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工业自动化网络设计是怎样的设计

低功耗正在成为工业自动化收集设计和实施中越来越紧张的身分,并且有新的协议可用于赞助低落功耗和资源。

只管人们觉得功耗不是工业自动化中的关键设计问题,但因为几个缘故原由,低功耗设计在以前几年中变得异常紧张。首先是电力的显着资源。远程节制更多系统,是以节制器和无线系统的功耗增添。这相称于全天下数百万美元,减少这项法案是煤油价格如斯之高的关键焦点。许多工业用户的关税依附于电力的可用性,并且可以在需求增添时削减供应,使得能够以更低的功率运行。

无线技巧可以经由过程多种要领低落功耗。经由过程低功耗芯片,适当的协讲和功耗感知软件低落无线收发器的功耗可以赞助低落直接资源。此外,无线节制器还可以在工厂车间周围应用,以节制加热,照明和高压空调的水平,详细取决于当时的活动和职员配备水平。这可以大年夜大年夜低落举措措施的总体直接功耗。

还有其他驱动器可以低落功耗。设计和制造收发器芯片的技巧成长现在将无线设备和模块带入能量网络的能力范围内。这意味着从情况中清除的功率 - 平日来自振动或工厂车间的温度 - 可用于为传感器和无线链路供电,而无需按期替换电池。这样,假如传感器必要替换电缆或替换电池,则可以将传感器放置在曩昔无法造访的大年夜量位置。这样可以在故障导致临盆线竣事之前对设备进行更亲昵的监控,修复或替换。无线传感器的应用也为工业客户带来了直接的资源节约。然则,在低落无线系统功耗时,要经由过程低落收发器功率或应用固有的低功耗拓扑(如网状收集)来办理问题。根据数据速度,延迟和收集节点之间的间隔,还可以应用几种不合的协议。

还有多种频率可供选择,每种频率都有自己的上风和寻衅。

越来越受迎接的范围是未经许可的2.4 GHz,从蓝牙Wi-FiZigbee有许多不合的措施。标准组织正在开拓这些技巧的低功率版本,然则频带本身比其他更低频率本身更耗电。

因为该频率可在举世范围内应用并用于广泛的破费者和企业利用,是以收发器可从低资源的规模经济中受益,系统集成商可供给多种设备和模块供您选择。然而,这是一个拥挤的频谱带,对来自同一破费者和企业系统以及微波和其他发射的滋扰很敏感。许多协议没有针对实时数据进行优化,应用最佳环境算法,并且假如因为滋扰必须赓续从新发送数据包,也会增添功耗。

其他无线协议是经由过程专有措施或现有工业标准开拓的。例如,Cyan Technology开拓了自己的CyNet网状收集,用于875 MHz频段的超低功率链路,而Hart已经将其用于WirelessHART的HARTbus协议扩展到网状收集中的链路设备。

网状收集具有低功耗的关键上风,但在数据吞吐量和延迟方面存在其他问题。网状收集应用每个节点将消息转发到下一个节点,直到消息到达其目的地。这意味着功率是以尺寸要求低得多,由于收发器只必要到达其近来的邻居。然则,数据可能必须跳几回才能到达目的地,从而增添延迟。每个节点还必须处置惩罚两组数据流量,将可用带宽减半。这可以经由过程来自传感器和监测设备的小数据包来补偿。这平日不是问题,但延迟效应是。 WirelessHART应用2.4 GHz频段为仍旧应用网状收集的实时数据供给更高的吞吐量和所需的延迟,以维持低功耗和节点资源。

SP100.11a

WirelessHART网状收集

SP100.11a应用与WirelessHART相同的协议,但它是一种开放标准,支持多种协议,包括单个无线根基举措措施上的Profibus。它旨在支持工厂自动化利用法度榜样的机能级别,而不仅仅是历程节制,并且是ANSI标准。

GHz ISM

Atmel的AT86RF230-ZU是专为802.15.4和Zigbee设计的CMOS 2.4 GHz收发器,以及WirelessHART和SP100.11a协议。因为它事情在2.4 GHz空间,是以它也可用于应用6LoWPAN协议的系统(见下文)。

Atmel的AT86RF230 2.4 GHz收发器支持Zigbee、WirelessHART、SP100.11a和6LoWPAN

AT86RF230是一种真正的SPI到天线设计,除了片上集成的天线,晶体和去耦电容外,还有所有RF关键元件,可与Atmel的AVR系列等外部微节制器共同应用。它集成了模拟无线电收发器和数字解调,包括光阴和频率同步和数据缓冲,只必要一个天线,一个晶体和四个去耦电容。双向差分天线引脚用于发送和接管,是以不必要外部天线开关

接管到的RF旌旗灯号经由过程差分线路经由过程低噪声放大年夜器(LNA)馈送到RF滤波器(PPF),以孕育发生繁杂旌旗灯号。该旌旗灯号由混频器向下转换为中频,并馈送到集成通道滤波器。限幅放大年夜器供给足够的增益来驱动模数转换器ADC)并孕育发生数字旌旗灯号,然后由数字基带接管器采样。

对付传输,器件应用在数字发送器中天生的偏移-QPSK(O-QPSK)调制,然后馈送到功率放大年夜器,而内部128字节RAM缓要冲发送的数据或接管的数据。这种组合供给-17 dBm至3 dBm的可编程输出功率,接管灵敏度为-101 dBm,链路预算为104 dB。

Zigbee

德州仪器TI)用于Zigbee的CC2531低功耗SoC是一款支持USB的真正片上系统(SoC)办理规划,适用于IEEE 802.15.4和Zigbee利用,如工业节制。凭借内置的无晶体USB接口,它可以构建USB加密狗或USB可进级收集节点,总资源低。 CC2531将Chipcon的RF收发器的机能与行业标准的增强型32 MHz 8051微节制器,系统内可编程闪存和8 KB RAM相结合。对付必要超低功耗的系统,它还具有各类操作模式,并且操作模式之间的短转换光阴进一步确保了低能耗。

CC2531 Zigbee集成收发器USB SoC

蓝牙

蓝牙现在也正在成为工业自动化的可行技巧。该标准的最新版本Bluetooth v4.0向核心规范引入了低能耗技巧,使新设备能够在微型纽扣电池上运行数月以致数年。

跟着这项技巧被多家供应商的安然和破费者利用所采纳,资源在工业利用中变得极具吸引力,分外是在必要扩展范围链接的环境下。

莱尔德科技的BISM2蓝牙模块增添了功率放大年夜器和低噪声旌旗灯号放大年夜器,可供给长达1,000米的蓝牙连接。 25 mm x 35 mm模块经由过程串行数据端口连接到高机能集成蓝牙天线。除了采纳完全认可的嵌入式蓝牙协议栈外,该模块还包括一个周全的AT风格界面,可将利用法度榜样的开拓光阴从数月缩短至数天。

集成功率放大年夜器供给25 mW输出和功率节制,而低噪声放大年夜器将接管灵敏度前进到优于-84.5 dBm以得到范围。假如设备和设备散播在全部站点上,这将分外有用。

Laird Technologies的BISM2长间隔蓝牙模块

WirelessHART

根据IEEE802.15.4的规定,2.4 GHz ISM频段分为16个非重叠频道。 WirelessHART应用伪随机信道跳频序列来低落与其他收集(尤其是Wi-Fi)滋扰的可能性。信道跳变意味着设备不会固定在IEEE802.11b/g收集正在应用的信道上很长一段光阴。应用时分多址(TDMA)协议可确保在任何给准光阴只有一个设备在通道上通话,从而防止消息冲突并经由过程应用10 ms时隙来供给定义的延迟。

WirelessHART应用带有10 dB放大年夜器的2.4 GHz无线电,容许最多200 m的通信到下一个节点,这又可以作为路由器沿着网格通报消息。当不必要全间隔时,节点可以以较低功率发送以削减滋扰其他收集的时机。

它应用直接序列扩频(DSSS)供给大年夜约8 dB的附加增益,其传输范围散播在所选信道的全部频率范围内。具有精确解码信息的设备可以接管数据,而其他设备将传输视为白噪声并轻忽它。这容许接管和共存多个重叠的无线电旌旗灯号。

6LoWPAN

与此同时,互联网事情组不停致力于应用IPv4和IPv6连接传感器和设备的更高档别协议。 6LoWPAN或IPv6低功耗无线个域网已定义了封装和报头定义,容许经由过程IEEE 802.15.4收集(如Zigbee)发送IPv6数据包,以便可以在更广泛的Internet上应用这些数据包。

6LoWPAN的目标是低功率无线电通信,数据速度较低,形状异常有限,工业自动化是关键领域。经由过程指定在不合收集上发送相同分组的要领,转换分组的需求较少,从而低落了繁杂性,功耗和资源。

虽然这是一种更高档其余协议,但它会直接影响无线收集中实现的处置惩罚请乞降数据包大年夜小,从而影响每个节点的功耗。

其他ISM频段

2.4 GHz频段并非天下上独一用于工业自动化的频段。其他较低的ISM频段具有相同功率预算的更大年夜范围的上风,从而供给明显的功率上风。这些较低的频段不必然能携带大年夜量数据,但这不是工业自动化的问题。应用网状收集拓扑布局,应用这些较低频段的设备可以明显低落功耗。然而,这些不是大年夜批量利用,是以终端设备资源可能更高。这些频段中的设备也倾向于应用专有协议,从而限定了互操作性。

Semtech XE1205是一款低功耗,零中频集成收发器,事情在433/868/915 MHz ISM频段,可处置惩罚宽带和窄带链路,为应用工业协议供给关键上风收集和历程节制。

设备中的所有主要RF通信参数都是可编程的,此中大年夜部分都可以动态设置。它可用于欧洲(ETSI EN 300-220-1),25 kHz信道距离和北美(FCC第15部分)监管标准。

Semtech的TrueRF技巧打消了对SAW滤波器的需求,削减了元件数量和系统资源,同时仍满意ETSI和FCC规定。

同样,Silicon Labs SI1012-A-GM是一款低功耗240至960 MHz收发器,集成了25 MHz 8051微节制器和12位ADC。

收发器支持FSK,GFSK和简单的开关OOK幅度调制,接管灵敏度为-121 dBm,输出功率为13 dBm。它在接管模式下应用18.5 mA,在短间隔+1 dBm链路上应用18 mA。

Silicon Labs Sl1012 240-960 MHz集成收发器

滥觞:收集

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