Hệ thống tự động hóa nhà máy dành cho Công nghiệp 4.0 thường bao gồm ba cấp thiết bị để cho phép điều khiển và-giao tiếp theo thời gian thực:
Ở cấp độ hiện trường, mô-đun I/O, bộ truyền động và ổ đĩa quản lý các hoạt động vật lý trong nhà máy;
Ở cấp độ điều khiển, bộ điều khiển logic lập trình (PLC) hoặc hệ thống điều khiển số máy tính (CNC) chịu trách nhiệm thu thập thông tin từ cấp trường và đưa ra lệnh đến hiện trường.
Ở cấp độ người vận hành, các thiết bị giao diện người máy (HMI) (HMI) giao tiếp với người vận hành, những người có thể đồng thời ra lệnh.
Mỗi cấp độ yêu cầu các giải pháp phần cứng và phần mềm được tối ưu hóa để giải quyết các thách thức thiết kế độc đáo của nó. Trong số này, thách thức ở cấp độ kiểm soát đặc biệt khó giải quyết.
Khi số lượng nút được một bộ điều khiển duy nhất hỗ trợ tiếp tục tăng, các nhà thiết kế thiết bị ở cấp độ điều khiển-phải đối mặt với những thách thức cụ thể ngoài những mối quan tâm chung về thiết kế tự động hóa công nghiệp như mức tiêu thụ năng lượng, kéo dài tuổi thọ nguồn điện và các yêu cầu về độ tin cậy. Việc hỗ trợ nhiều nút hơn đồng nghĩa với việc cần ít bộ điều khiển hơn trên toàn bộ giải pháp nhà máy, tạo ra giải pháp tự động hóa-hiệu quả hơn về mặt chi phí. Ngoài ra, các nút bổ sung này có thể được triển khai khắp nhà máy để đạt được mức độ tự động hóa cao hơn. Tuy nhiên, khi số lượng nút được hỗ trợ tăng lên, hiệu suất của bộ xử lý phải tăng theo quy mô trong khi vẫn duy trì mức tiêu thụ điện năng đủ thấp để tránh tăng kích thước gói. Hơn nữa, hầu hết các PLC đều được thiết kế không có quạt, khiến việc tiêu hao năng lượng trở thành một vấn đề quan trọng trong thiết kế.
Vì PLC và CNC đồng thời điều khiển nhiều nút hoặc chức năng trong nhà máy nên tính chất-thời gian thực của hoạt động của chúng là rất quan trọng. Để có giải pháp đạt được thời gian chính xác, cần có hai thành phần: một-hệ điều hành thời gian thực (RTOS) và các thiết bị ngoại vi linh hoạt, nhận biết thời gian-cho truyền thông công nghiệp. RTOS được sử dụng trong các thiết bị này để quản lý việc ra quyết định-và kiểm soát độ trễ, đảm bảo tuân thủ các yêu cầu quan trọng về thời gian. RTOS thương mại đã được áp dụng rộng rãi trong điều khiển công nghiệp trong nhiều năm, trong khi mối quan tâm đến các giải pháp RT Linux® tiếp tục tăng lên. Các giải pháp này mang lại khả năng-độ nhạy về thời gian và khả năng ra quyết định- cần thiết cho các ứng dụng tự động hóa công nghiệp, đồng thời tận dụng tối đa lợi thế của cộng đồng{10}nguồn mở Linux rộng lớn.
Đối với phần ngoại vi giao tiếp của các giải pháp-thời gian thực, yêu cầu chính là hỗ trợ các giao thức bus trường công nghiệp thông qua phương pháp đạt được độ trễ thấp và thời gian chu kỳ giao thức ngắn, ngay cả khi tăng số lượng nút. Điều này trở thành một thách thức phức tạp hơn khi nhiều tiêu chuẩn bus trường phải được hỗ trợ trong một thiết kế duy nhất. Hỗ trợ nhiều-giao thức là cần thiết để đảm bảo sản phẩm cuối tương thích với nhiều tiêu chuẩn-chẳng hạn như EtherCAT, PROFINET và Ethernet/IP-có thể đã được triển khai trong nhà máy. Việc đạt được sự hỗ trợ đa-giao thức thông qua phần cứng (ASIC) rất phức tạp vì mỗi giao thức có thể yêu cầu ASIC chuyên dụng riêng, đòi hỏi phải có thiết kế bo mạch riêng biệt cho mọi bus trường được hỗ trợ. Một cách tiếp cận có thể lập trình giúp đơn giản hóa thách thức này. Trong các phương pháp này, các thay đổi về giao thức fieldbus có thể được thực hiện chỉ thông qua các bản cập nhật phần mềm hoặc chương trình cơ sở.
Để hỗ trợ giải pháp giao tiếp theo thời gian thực này một cách hiệu quả, bộ điều khiển cần có giao diện ngoại vi mở rộng. Điều này là do chúng phải giao tiếp qua nhiều lớp: với mạng fieldbus trong nhà máy, bảng nối đa năng kết nối I/O, bộ truyền động, ổ đĩa hoặc bộ điều khiển khác và máy chủ thực hiện chẩn đoán tại nhà máy thông qua các giao thức thu thập dữ liệu như OPC UA. Tất cả điều này đòi hỏi một số lượng lớn các giao diện ngoại vi, đặc biệt là giao diện Ethernet. Ngoài ra, cần có một giải pháp truyền thông linh hoạt và có thể lập trình được.
Hiện đã có Bộ công cụ phát triển công nghiệp (IDK) TMDXIDK5728 dành cho bộ xử lý Sitara™ AM572x để đánh giá các giải pháp tự động hóa nhà máy-ở cấp độ kiểm soát. Bộ xử lý ARM® Cortex®{6}}lõi kép AM572x AM572x lý tưởng cho các ứng dụng công nghiệp do hỗ trợ dải nhiệt độ công nghiệp, tuổi thọ kéo dài lên tới 100.000 giờ, hỗ trợ phần mềm theo thời gian thực và các thiết bị ngoại vi mở rộng-bao gồm cả PRU-ICSS kép (Bộ xử lý thực-Đơn vị thời gian-Hệ thống con truyền thông công nghiệp) cho thông tin liên lạc công nghiệp có thể lập trình được. TMDXIDK5728 cung cấp bốn cổng Ethernet, trong đó có hai cổng có thể có nguồn từ bộ chuyển đổi gigabit và hai cổng còn lại có thể có nguồn từ PRU-ICSS (cấu hình mặc định) hoặc tất cả bốn cổng có thể có nguồn từ PRU-ICSS. TMDXIDK5728 cho phép đánh giá các giải pháp mới nhất của TI cho các giao thức bus trường công nghiệp dựa trên AM57x, được phân phối thông qua PRU-ICSS-INDUSTRIAL-SW trong Bộ xử lý-SDK-RTOS. Ngoài ra, TMDXIDK5728 có thể chạy gói phần mềm Bộ xử lý{29}}SDK-Linux-RT, cung cấp bản vá RT Preempt được tối ưu hóa cho nhân Linux dòng chính của TI để cho phép phát triển các ứng dụng tự động hóa công nghiệp-theo thời gian thực.