可靠性。对于用于控制生产线或自动化的设备,可靠性和正常运行时间通常比原始传输速度或连接多个设备的能力重要。

视频显示端口  

显卡

最初的显示端口是由IBM在1987年设计的,用于其PS / 2系统。被称为VGA(视频图形阵列)端口的视频接口在32年后仍在使用。VGA设计为使用模拟信号而不是数字信号。VGA端口的主要限制是其最大分辨率,并且其设计不是可热插拔的(即使实际上可以做到这一点,也可能会损坏端口和显示器)。?  

DVI

1999年发布的数字视频接口(DVI)是旨在取代VGA端口的显示接口。DVI仅基于数字信号,以超出VGA端口的模拟极限。DVI可以两种不同的模式运行,具体取决于所需的最大分辨率和刷新率:单链路或双链路。单链路模式最高可以达到2560x1600 @ 30Hz,而双链路模式则可以达到3840 x 2400 @ 30Hz,这是标准的4K分辨率。  

HDMI接口

2002年发布的高清多媒体接口(HDMI)旨在以各种增强功能代替DVI。但是,一个重要的区别是,与DVI不同,HDMI不是开放标准。它是一个专有接口,并附带与其使用相关的许可费。HDMI最初是为消费电视设计的,因此它可以同时进行视频和音频传输,而这是DVI接口所缺少的。HDMI旨在为将来的发展提供最大的分辨率和刷新率。当前的HDMI 2.x版本可以扩展到8K(7680 x 4320 @ 120Hz)。为了安全和内容保护,HDMI可以使用HDCP(高带宽数字内容保护)来加密其信号。  

DP

显示端口(DP)于2008年发布,是VESA支持的开放标准视频/音频接口。因此,没有与DP相关的许可费。与HDMI类似,DP被设计为可在数据速度,最大分辨率和刷新率方面进行扩展。DP 2.0当前可以达到10K(10240 x 4320 @ 60Hz)。此外,DP附带了对增强/虚拟现实(AR / VR)设备(如耳机或眼镜)的支持。  

局域网(LAN)和以太网供电(PoE)  

对于高速有线连接,标准的RJ45 LAN端口是工业和嵌入式计算常用的。但通常需要设置和可靠的网络布局来布线物理电缆。使用标准铜缆,LAN端口的速度范围可以从10 / 100Mbps或高达10Gbps,最大电缆长度为100m。

10GbE

利用10GbE的网络以每秒10吉比特的速度传输以太网帧,是更常见的GbE连接速度的十倍。10GbE与物联网技术的性能进步保持同步,以更好地支持利用高速存储和I / O的应用程序。现有的Cat 5e,Cat-6,Cat 6a或专用的Cat-7电缆支持10GbE传输(取决于距离和所需的带宽),而无需重新布线。10GbE的相对简单性和速度使边缘计算机可以立即将大量快速采集和处理的数据卸载到企业网络上,从而为运营商和自动化网络系统提供实时见解,从而做出正确的决策。

PoE供电

标准LAN端口仅提供数据传输。但是在某些用例中,例如视频安全性或监视性,需要为多个IoT设备或摄像机提供电源。这项技术简称为“以太网供电”或PoE。

PoE的主要优点是消除了电源插座,这在远程或移动应用程序中是不可用的。例如,在公共交通或智慧城市应用中启用PoE的安全摄像机可从易于维护和安装中受益。这是由于一根电缆可以有效地提供数据和电源。

以太网供电(PoE)技术及其行业协议规范,PoE的4个主要优点以及PoE的部署用例

DIO和GPIO端口

数字I / O或通用I / O是用于电气设备或传感器的端口,这些端口没有通用接口,例如旧版串行或USB端口。这些设备的范围包括警报传感器,运动检测或生产线自动化控制器。通过将这些设备连接到系统的DIO端口,可以通过软件控制设备的动作或触发。例如,警报传感器连接到DIO的输入端口,而警报警报连接到DIO的相应输出端口。然后可以对软件应用程序进行编程,以检测输入端口的状态更改(触发警报传感器),并使输出端口更改状态以触发警报警报,从而发出警报。  

系统通常带有4个或8个或更多DIO端口。具有多个输入/输出端口,这将允许系统基于不同的触发事件与现实世界进行交互。然后可以对应用程序进行编程,以从多个输入端口触发输出端口上的一系列相关操作。扩展上面的警报示例,使用多个输出端口,我们不仅可以对系统进行编程,还可以在触发警报时对警报进行编程,还可以调用安全功能并同时关闭所有门。为了帮助嵌入式系统开发人员基于DIO端口编写其应用程序,提供了一个涵盖Windows和Linux OS的示例代码包,以使程序员能够轻松访问DIO端口。  

M12连接器

工业PC上的标准连接器(例如网络,串行或USB)并非设计用于恶劣环境中,例如汽车厂或食品加工厂。对于这些恶劣的环境,需要一种坚固,可靠且坚固的连接器,以确保工业PC和终端设备之间的连接不会中断。为此,M12连接器于1985年设计。M12连接器是具有12 mm锁定螺纹的圆形连接器。除了内置的锁定机制外,M12连接器还具有IP65 ,IP68   或更高的防护等级,可在冲洗和腐蚀性环境中提供防水和防尘   保护 。这些连接器有3、4、5、8和12种不同的针数。最常用的针配置是8针M12连接器,可用于千兆以太网LAN / PoE,旧式串行或USB 2.0。端口。  

常见应用及其引脚数:

传感器和电源:需要3和4针

Profinet和以太网:需要4和8针

现场总线,CANbus和DeviceNet:需要4和5针  

信号完整性:12针

m12连接器的编码可防止从计算机I / O正确连接到所连接的设备。A,   B, D和X代码引脚输出(见下文)在工业计算中最为常见和流行。但是,由于数字转换要求高速以太网传输更快的数据   , 因此10gbit以太网的x编码引脚将最终取代以太网的A和D编码引脚。  

工业计算的M12编码选项:

A编码的传感器,直流电源和1 Gbit以太网

B编码为Profibus

C编码的交流电源

D编码的100 Mbit以太网

X编码的10 Gb以太网

S编码的交流电源(最终将取代C编码的电源部件)

T编码的直流电源(最终将取代A编码的电源部件)

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