用于工业控制的设备，如可编程逻辑控制器（PLC），提高了连通性及嵌入式处理的水平。此外还有一项需求，即确保机械操作时的功能安全。从一些自动化厂商所提供的关键功能产品规格看来，这些关键功能集中在连通性、嵌入式处理以及功能安全上。
        对此类系统I/O模块的结构和设计进行更深入的探究，我们发现，自动化和电子技术的发展之间，有着相互促进的关系。让我们来看看自动化的每项发展趋势及其相应地对基础电子学产生了何种影响。
        连通性
        从简单的工业控制系统到大型加工厂，自动化基础设施通常分为三个层级：业务和企业www.cechina.cn，控制CONTROL ENGINEERING China版权所有，以及现场传感器和执行器。这些层级之间具有高水平的连通性。而现今基本主题的转变，是在现场设备中植入智能以进行控制和通信，实现更高的效率和更好的规划。
        自动化趋势：在此之前，现场设备、控制器和其他设备之间通信的主要模式，是利用4-20 毫安的回路或工业现场总线。虽然这种模式还将沿用多年，不过在工业控制系统中，已经开始选用具备多种现场总线协议的以太网，每种协议都具有相对应的工业以太网版本。其衍生版本包括Profinet、EtherNet/IP、EtherCAT、Sercos以及Powerlink等。事实上，确定性协议在诸如运动控制等要求精密性能的应用中得到了越来越多的选用。除了以太网之外，人们对可实现现场设备数字通信的HART及IO-Link也产生了新的兴趣。还有，无线技术也取得了进展，在对诸如液位等过程变量进行监控时，可以充当次要选项，以加强控制回路。
        设计/结构趋势：用于连通性的电子元件的主要发展趋势是可编程性和灵活性。如今控制工程网版权所有，面对多种多样的工业以太网协议，集成电路（IC）制造商能够提供可编程的硬件及固件，使系统设计者使用同样的处理器便能灵活地对多种协议进行支持。事实上，很多处理器及现场可编程门阵列（FPGA），包括硬件引擎在内，都能提供工业以太网协议所要求的周期到周期的确定性。此外www.cechina.cn，IC制造商还提供工业级产品，为上述大部分现场总线提供模拟接口，并将一些接口作为外围元件集成到处理器中。另外还有诸如加密引擎及扩容闪存之类的无线芯片和收发器，可对多种通信接口所需的协议栈进行存贮。
        嵌入式处理
        自动化趋势：连通性的发展形成了两种系统趋势：每个系统通道数增加以及远程系统数量增多。例如，Phoenix Contact公司的数字内嵌I/O模块的通道数多达32位。通道增多也意味着需要更强的处理性能，而且为了支持远程I/O，现今很多产品在外形上变得更小。目前使用的控制算法也很复杂，对处理能力的要求也很高。另一种趋势是将原来的中心控制器处理改为分布式本地控制处理。最后，现场设备自身也将具有更高的嵌入式智能水平，能更好地与控制网络进行通信、诊断和预防性维护。
        设计/结构趋势：形成这些趋势的关键动力是集成、成套以及低功耗。在微控制器及微处理器中，集成功能的水平提高如此之快，其他的集成效果难望其项背。ARM结构的简单性、普遍性及其IP授权模式，加上低功耗的特点，使得IC制造商所供应的家庭嵌入式处理器取得了极大的发展。这些发展还促成了外围元件和连通性选项在处理器中的大量集成，形成了如今所达到的嵌入式智能水平。
        除处理器以外，模拟半导体芯片的集成水平也有所提升。要了解现今所达到的集成水平，可以通过一个设计模拟输入模块时所用的典型结构系统框图来帮助理解，如图1所示。

图1  模拟输入模块系统框图

        如今控制工程网版权所有，大多数IC供应商提供的产品，都集成了模拟多路转换器、放大器、模-数转换器（ADC）、基准电压及缓冲区。事实上，图1左侧的关键元件所形成的组件大小不到40平方毫米。
        另一个实现高通道密度的例子，是新近的半导体芯片。它将大量的数字I/O聚合在单一的IC上。在其他的电子设备中，集成化和嵌入式处理不断增多的趋势，还将一直持续。
        功能安全
        自动化趋势：连通性增强以及嵌入式处理水平的提升，使得开发的自动化系统具有了更高的复杂度。因此，若发生故障，机械和人力成本都将大大增加。于是，监管机构开始寻求更高的安全等级。为了满足这种需求，大量的工业以太网协议都为与安全相关的数据配备了一个冗余的安全扩展。例如，Profisafe将安全性集成到现有的Profibus 及 Profinet现场总线中。为满足所有需求，自动化厂商开始将更多的安全相关的诊断功能集成到机械中，以实现功能安全。这些选项还具有其它益处，可降低机械的停机风险。
        设计/结构趋势：功能安全中的主要发展趋势，是在电子元件中集成诊断和安全功能。同步运行的双核处理器已经在汽车行业中应用，相信迁移到工业安全中也应当效果良好。大多数应用都设想使用双冗余通道，不过第二通道其实可采用成本较低的处理器，专门用于处理与安全相关的数据。与处理器相同，大量的诊断及故障-安全选项也出现在外围电子中。很多以太网收发器可承受工业温度范围CONTROL ENGINEERING China版权所有，同时，嵌入式处理器可支持诸如时域反射（TDR）等诊断功能，用于检测故障并进行电缆诊断，这在工厂环境中是极为重要的。并且，一些现场总线协议的接口IC还具有多种选项，诸如采用SymPol技术的免疫交叉线连接、高电压保护以及其他多种用于故障情况的功能。最新一批的产品将具有自检选项，一些产品可进行自检，使其与系统的其它部分隔离，以实现故障检测，并提升系统的可靠性。
        自动化以及相应电子技术的发展，使二者之间形成了相互促进的关系。对新PLC I/O产品的连通性、嵌入式处理及功能安全的重视，推动了高通道密度及远程I/O的发展。这也促成了IC制造商在他们的创新软件包中提供具有低功耗和诊断功能的可编程集成化方案。
        还有一个相关的值得注意的自动化趋势，即由亚洲市场所推动的低成本方案出现的潜在可能性。总之，这种自动化趋势和基础电子学之间的相互促进，可能还会一直持续，即自动化的发展推动新的电子设计，反之亦然。