工業(yè)智能化向前沿推進(jìn)，芯片設(shè)計如何助力PLC低功耗、小型化

工業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)變革經(jīng)過了幾個時代，當(dāng)前已經(jīng)進(jìn)入了工業(yè) 4.0 階段，雖然技術(shù)更迭在加速，但每一次更迭都致力于相同的愿景，即提高生產(chǎn)效率、降低安全隱患、提高產(chǎn)品一致性和質(zhì)量、縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期，以及降低生產(chǎn)過程的浪費。

對此，近些年一直將提升工業(yè)和工廠智能化作為主要目標(biāo)市場的美信深有體會，2014 年該公司推出面向工業(yè)市場的第一代微型 PLC 產(chǎn)品，大幅減小 PLC 尺寸；2016 年推出的第二代 Pocket IO 產(chǎn)品，較上一代尺寸縮小 2.5 倍，功耗降低 30%，整個模塊體積縮小到可以放入口袋，這也是 Pocket IO 名稱的來歷。更重要的這一代產(chǎn)品通過引入了 IO-Link 技術(shù)，一種智能傳感器技術(shù)，讓工業(yè)控制真正實現(xiàn)自適應(yīng)，能夠讓產(chǎn)線針對外界環(huán)境的變化，實現(xiàn)一些動態(tài)響應(yīng)和調(diào)整。由此帶來的最大好處是通過自適應(yīng)調(diào)節(jié)提供生產(chǎn)靈活性，工廠可以用一條產(chǎn)線生產(chǎn)多種產(chǎn)品，不需要增建、擴(kuò)建更多的產(chǎn)線；按照兩年更新一代的節(jié)奏，到了今年 2018 年，美信如約推出了第三代工業(yè)平臺 Go IO 產(chǎn)品，這一代產(chǎn)品的尺寸較上一代縮小 10 倍，功耗降低 50%。

如果說第一代和第二代工業(yè)平臺產(chǎn)品的推出背后是隨著自動化水平的提高，工業(yè)領(lǐng)域?qū)τ谀K體積要求越來越高，對分布式控制的需求也越來越多。那么到了第三代產(chǎn)品，我們能看到工業(yè) 4.0 對工廠建設(shè)的新要求和新趨勢，即隨工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和智能化的不斷推進(jìn)，整個工廠網(wǎng)絡(luò)面臨重建，智能化控制正在加速向前沿、邊緣推進(jìn)，而工業(yè)設(shè)備邊緣側(cè)的小型化、低功耗要求顯著更高。下圖數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)前市場對小型 PLC 的需求量幾乎是大型 PLC 的 2 倍，明顯見證了這一趨勢，Go IO 正是為此而來。

美信工業(yè)及醫(yī)療健康事業(yè)部總經(jīng)理 Jeff DeAngelis

“實際上 Go IO 的引入可以讓客戶實時監(jiān)測產(chǎn)線運行的健康狀況，每個環(huán)節(jié)是不是在正常健康的運轉(zhuǎn)，同時引入一些診斷的功能，從而實現(xiàn)更加智能化的管理。而且從前沿智能傳感器收集大量信息，能夠獲取更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，對人工智能的引入也是有幫助的，因為人工智能的算法可以基于這些精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)來做運算，從而做出正確的判斷。Go IO 的部署，可以讓終端設(shè)備將收集到的數(shù)據(jù)送到云端，對于 AI 數(shù)據(jù)管理非常有利?！泵佬殴I(yè)及醫(yī)療健康事業(yè)部總經(jīng)理 Jeff DeAngelis 這樣介紹 Go IO 對未來智能化工廠建設(shè)的意義。

最新一代 Go IO 產(chǎn)品在尺寸、功耗方面表現(xiàn)的顯著改善得益于幾顆核心器件的集成化設(shè)計和性能優(yōu)化。包括將上一代通信模塊 MAX14949 與變壓器集成在一起，構(gòu)成 MAXM22510，尺寸減小了 40%；IO 部分的數(shù)字隔離器 MAX14930 和數(shù)字串行器 MAX22190 集成在一起，構(gòu)成 MAX22192，尺寸減小了 31%；電源部分通過美信專有的 uSLIC 電源模塊技術(shù)實現(xiàn)輸出電流可達(dá) 300mA 工業(yè)電源模塊 MAXM15462，將高效同步整流的高壓 DC-DC 轉(zhuǎn)換器和電感、電容全部集成到一起，較上一代解決方案的尺寸減小了 65%。最終實現(xiàn)的 Go IO 電路板尺寸只有 12K mm3 。

Go IO PLC 板卡大小不及一張名片

然而在傳統(tǒng)的工業(yè)領(lǐng)域，芯片產(chǎn)品的高集成度優(yōu)勢并不那么明顯。對此，Jeff 也坦言，因為工業(yè)領(lǐng)域的客戶需求相對分散，如何在高集成度和靈活性之間取得平衡確實是產(chǎn)品定義中的一大難題。美信的做法是聽取客戶聲音，與客戶進(jìn)行廣泛溝通，了解他們的需求，在產(chǎn)品定義中以解決客戶的實際問題為出發(fā)點是其經(jīng)驗之談。

用一個細(xì)節(jié)來說明美信在產(chǎn)品定義中對客戶實際需求的考量。MAX14912 是一款 8 路數(shù)字輸出芯片，以非常小的尺寸提供 8 通道的數(shù)字輸出，它除了可以實現(xiàn)快速切換外，還具有安全的去磁功能，這點在工業(yè)控制里很重要，因為系統(tǒng)中的一些傳感器是感性負(fù)載，在開關(guān)瞬間會產(chǎn)生很強的反沖，這個能量如果不能很好的處理會造成機器設(shè)備的損壞。MAX14912 這顆 IC 里集成了釋放通道，讓它具有了去磁的功能，可以把感性負(fù)載的瞬間反沖吸收掉，為設(shè)備和其他單元提供有效的保護(hù)。幫助用戶擺脫設(shè)計的局限性。

Jeff 提到，之所以命名為 Go IO，意在這款平臺產(chǎn)品因為其小型化的特征可以進(jìn)入更多的應(yīng)用場景，不只局限于工業(yè)自動化應(yīng)用，還可以進(jìn)入包括樓宇自動化、機器人等同樣對低功耗、小型化有較高要求的應(yīng)用領(lǐng)域?！昂芏嗫蛻粢呀?jīng)在 design in 階段?！盝eff 如是說。

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