从消费电子产品中借鉴

想想15年前你的手机是什么样子的。最有可能的是，它只能用于打电话——不能发短信，不能拍照，不能看视频，也不能听音乐。想象一下出差的时候，你的随身行李里塞满了相机、便携式CD播放器、旅行闹钟、GPS、录音机、日程计划、计算器等等。

现在快进到今天，智能手机可以用来执行所有这些功能，甚至更多，包括快速上网，高尔夫球场距离计算，以及通过富有想象力的应用程序完成其他任务。

将曾经需要独立组件组合成一个设备的趋势在工业自动化中也很明显。有趣的是，现代移动电话以更少的能源消耗执行许多功能的推动力，有助于使工业自动化组件更强大，更便宜，更节能，更可靠。

一个不太可能的联系

在增加处理器能力的同时提高能源效率的目标是由消费电子市场驱动的，特别是在手机等移动设备方面。然而，大多数工业自动化设备都不是便携式的，至少现在还不是，所以通常不需要考虑电池寿命。无线过程仪表是一个例外，今天的设备可以有长达10年以上的电池寿命。

虽然能源效率对消费电子产品至关重要，但在自动化领域并非如此，因为与被控制的过程相比，控制面板消耗的功率通常微不足道。此外，尽管能源成本正在飙升，但就处理器和其他自动化硬件而言，摊销硬件成本仍然使能源成本相形见绌。尽管如此，工业自动化客户受益于芯片制造商的永恒目标，即制造出能耗更低、功能更强大的处理器，这一目标需要在越来越少的芯片上塞入大量功能。这些新的功能强大的芯片在价格、上市时间、灵活性和可靠性方面为自动化领域提供了许多优势。

功能更强大，成本更低

用于移动消费电子设备的新型微处理器的研究和开发周期正在将处理器的价格降低到自动化供应商现在可以以低成本提供非常先进的多功能产品的水平。

对提高手机能效的需求促使芯片制造商将内存、Wi-Fi、USB和存储卡接口等功能集成到一个芯片上。在单个芯片内执行众多迄今为止完全不同的功能是新组件设计带来的最大好处之一。

在工业自动化领域，这意味着过去需要60个或更多芯片的印刷电路板(PCB)的功能现在可以用单个芯片提供。这使得设计工程师能够以紧凑的形式创建新的应用程序，这在以前是不切实际的，因为PCB面积需要容纳、供电和连接所有芯片和相关组件。

我们在plc中看到这种趋势，其中将更多组件集成到微处理器中已经消除了对额外外部自动化组件的需求。这些组件包括但不限于数据记录器、ASCII或数学协处理器、数字通信卡、PID控制器等。

还记得你不得不购买一个单独的以太网模块，以及将该模块与CPU模块集成所涉及的所有麻烦吗?今天，除了最便宜的plc外，所有plc都包括一个以太网端口，其中许多具有多个以太网和其他通信端口。

我们中的许多人都记得数据记录器还是一个独立实体的时候，它有自己的安装架、电源、CPU、I/O和内存。引入了包括数据记录的高端plc，以消除大多数应用中对单独数据记录系统的需求，现在甚至便宜的plc也经常具有此功能。除了数据记录之外，许多plc还通过上述通信端口提供数据库连接，通常支持各种网络协议。

更好的可靠性

将功能整合到更少的组件中，主要是PLC的CPU，不仅在控制柜中提供了更多的空间。它还为整个系统创造了更低的总体成本和功耗，以及更容易集成和更高的可靠性。

在某种程度上，将更高功能集成到处理器中的设计更可靠。这是因为较少的工作电路暴露于外部影响，如电磁干扰(EMI)，由该区域内的其他设备产生。它们本身也自然产生较少的EMI，并且不易受到表面污染物的影响，因为许多连接都密封在芯片的模具内。

同样的逻辑也适用于控制柜本身。例如，许多以前的外设模块现在被集成到单个产品中，如plc。这通过减少外部连接来提高可靠性，同时消除了将不同组件集成到一个工作整体中的需要。现代系统通常使用更少的电源，在机柜中产生更少的热量，从而进一步提高长期可靠性并降低冷却成本。

高度可定制的

半导体行业一直在发布新工具，帮助设计工程师满足客户对更小尺寸、更高可靠性、更容易编程、更快实现等方面的需求。

这如何转化到自动化世界呢?许多PLC和工业PC开发商正在将双核ARM Cortex-A处理器技术整合到他们的设计中，该技术最初是为智能手机设计的。ARM微处理器因其特性、外设功能、低功耗和灵活性而广受欢迎。

现场可编程门阵列(fpga)已显著受益于高性能，低能耗的芯片技术开发的消费电子市场。“这些fpga可以安装在PLC或工业PC控制器中，执行高速控制和同步等任务，这些任务过去需要单独的自动化组件，”主机工程总裁Robert Oglesby解释说。通过将一个或多个fpga与现成的部件(如ARM芯片)配对，开发人员可以以更低的成本创建高度可定制的产品。”

可编程的,灵活的

FPGA芯片不仅用途非常广泛，而且现在还附带了加速开发的工具，使更改能够在飞行中进行。因为fpga是可重新编程的，所以很容易改变硬连线逻辑，而不必购买新的asic和设计新的印刷电路板。

FACTS工程公司高级设计工程师David White介绍了他的公司如何使用基于fpga的数字信号控制器(DSC)创建成本更低、性能更高的运动控制模块。“开发DSC是为了为消费电子产品提供更好的音频，”怀特说。“虽然自动化领域没有使用DSC来改善音频，但它确实受益于其在电机控制、电源转换和传感器处理应用中的能力。”

现代dsc是高度灵活和非常强大的。它们可用于控制电源、逆变器和步进电机，从而节省大量能源和成本，同时提高可靠性并减少电路占用空间。

“因为有这么多的功能集成到DSC中，我们已经能够以更低的成本创建一个运动控制模块，”怀特补充说。“DSC可以处理曾经需要大量芯片的问题，现代开发工具使配置变得容易，因为它是在软件开发环境中完成的，而不是硬连接。”

对工业世界的警告

许多工业自动化用户对这些进步带来的不熟悉的技术和应用不太适应。挑战在于为用户提供熟悉的外观和感觉，同时为需要高级功能的用户提供更强大的特性。Oglesby说:“你需要知道如何在尊重传统的同时接受新产品，从而满足这两类用户的需求。”“你希望它能给客户带来舒适的体验，同时提供高可靠性的最高性价比。”

更复杂的是，设计工业自动化产品的工程师必须设计出较长的产品寿命，比消费电子产品的寿命长得多。智能手机可能在几年内就会过时，而PLC或工业PC的设计寿命为15年。一旦工业自动化客户将设备设计成机器，即使是设备规格的微小变化也会带来很大的不便。与消费电子产品不同，理想情况下，为工业自动化市场重新设计的设备对客户是完全透明的。

今天的智能手机所使用的芯片可能在几年后就不再生产了，相关的外围电子支持组件也是如此。为了避免无法保护组件，自动化开发人员应该在不使用太多组件的情况下使用消费电子技术，并确保关键项目的长期供应。

由于部件陈旧而导致的重新设计是维护寿命如此之长的产品所不可避免的，但工程师们尽其所能将这种风险降至最低。由于这个原因，人们通常会完全避免使用全新的技术。过于新颖的技术可能会迅速进行重大修改，使过时的部分很快被淘汰。设计工程师必须谨慎对待新技术。

Jason Horine是AutomationDirect的PLC产品工程师。

AutomationDirect是一个相2015年2月26日的会员

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侧边栏:模拟模块技术比较

有时候一幅图真的胜过千言万语。如图所示，两个模块，一个大约有10年的历史，另一个是新的，描绘了由于消费电子市场驱动的技术进步而导致的设计上的巨大变化。

为了进行准确的评估，这两个模块在形式、适用性和功能方面进行了直接的比较。在旧的模拟模块中，组件大多是通孔的，这意味着它们有两个或更多的引线，这些引线穿过电路板并焊接在背面。右边的新模块几乎完全由表面贴装组件组成，这意味着它们直接焊接到电路板的表面。

应用最新的消费电子技术获得的一个重要好处是减少了设计模块电路所需的组件的占地面积。新的模块大大减少了组件和芯片的数量，所以一个更小的电路板现在可以提供相同的功能，以前需要几乎两个全尺寸的电路板。

另一个好处是伴随着更小的尺寸和更高的性能而降低的成本。图表显示了这两种模块的产品以及相应的价格。不仅价格下降，而且新模块包含了额外的功能，提高了性价比。新模块中包含的可配置软件使开发人员能够比过去更容易、更快速地配置模块。新模块中的内置LCD提供了更大的诊断功能，包括计数，电压，mA等原始值的显示。

模块的比较
	0-20 mA 4-20 mA	0 - 5 v直流 清廉直流	±5 Vdc ±10伏直流	12位 决议	16位 决议	软件可配置的	内置的 液晶显示器
F4-08AD(495美元)	u	u	u	u
P3-08AD(332美元)	u	u	u	u	u	u	u

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