Altera解读工业自动化最新趋势

在刚刚落幕的工博会工业自动化展上，Altera展出了业界首款基于单芯片FPGA的Delta机械手臂控制器和通过EtherCAT控制多轴伺服马达，受到了广泛的关注。

在工业自动化向数字化、智能化、信息化迈进的过程中，半导体技术能发挥哪些作用呢？来听Altera亚太区工业业务市场开发首席经理江允贵对工业自动化最新趋势的解读。

图：基于单芯片FPGA的Delta机械手臂控制器

江允贵表示，工业自动化市场成长的驱动力主要来自三个方面。首要的是能效的要求不断提高。由于工业自动化领域中马达最为耗能，如何降低马达控制的能耗就显得非常关键。第二个驱动力是生产力的提升和对安全性越来越严格的要求。生产力的提升包括可靠性和稳定度的提升，需要降低故障时间，以及排除包括操作员受伤等影响整个操作过程的因素。此外，最近大热的工业4.0概念和物联网也起到了很大的推动作用。这其中重要的一环是以太网的安全性，网络传输的数据是否经过加密非常关键。上述三方面因素对工业市场解决方案的效率、连接性和安全性有了更高的要求。

从应用角度，Altera提供了针对单轴多轴电机控制、工业以太网、机器人运动控制、符合IEC61580规范的功能安全，以及PLC加HMI和冗余开关的解决方案。

从工博会上不难看出，工业机器人是现在最热门的应用之一。据统计，2013年全球工业机器人的出货量约为18万只，其中最大的增长来自中国，原因包括劳动力的缺乏、工厂现有空间的局限等，此外，工厂自动化的发展也需要更多的机械手臂。在工博会展示的机械手臂控制器属于摆放型机械手臂，高度约1.65米，重量是170公斤，主要展现它对速度和位置的精确控制。主站的控制功能由基于Cyclone V SoC的开发板实现，从站部分选用200W的以太网伺服驱动，采用目前最受欢迎的EtherCAT工业以太网的协议。

而PLC的技术趋势可以概括为灵活性、可扩展性、集成化和安全性。目前，大部分国内PLC厂商都是中低端的，实现的方式以一个MCU或DSP再搭配一个FPGA为主，而未来要增加运动控制功能以及HMI，这就需要一个单芯片来处理。针对这一应用，Altera推出了HMI加运动控制和PLC三机一体的单芯片方案。

马达控制的耗能在工业生产中的比重通常是最大的。它所面临的挑战一是采用更高能效的控制方法，二是降低它的生产成本，实现单芯片控制多个轴，三是提升它的可靠度、稳定度，达到新的安全要求。现有的伺服驱动系统，通常是一颗DSP加上一颗FPGA实现单轴控制。未来的多轴马达系统则可以采用Cyclone V SoC实现工业以太网、编码器接口、功能安全，算法等全部功能。据了解，Altera现已推出四轴马达控制的参考设计。

工业以太网是另一个高增长的应用领域，年均增长超过30%。工业以太网领域的特点是多种协议并存，包括PROFINET、CC link和EtherCAT等，这些协议不断演进以适应最新的系统需求。对此，Altera推出的方案采用一颗单芯片FPGA支持所有不同的工业协议，客户可以灵活选择。

功能安全现在越来越受到重视，很多应用都有强制性的安全规范，例如铁路信号、核能和电梯等等。这就迫切需要系统生产力的提升和稳定性、可靠度、稳定度的增强。Cyclone IV的软件与硬件都已经符合功能安全的认证，失效率极低，采用这一方案能缩短客户开发的时间，使客户的产品更快通过认证。

无损冗余对于工业以太网非常重要，因为工厂自动化环境不同于一般的以太网，不允许丢包或断线，需要设备的可靠度要非常高。Altera提供的HSR/PRP开关方案有效杜绝了丢包的情况，它是冗余的，非常稳定。

针对工业市场的需求，Altera从三个层面提供支持，在器件层面，Altera的器件开发将针对工业自动化进行优化；在算法和开发工具层面，Altera的方案能够帮助软件工程师和硬件工程师提高他们的生产力，缩短开发的时间；从解决方案层面，Altera提供的系统级芯片、参考设计、IP，以及固件，能够有效的加速系统级设计的流程，推动工业自动化的升级。