Altera解讀工業(yè)自動(dòng)化最新趨勢(shì)

在剛剛落幕的工博會(huì)工業(yè)自動(dòng)化展上，Altera展出了業(yè)界首款基于單芯片F(xiàn)PGA的Delta機(jī)械手臂控制器和通過EtherCAT控制多軸伺服馬達(dá)，受到了廣泛的關(guān)注。

在工業(yè)自動(dòng)化向數(shù)字化、智能化、信息化邁進(jìn)的過程中，半導(dǎo)體技術(shù)能發(fā)揮哪些作用呢？來聽Altera亞太區(qū)工業(yè)業(yè)務(wù)市場(chǎng)開發(fā)首席經(jīng)理江允貴對(duì)工業(yè)自動(dòng)化最新趨勢(shì)的解讀。

圖：基于單芯片F(xiàn)PGA的Delta機(jī)械手臂控制器

江允貴表示，工業(yè)自動(dòng)化市場(chǎng)成長(zhǎng)的驅(qū)動(dòng)力主要來自三個(gè)方面。首要的是能效的要求不斷提高。由于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中馬達(dá)最為耗能，如何降低馬達(dá)控制的能耗就顯得非常關(guān)鍵。第二個(gè)驅(qū)動(dòng)力是生產(chǎn)力的提升和對(duì)安全性越來越嚴(yán)格的要求。生產(chǎn)力的提升包括可靠性和穩(wěn)定度的提升，需要降低故障時(shí)間，以及排除包括操作員受傷等影響整個(gè)操作過程的因素。此外，最近大熱的工業(yè)4.0概念和物聯(lián)網(wǎng)也起到了很大的推動(dòng)作用。這其中重要的一環(huán)是以太網(wǎng)的安全性，網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)是否經(jīng)過加密非常關(guān)鍵。上述三方面因素對(duì)工業(yè)市場(chǎng)解決方案的效率、連接性和安全性有了更高的要求。

從應(yīng)用角度，Altera提供了針對(duì)單軸多軸電機(jī)控制、工業(yè)以太網(wǎng)、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制、符合IEC61580規(guī)范的功能安全，以及PLC加HMI和冗余開關(guān)的解決方案。

從工博會(huì)上不難看出，工業(yè)機(jī)器人是現(xiàn)在最熱門的應(yīng)用之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2013年全球工業(yè)機(jī)器人的出貨量約為18萬(wàn)只，其中最大的增長(zhǎng)來自中國(guó)，原因包括勞動(dòng)力的缺乏、工廠現(xiàn)有空間的局限等，此外，工廠自動(dòng)化的發(fā)展也需要更多的機(jī)械手臂。在工博會(huì)展示的機(jī)械手臂控制器屬于擺放型機(jī)械手臂，高度約1.65米，重量是170公斤，主要展現(xiàn)它對(duì)速度和位置的精確控制。主站的控制功能由基于Cyclone V SoC的開發(fā)板實(shí)現(xiàn)，從站部分選用200W的以太網(wǎng)伺服驅(qū)動(dòng)，采用目前最受歡迎的EtherCAT工業(yè)以太網(wǎng)的協(xié)議。

而PLC的技術(shù)趨勢(shì)可以概括為靈活性、可擴(kuò)展性、集成化和安全性。目前，大部分國(guó)內(nèi)PLC廠商都是中低端的，實(shí)現(xiàn)的方式以一個(gè)MCU或DSP再搭配一個(gè)FPGA為主，而未來要增加運(yùn)動(dòng)控制功能以及HMI，這就需要一個(gè)單芯片來處理。針對(duì)這一應(yīng)用，Altera推出了HMI加運(yùn)動(dòng)控制和PLC三機(jī)一體的單芯片方案。

馬達(dá)控制的耗能在工業(yè)生產(chǎn)中的比重通常是最大的。它所面臨的挑戰(zhàn)一是采用更高能效的控制方法，二是降低它的生產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)單芯片控制多個(gè)軸，三是提升它的可靠度、穩(wěn)定度，達(dá)到新的安全要求?，F(xiàn)有的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，通常是一顆DSP加上一顆FPGA實(shí)現(xiàn)單軸控制。未來的多軸馬達(dá)系統(tǒng)則可以采用Cyclone V SoC實(shí)現(xiàn)工業(yè)以太網(wǎng)、編碼器接口、功能安全，算法等全部功能。據(jù)了解，Altera現(xiàn)已推出四軸馬達(dá)控制的參考設(shè)計(jì)。

工業(yè)以太網(wǎng)是另一個(gè)高增長(zhǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域，年均增長(zhǎng)超過30%。工業(yè)以太網(wǎng)領(lǐng)域的特點(diǎn)是多種協(xié)議并存，包括PROFINET、CC link和EtherCAT等，這些協(xié)議不斷演進(jìn)以適應(yīng)最新的系統(tǒng)需求。對(duì)此，Altera推出的方案采用一顆單芯片F(xiàn)PGA支持所有不同的工業(yè)協(xié)議，客戶可以靈活選擇。

功能安全現(xiàn)在越來越受到重視，很多應(yīng)用都有強(qiáng)制性的安全規(guī)范，例如鐵路信號(hào)、核能和電梯等等。這就迫切需要系統(tǒng)生產(chǎn)力的提升和穩(wěn)定性、可靠度、穩(wěn)定度的增強(qiáng)。Cyclone IV的軟件與硬件都已經(jīng)符合功能安全的認(rèn)證，失效率極低，采用這一方案能縮短客戶開發(fā)的時(shí)間，使客戶的產(chǎn)品更快通過認(rèn)證。

無損冗余對(duì)于工業(yè)以太網(wǎng)非常重要，因?yàn)楣S自動(dòng)化環(huán)境不同于一般的以太網(wǎng)，不允許丟包或斷線，需要設(shè)備的可靠度要非常高。Altera提供的HSR/PRP開關(guān)方案有效杜絕了丟包的情況，它是冗余的，非常穩(wěn)定。

針對(duì)工業(yè)市場(chǎng)的需求，Altera從三個(gè)層面提供支持，在器件層面，Altera的器件開發(fā)將針對(duì)工業(yè)自動(dòng)化進(jìn)行優(yōu)化；在算法和開發(fā)工具層面，Altera的方案能夠幫助軟件工程師和硬件工程師提高他們的生產(chǎn)力，縮短開發(fā)的時(shí)間；從解決方案層面，Altera提供的系統(tǒng)級(jí)芯片、參考設(shè)計(jì)、IP，以及固件，能夠有效的加速系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)的流程，推動(dòng)工業(yè)自動(dòng)化的升級(jí)。