工业自动化的发展历程与未来趋势

更智能、数字化的工业

自动化生产环境

工业自动化（Industrial Automation）的发展旨在提升生产效率、降低成本并减少人力依赖，这一过程涵盖了多种技术的应用与进步。工业自动化的核心在于将工厂中的机械设备、控制系统及信息技术集成，实现生产过程的自动化、数字化与智能化。本文将为您介绍工业自动化的发展历程与目前的趋势，以及由NXP（恩智浦）所推出的相关解决方案。

工业自动化的发展与未来趋势

工业自动化的早期阶段主要依赖机械技术与简单的控制系统。此时，自动化设备主要是一些基于继电器和简单电气系统的控制机构。到了20世纪70年代，随着可编程逻辑控制器（PLC）的发展，工业自动化进入了数字时代。PLC允许工厂管理者通过编程来灵活控制生产流程，并实现多任务序的自动化。

随着微处理器、通信技术和传感器技术的发展，工厂的自动化程度不断提高。监控与数据采集系统（SCADA）和分布式控制系统（DCS）等技术开始普及，工厂内部的信息流更加畅通，生产效率和产品质量大幅提升。

现今的工业自动化逐步向工业4.0迈进，强调数字化、互联网和物联网（IoT）技术的应用，实现「智能工厂」的概念。在智能工厂中，设备之间实现互联互通，并通过数据分析、人工智能等技术自动优化生产流程。

工业自动化会用到多种核心技术，包括可编程逻辑控制器、分布式控制系统（DCS）、监控与数据采集系统（SCADA）、工业机器人、传感技术与物联网（IoT）、大数据与人工智能（AI）、边缘计算与工业云等技术，以实现更具有运营效率、更为安全的自动化工厂环境。

工业自动化应用未来将与人工智能进行深度融合，随着人工智能技术的进步，工业自动化系统将能够自主学习和优化生产流程，进一步减少人为干预。此外，结合数字孪生技术能够在虚拟环境中模拟真实工厂，提前发现生产过程中的潜在问题并进行优化，提高决策的准确性和生产效率。另一方面，未来工业自动化系统将更加注重人机协作，让自动化设备和工人能够无缝协作，以提高生产灵活性。工业自动化技术的快速发展推动了制造业的变革，并且随着技术的进一步融合与创新，未来工业自动化的应用范围和智能化水平将会更加广泛。

多种应用提升工业自动化的生产效率

工业自动化涵盖多种应用，包括运动控制和机器人、电机驱动器、PLC和远程IO、工业人机接口、工业网络设备等。运动控制和机器人的实时控制和集成连接能力，对于机械臂和整个工厂车间的同步操作至关重要，必须支持多轴运动控制到高性能机器人应用，来满足同步和协调移动的需求，其中需要处理器集成多种连接功能，并支持多种实时操作系统，以提供确定性和实时控制。

电机驱动器则通过精确的速度和位置控制，节约能源、延长电机寿命，关键在于有安全互联处理的高效电源管理。电机驱动器可精确控制速度和位置，节约能源并延长电机的使用寿命，电机驱动器采用了安全边缘处理、高效电源管理IC、RTC、具有电流监测功能的热效率电源驱动器、USB和CAN收发器以及电压电平转换器。

在PLC和远程IO方面，将采用面板式控制器和大型分布式控制系统，需要安全可靠的实时计算解决方案，以精确管理机器和流程，实现工厂内的同步操作。对于最小的IO应用到最强大的高性能PLC应用，必须采用具有多个通信接口和TSN的低功耗边缘微控制器和处理器、高精度和高性能模拟和数字前端，以及信息安全和功能安全。

工业人机接口则便于系统的操作，强大的工业级解决方案具有丰富的图形功能，可将复杂的制造流程转变为清晰、可操作的图例，几乎可在任何地方使用。其中需要采用工业级微处理器，为苛刻的工业环境提供HMI解决方案。这些设备经过上电测试来模拟关键应用的全天候运行，在这些关键应用中，精度、性能和使用寿命都是重要因素。

工业网络设备包括工业网络网关和交换机，可将操作技术（OT）和信息技术（IT）网络，以及完全不同的协议相结合，实现安全、可靠、确定性的实时操作。工业网络系统必须实时完成大量数据的传输，为了在整个工厂车间实现协调同步的自动化，工业系统必须将IT和OT网络及其协议结合起来，并应对日益严重的安全威胁。这些系统也需要先进的安全处理、有线和无线连接，以及对一系列工业协议的支持。

经过验证的多功能、高性能应用处理器

为满足市场对更多功能、更高性能的应用需求，NXP推出了一系列的i.MX 9应用处理器，i.MX 9系列应用处理器建立在经市场验证的i.MX 6和i.MX 8系列产品的基础上，汇集了性能更高的应用内核、独立的类MCU实时域、Energy Flex架构、先进的由EdgeLock安全区域加持的安全性，和专用多传感数据处理引擎（图形、图像、显示、音频和语音）。i.MX 9系列是EdgeVerse 边缘计算平台的一部分，该系列的很多产品集成了硬件神经处理单元，可加速边缘的机器学习（ML）应用。

i.MX 9系列应用处理器包括i.MX 91、i.MX 93与i.MX 95，i.MX 91产品家族具有安全高效的特性，为成千上万的边缘应用提供了基于Linux的解决方案，可应用于安全Linux控制器平台、物联网和工业RTOS；i.MX 93则是面向汽车、消费电子和工业物联网的机器学习加速、高能效的MPU，可应用于ML Vision、汽车边缘、工业HMI、智能家电、工业和物联网网关；i.MX 95是面向汽车、工业和物联网边缘的安全、可靠且互联的应用处理器，支持ML Vision、安全平台、HMI、强大的Android/Linux平台。未来的i.MX 9系列可扩展平台，还将推出更多采用Arm v8.2-A（32位/64位）内核的应用处理器，敬请期待。

以下将重点介绍i.MX 93应用处理器，这款处理器通过集成的EdgeLock安全区域提供高效的机器学习（ML）加速和高级安全，以支持高能效的边缘计算。i.MX 93处理器是i.MX系列中首个集成了可扩展的Arm Cortex-A55内核的产品，有助于提高Linux边缘应用及Arm Ethos-U65 microNPU的性能与能效，助力开发人员打造功能更强大、更具成本效益、更节能的ML应用。

i.MX 93处理器采用NXP创新的Energy Flex架构，可优化工业、物联网和汽车设备的性能与能效。SoC针对汽车、工业和消费电子物联网细分市场提供丰富的外设。作为EdgeVerse 智能边缘解决方案的一部分，i.MX 93处理器提供消费电子、工业、扩展工业和汽车级认证的产品，并由NXP产品长期供货计划提供支持。

i.MX 93 处理器支持多核处理，具有1-2个Arm Cortex-A55，主频为 1.7GHz，以及 Arm Cortex-M33 @ 250Mhz与Arm Ethos U-65 microNPU，支持EdgeLock安全区域，在连接能力上支持带PHY的两个USB 2.0 Type C接口，2个千兆以太网接口，具有AVB与IEEE 1588用于同步模式，节能以太网（EEE）用于低功耗模式，其中1个支持TSN，还有两个CAN-FD、8个UART，8个I²C，8个SPI，两个I3C接口，此外还支持外部存储器、图形、显示屏接口、摄像头接口、音频等功能，支持的操作系统包括Linux、FreeRTOS、Greenhills、QNX与 Vxworks，提供多种尺寸的FCCSP封装，可在-40 至 125℃ 的温度范围下运作。

新型产品开发板提升产品开发速度

为加速客户的产品开发速度，NXP推出了i.MX 93 QSB，这是i.MX 93产品家族中新增的一款开发板。i.MX 93快速入门评估套件QSB提供了一个低成本平台来评估9x9mm封装中的i.MX 93应用处理器。

该单板解决方案由i.MX 93 SoC（9x9mm封装）、LPDDR4/LPDDR4X、eMMC、PMIC组成，提供产品评估所需的广泛连接性，并可实现功率测量，使用NXP PMIC PCA9451A，通过M.2接口连接到NXP Wi-Fi和BT – IW612（与所有模块制造商兼容），并支持EVK的软件板支持包（BSP），经过广泛验证，包括PCA9451A和IW612模块的驱动程序。该套件通过提供更低成本的参考板设计来加快您的上市时间，从而提供了一个极好的起点。此外，NXP还有推出支持不同封装尺寸的评估套件，包括MCIMX93-EVK（11 x 11mm）可供选择。

i.MX 93处理器支持两个千兆位以太网控制器（能够同时运行），并支持节能以太网（EEE）、以太网AVB和IEEE 1588。MCIMX93-QSB板上使用了1个RTL8211FDI-VD-CG以太网收发器，符合10Base-T、100Base-TX和1000Base-T IEEE 802.3标准。

此开发板可应用于工业应用中的空调、楼宇安全与保安、断路器、热量表、工业人机界面，在智能城市应用中的车队管理、库存和供应链管理，在智能家居应用中的音频／视频（AV）接收器、家庭控制面板、家庭安全和监控、家用能源显示、家电、机器人设备等产品。

结语

随着技术的不断进步，更智能、数字化的工业自动化生产环境将成为未来制造业的核心驱动力。这一转变不仅提升了生产效率和产品质量，还显著降低了运营成本和能源消耗。通过人工智能、大数据、物联网和边缘计算等技术的应用，智能化的生产环境将推动整个工业领域向着高效、可持续发展的方向迈进。本文所介绍的NXP应用处理器与开发板，则将为您开发相关应用时，提供最高效、灵活、低成本的解决方案。