在工业技术改造、工厂自动化等需求推动下,工业自动化趋势愈演愈烈。除了消费类,自动控制、工业生产中的摄像头,以及生产中的机械臂、仓储、增强现实、机器人等,其应用场景越来越广泛。

 

根据市场调研机构Fortune Business Insights的数据显示,截至2027年,全球工业自动化市场规模预计将达到3261.4亿美元。再据Allied Market Research数据,2020-2027年,全球机器人市场规模将以13.5%的复合年均增长率快速增加。

 

 

工业自动化系统往往要实现高生产效率、安全等特性,这类系统需要支持低功耗运行、低数据延时、高可用性和实时处理等特性,开发人员也需要能够快速开发、创建满足这些特性的工业系统。

 

结合这些应用需求,低功耗可编程器件供应商Lattice(莱迪思半导体)结合自身技术特性,推出了最新的Automate解决方案集合,这是继2018年推出sensAI、2020年公布mVision 1.0和Sentry 1.0,2021年3月升级为mVision 2.0和Sentry 2.0版本后,其面向智能工业系统的又一次重大升级。

 

Lattice亚太区资深市场开发经理林国松谈到,“低功耗、低延迟、精确可预测性、高稳定性、接口灵活,这些都是下一代工业自动化系统最为关注的特性,而它们恰好都是FPGA最具性能优势的地方。”

 

Automate包括软件工具、工业IP核、模块化硬件开发板和软件可编程参考设计和演示,有助于简化和加速实现机器人、具有预测性维护功能和可扩展的多通道马达控制以及实时工业网络等应用。通过提供下列参考设计和软件工具,便于快速开发常见的工业应用:

 

• 可扩展的马达控制方案——加速开发实现灵活的马达控制系统,包括用于系统监控和控制的基于GUI的用户界面工具。
• 预测性维护——通过监视系统中的多个马达,最小化停机时间。
• 嵌入式实时网络——使用莱迪思Nexus FPGA作为中央控制器,为各种设备实现可扩展的传感和控制系统。
• 网络保护恢复——实现硬件可信根,实时检测、保护基于固件的攻击并从中恢复。
• 易于使用的软件设计方法——Automate支持莱迪思Propel,使用嵌入式RISC-V处理器,通过软件和硬件协处理简化工业自动化系统的开发。

 

 

与sensAI、mVision和Sentry解决方案的架构类似,Automate的底层硬件平台基于Certus-NX马达控制开发板和基于MachXO3D的硬件安全开发板,在此之上是一系列IP核(EtherConnect、CNN处理单元、PDM数据采集器)、软件工具(RADIANT、DIAMOND、Propel、RISC-V+硬件协处理)、参考设计与演示示例(多轴马达控制、预测性维护、实时工业网络、硬件安全)和定制设计服务,共同构成了完整的Automate方案。 

 

覆盖工业自动化五大应用

 

据介绍,Automate的应用重点主要包括五大领域:马达控制、可预测性维护、实时网络互连、功能安全和网络恢复保护。

 

马达控制方面,林国松展示了Lattice FPGA可拓展多轴马达控制方案。FPGA负责收集马达的反馈信息,并通过产生PWM波对马达进行控制。他表示,FPGA器件的最大特点是响应速度快;灵活性高,可以支持各类型马达;具备更好的性能、定位、精度、效率和精确控制,可实现更好的闭环控制。相比MCU,Lattice FPGA可控制的马达数量是MCU的2倍,功耗最低可达7mW,远小于MCU的100mW。
 

 

Automate结合sensAI方案,引入AI功能的可预测性维护,有助于提前警示马达性能的下降,可以尽量减少宕机时间,延续马达的使用场景。而这通常使用已有的传感器信息就可以,并不需要额外的传感器增加,相当于在同样的硬件平台上提供更多的功能支持。
 

 

在工业场景中,实时的感测和控制非常关键。EtherConnect是Lattice最新开发的功能,通过器件和方案来缩小微秒级以下的器件间同步协作的差异,从而更好地控制多个马达同时运作的同步性,实现嵌入式实时感测和控制系统。如EtherConnect IP,可以利用器件的低功耗来达到实时网络互连,同时用集中式主控制器来管理多个BLDC马达(具体的支持数量,取决于整个系统的最低刷新率,目前可以实现16个控制板的串联甚至更多)。目前,除了支持EtherConnect私有协议外,该方案还支持其他工业标准协议,例如EtherCAT,但主要是通过与第三方合作来实现。

 

 

网络保护和恢复方面,通过XO3D芯片能够实现硬件级别的保护,从而在启动前、启动期间和正常运动时进行固件保护。同时,还能够对固件进行验证、监测和保护,一旦发现固件受到攻击,可迅速恢复至初始状态。
 

 

为了加速工业自动化开发,除了提供模块化硬件平台、IP库、参考设计等,Automate配套的软件方案也进一步降低了应用门槛。开发者可以通过拖拽简化系统构建,也可以在Lattice RISC-V CPU内核上挂载所需要的功能IP模块,再经由可视化连线构建系统,并通过C代码编辑器编辑可执行的C代码,从而简化了开发流程。从而一举降低了对FPGA专业背景知识的需求,开发者即使没有相关专业背景,也能够进行方案开发。
 

在工业自动化领域,Lattice已形成了sensAI、mVision、Sentry、Automate等解决方案的覆盖。据林国松介绍,目的是为了提供更多切实可用的使用方案。事实上,Lattice在这些领域耕耘已久,随着这些应用需求越来越集中,希望提炼出更具通用性的方案,在实际开发中,有助于提升效率,缩短开发周期。