工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展歷程與未來(lái)趨勢(shì)

更智能、數(shù)字化的工業(yè)

自動(dòng)化生產(chǎn)環(huán)境

工業(yè)自動(dòng)化（Industrial Automation）的發(fā)展旨在提升生產(chǎn)效率、降低成本并減少人力依賴，這一過(guò)程涵蓋了多種技術(shù)的應(yīng)用與進(jìn)步。工業(yè)自動(dòng)化的核心在于將工廠中的機(jī)械設(shè)備、控制系統(tǒng)及信息技術(shù)集成，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化、數(shù)字化與智能化。本文將為您介紹工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展歷程與目前的趨勢(shì)，以及由NXP（恩智浦）所推出的相關(guān)解決方案。

工業(yè)自動(dòng)化的發(fā)展與未來(lái)趨勢(shì)

工業(yè)自動(dòng)化的早期階段主要依賴機(jī)械技術(shù)與簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng)。此時(shí)，自動(dòng)化設(shè)備主要是一些基于繼電器和簡(jiǎn)單電氣系統(tǒng)的控制機(jī)構(gòu)。到了20世紀(jì)70年代，隨著可編程邏輯控制器（PLC）的發(fā)展，工業(yè)自動(dòng)化進(jìn)入了數(shù)字時(shí)代。PLC允許工廠管理者通過(guò)編程來(lái)靈活控制生產(chǎn)流程，并實(shí)現(xiàn)多任務(wù)序的自動(dòng)化。

隨著微處理器、通信技術(shù)和傳感器技術(shù)的發(fā)展，工廠的自動(dòng)化程度不斷提高。監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（SCADA）和分布式控制系統(tǒng)（DCS）等技術(shù)開始普及，工廠內(nèi)部的信息流更加暢通，生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量大幅提升。

現(xiàn)今的工業(yè)自動(dòng)化逐步向工業(yè)4.0邁進(jìn)，強(qiáng)調(diào)數(shù)字化、互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)（IoT）技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)「智能工廠」的概念。在智能工廠中，設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，并通過(guò)數(shù)據(jù)分析、人工智能等技術(shù)自動(dòng)優(yōu)化生產(chǎn)流程。

工業(yè)自動(dòng)化會(huì)用到多種核心技術(shù)，包括可編程邏輯控制器、分布式控制系統(tǒng)（DCS）、監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（SCADA）、工業(yè)機(jī)器人、傳感技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)（IoT）、大數(shù)據(jù)與人工智能（AI）、邊緣計(jì)算與工業(yè)云等技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)更具有運(yùn)營(yíng)效率、更為安全的自動(dòng)化工廠環(huán)境。

工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用未來(lái)將與人工智能進(jìn)行深度融合，隨著人工智能技術(shù)的進(jìn)步，工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)將能夠自主學(xué)習(xí)和優(yōu)化生產(chǎn)流程，進(jìn)一步減少人為干預(yù)。此外，結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)能夠在虛擬環(huán)境中模擬真實(shí)工廠，提前發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程中的潛在問(wèn)題并進(jìn)行優(yōu)化，提高決策的準(zhǔn)確性和生產(chǎn)效率。另一方面，未來(lái)工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)將更加注重人機(jī)協(xié)作，讓自動(dòng)化設(shè)備和工人能夠無(wú)縫協(xié)作，以提高生產(chǎn)靈活性。工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的快速發(fā)展推動(dòng)了制造業(yè)的變革，并且隨著技術(shù)的進(jìn)一步融合與創(chuàng)新，未來(lái)工業(yè)自動(dòng)化的應(yīng)用范圍和智能化水平將會(huì)更加廣泛。

多種應(yīng)用提升工業(yè)自動(dòng)化的生產(chǎn)效率

工業(yè)自動(dòng)化涵蓋多種應(yīng)用，包括運(yùn)動(dòng)控制和機(jī)器人、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、PLC和遠(yuǎn)程IO、工業(yè)人機(jī)接口、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等。運(yùn)動(dòng)控制和機(jī)器人的實(shí)時(shí)控制和集成連接能力，對(duì)于機(jī)械臂和整個(gè)工廠車間的同步操作至關(guān)重要，必須支持多軸運(yùn)動(dòng)控制到高性能機(jī)器人應(yīng)用，來(lái)滿足同步和協(xié)調(diào)移動(dòng)的需求，其中需要處理器集成多種連接功能，并支持多種實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，以提供確定性和實(shí)時(shí)控制。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)器則通過(guò)精確的速度和位置控制，節(jié)約能源、延長(zhǎng)電機(jī)壽命，關(guān)鍵在于有安全互聯(lián)處理的高效電源管理。電機(jī)驅(qū)動(dòng)器可精確控制速度和位置，節(jié)約能源并延長(zhǎng)電機(jī)的使用壽命，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器采用了安全邊緣處理、高效電源管理IC、RTC、具有電流監(jiān)測(cè)功能的熱效率電源驅(qū)動(dòng)器、USB和CAN收發(fā)器以及電壓電平轉(zhuǎn)換器。

在PLC和遠(yuǎn)程IO方面，將采用面板式控制器和大型分布式控制系統(tǒng)，需要安全可靠的實(shí)時(shí)計(jì)算解決方案，以精確管理機(jī)器和流程，實(shí)現(xiàn)工廠內(nèi)的同步操作。對(duì)于最小的IO應(yīng)用到最強(qiáng)大的高性能PLC應(yīng)用，必須采用具有多個(gè)通信接口和TSN的低功耗邊緣微控制器和處理器、高精度和高性能模擬和數(shù)字前端，以及信息安全和功能安全。

工業(yè)人機(jī)接口則便于系統(tǒng)的操作，強(qiáng)大的工業(yè)級(jí)解決方案具有豐富的圖形功能，可將復(fù)雜的制造流程轉(zhuǎn)變?yōu)榍逦?、可操作的圖例，幾乎可在任何地方使用。其中需要采用工業(yè)級(jí)微處理器，為苛刻的工業(yè)環(huán)境提供HMI解決方案。這些設(shè)備經(jīng)過(guò)上電測(cè)試來(lái)模擬關(guān)鍵應(yīng)用的全天候運(yùn)行，在這些關(guān)鍵應(yīng)用中，精度、性能和使用壽命都是重要因素。

工業(yè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備包括工業(yè)網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)和交換機(jī)，可將操作技術(shù)（OT）和信息技術(shù)（IT）網(wǎng)絡(luò)，以及完全不同的協(xié)議相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)安全、可靠、確定性的實(shí)時(shí)操作。工業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)必須實(shí)時(shí)完成大量數(shù)據(jù)的傳輸，為了在整個(gè)工廠車間實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)同步的自動(dòng)化，工業(yè)系統(tǒng)必須將IT和OT網(wǎng)絡(luò)及其協(xié)議結(jié)合起來(lái)，并應(yīng)對(duì)日益嚴(yán)重的安全威脅。這些系統(tǒng)也需要先進(jìn)的安全處理、有線和無(wú)線連接，以及對(duì)一系列工業(yè)協(xié)議的支持。

經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的多功能、高性能應(yīng)用處理器

為滿足市場(chǎng)對(duì)更多功能、更高性能的應(yīng)用需求，NXP推出了一系列的i.MX 9應(yīng)用處理器，i.MX 9系列應(yīng)用處理器建立在經(jīng)市場(chǎng)驗(yàn)證的i.MX 6和i.MX 8系列產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，匯集了性能更高的應(yīng)用內(nèi)核、獨(dú)立的類MCU實(shí)時(shí)域、Energy Flex架構(gòu)、先進(jìn)的由EdgeLock安全區(qū)域加持的安全性，和專用多傳感數(shù)據(jù)處理引擎（圖形、圖像、顯示、音頻和語(yǔ)音）。i.MX 9系列是EdgeVerse 邊緣計(jì)算平臺(tái)的一部分，該系列的很多產(chǎn)品集成了硬件神經(jīng)處理單元，可加速邊緣的機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）應(yīng)用。

i.MX 9系列應(yīng)用處理器包括i.MX 91、i.MX 93與i.MX 95，i.MX 91產(chǎn)品家族具有安全高效的特性，為成千上萬(wàn)的邊緣應(yīng)用提供了基于Linux的解決方案，可應(yīng)用于安全Linux控制器平臺(tái)、物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)RTOS；i.MX 93則是面向汽車、消費(fèi)電子和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的機(jī)器學(xué)習(xí)加速、高能效的MPU，可應(yīng)用于ML Vision、汽車邊緣、工業(yè)HMI、智能家電、工業(yè)和物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)；i.MX 95是面向汽車、工業(yè)和物聯(lián)網(wǎng)邊緣的安全、可靠且互聯(lián)的應(yīng)用處理器，支持ML Vision、安全平臺(tái)、HMI、強(qiáng)大的Android/Linux平臺(tái)。未來(lái)的i.MX 9系列可擴(kuò)展平臺(tái)，還將推出更多采用Arm v8.2-A（32位/64位）內(nèi)核的應(yīng)用處理器，敬請(qǐng)期待。

以下將重點(diǎn)介紹i.MX 93應(yīng)用處理器，這款處理器通過(guò)集成的EdgeLock安全區(qū)域提供高效的機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）加速和高級(jí)安全，以支持高能效的邊緣計(jì)算。i.MX 93處理器是i.MX系列中首個(gè)集成了可擴(kuò)展的Arm Cortex-A55內(nèi)核的產(chǎn)品，有助于提高Linux邊緣應(yīng)用及Arm Ethos-U65 microNPU的性能與能效，助力開發(fā)人員打造功能更強(qiáng)大、更具成本效益、更節(jié)能的ML應(yīng)用。

i.MX 93處理器采用NXP創(chuàng)新的Energy Flex架構(gòu)，可優(yōu)化工業(yè)、物聯(lián)網(wǎng)和汽車設(shè)備的性能與能效。SoC針對(duì)汽車、工業(yè)和消費(fèi)電子物聯(lián)網(wǎng)細(xì)分市場(chǎng)提供豐富的外設(shè)。作為EdgeVerse 智能邊緣解決方案的一部分，i.MX 93處理器提供消費(fèi)電子、工業(yè)、擴(kuò)展工業(yè)和汽車級(jí)認(rèn)證的產(chǎn)品，并由NXP產(chǎn)品長(zhǎng)期供貨計(jì)劃提供支持。

i.MX 93 處理器支持多核處理，具有1-2個(gè)Arm Cortex-A55，主頻為 1.7GHz，以及 Arm Cortex-M33 @ 250Mhz與Arm Ethos U-65 microNPU，支持EdgeLock安全區(qū)域，在連接能力上支持帶PHY的兩個(gè)USB 2.0 Type C接口，2個(gè)千兆以太網(wǎng)接口，具有AVB與IEEE 1588用于同步模式，節(jié)能以太網(wǎng)（EEE）用于低功耗模式，其中1個(gè)支持TSN，還有兩個(gè)CAN-FD、8個(gè)UART，8個(gè)I2C，8個(gè)SPI，兩個(gè)I3C接口，此外還支持外部存儲(chǔ)器、圖形、顯示屏接口、攝像頭接口、音頻等功能，支持的操作系統(tǒng)包括Linux、FreeRTOS、Greenhills、QNX與 Vxworks，提供多種尺寸的FCCSP封裝，可在-40 至 125℃ 的溫度范圍下運(yùn)作。

新型產(chǎn)品開發(fā)板提升產(chǎn)品開發(fā)速度

為加速客戶的產(chǎn)品開發(fā)速度，NXP推出了i.MX 93 QSB，這是i.MX 93產(chǎn)品家族中新增的一款開發(fā)板。i.MX 93快速入門評(píng)估套件QSB提供了一個(gè)低成本平臺(tái)來(lái)評(píng)估9x9mm封裝中的i.MX 93應(yīng)用處理器。

該單板解決方案由i.MX 93 SoC（9x9mm封裝）、LPDDR4/LPDDR4X、eMMC、PMIC組成，提供產(chǎn)品評(píng)估所需的廣泛連接性，并可實(shí)現(xiàn)功率測(cè)量，使用NXP PMIC PCA9451A，通過(guò)M.2接口連接到NXP Wi-Fi和BT – IW612（與所有模塊制造商兼容），并支持EVK的軟件板支持包（BSP），經(jīng)過(guò)廣泛驗(yàn)證，包括PCA9451A和IW612模塊的驅(qū)動(dòng)程序。該套件通過(guò)提供更低成本的參考板設(shè)計(jì)來(lái)加快您的上市時(shí)間，從而提供了一個(gè)極好的起點(diǎn)。此外，NXP還有推出支持不同封裝尺寸的評(píng)估套件，包括MCIMX93-EVK（11 x 11mm）可供選擇。

i.MX 93處理器支持兩個(gè)千兆位以太網(wǎng)控制器（能夠同時(shí)運(yùn)行），并支持節(jié)能以太網(wǎng)（EEE）、以太網(wǎng)AVB和IEEE 1588。MCIMX93-QSB板上使用了1個(gè)RTL8211FDI-VD-CG以太網(wǎng)收發(fā)器，符合10Base-T、100Base-TX和1000Base-T IEEE 802.3標(biāo)準(zhǔn)。

此開發(fā)板可應(yīng)用于工業(yè)應(yīng)用中的空調(diào)、樓宇安全與保安、斷路器、熱量表、工業(yè)人機(jī)界面，在智能城市應(yīng)用中的車隊(duì)管理、庫(kù)存和供應(yīng)鏈管理，在智能家居應(yīng)用中的音頻／視頻（AV）接收器、家庭控制面板、家庭安全和監(jiān)控、家用能源顯示、家電、機(jī)器人設(shè)備等產(chǎn)品。

結(jié)語(yǔ)

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，更智能、數(shù)字化的工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)環(huán)境將成為未來(lái)制造業(yè)的核心驅(qū)動(dòng)力。這一轉(zhuǎn)變不僅提升了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量，還顯著降低了運(yùn)營(yíng)成本和能源消耗。通過(guò)人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)和邊緣計(jì)算等技術(shù)的應(yīng)用，智能化的生產(chǎn)環(huán)境將推動(dòng)整個(gè)工業(yè)領(lǐng)域向著高效、可持續(xù)發(fā)展的方向邁進(jìn)。本文所介紹的NXP應(yīng)用處理器與開發(fā)板，則將為您開發(fā)相關(guān)應(yīng)用時(shí)，提供最高效、靈活、低成本的解決方案。