客户介绍① 横河电机集团

Our Customers

用于支撑成套设备运行的高可靠性系统

Kuniharu Akabane

Kuniharu Akabane

Manager

Process Automation Hardware Development & Engineering Dept. IA Systems Business Division Yokogawa Electric Corporation

横河电机集团在成套设备的控制系统领域拥有多年经验,作为世界上最早开发出分散型控制系统的企业而广为人知。而在控制成套设备的安全运行和停止的控制系统及安全仪表系统(SIS:Safety Instrumented System)中,横河电机集团采用了若干个瑞萨处理器。今天我们采访了横河电机集团IA平台事业本部系统事业部PA硬件技术部的赤羽国治经理,就横河电机集团采用瑞萨处理器的理由进行了采访。

使成套设备“准确无误地运行以及准确无误地停止”

―支撑着成套设备运行的控制系统到底是什么样的系统呢?

赤羽先生:在连续进行处理的成套设备中,在对温度、压力、流量等各种要素进行控制的同时进行生产活动。以前的主流做法是通过将设置在成套设备各处的传感器传来的信息发送到中央控制部进行集中控制。但是,随着成套设备大型化的推进,要求在更接近生产现场的地方进行细微控制的需求越发高涨,于是横河电机集团在1975年进行了分散型控制系统(DCS: Distributed Control System)的开发。横河电机集团的分散型控制系统以“不让设备停止”为口号世代相传,目前的“CENTUM VP”为第八代分散型控制系统。

另外,还开发了安全仪表系统(SIS: Safety Instrumented System)--“ProSafe-RS”系列产品。安全仪表系统是一种在遇到紧急情况时使成套设备安全停止的系统,“ProSafe-RS”符合国际安全标准IEC 61508的安全完整性等级SIL3。

在系统性质上,分散型控制系统和安全仪表系统一般运用于不同的系统,且在独特的操作环境中运行和进行维护。横河电机集团所提供的系统通过将两个系统统合在一个控制台上,由此可提高操作性以及降低成本,因此获得了客户的高度评价。

Figure 1: Conceptual Sketch of Yokogawa Electric’s CENTIUM VP Distributed System

图1:横河电机集团的分散型控制系统--“CENTUM VP”的系统结构示意图。

“CENTUM VP”系统由以下4个组件构成

  1. HIS: 用于操控设备的操作监视功能
  2. ENG: 用于进行系统构建和维护管理的操控功能
  3. FCS: 设备的控制功能
  4. 网络(通信系统)

    另外,也可将安全仪表系统“ProSafe-RS”整合到操作系统并进行运用。(SCS)

―也就是说,这是一个使设备准确无误地运行及准确无误地停止的系统吧?

赤羽先生:是的,此外还需要将分散型控制系统和安全仪表系统本身的故障率控制在最低,为此,高可靠性设计变得极为重要。

高可靠性设计的基础是:

  1. 使用可靠性高的部件,在使部件留有余裕的情况下使用并执行“避错(fault avoidance)”措施,以保证部件维持高可靠性。
  2. 为了实现系统的多重化,使共同的部分极小化,并实施“容错设计(Fault tolerant design)”措施,以保证万一发生故障时也可继续稳定运行。
  3. 搭载可使系统自己发现故障的“错误检测能力”。
  4. 在更换系统单元等时,实施分散型控制系统和安全仪表系统的“可维护性设计(Maintainability)”,以实现可在系统运行的情况下进行更换。一旦将其嵌入系统后,便可使设备长期不停止地运行。

通过将上述几个设计技法进行组合,结果使“CENTUM VP” 的运转率达到了99.99999%(“七个九”)。

为了实现高可靠性系统的选择

―真是非常优异的成绩呀!在追求高可靠性的设备控制的领域中,瑞萨单片机起到了什么作用呢?

赤羽先生:我本人于1991~92年左右曾使用瑞萨制造的单片机作为CENTUM的通信模块,这是我与瑞萨产品的初次接触。瑞萨的使用手册做得非常好,这给我留下了深刻的印象。

后来在几种产品中又使用了瑞萨单片机,高可靠性是瑞萨产品的魅力之一。进行系统设计时,一般都是通过各部件的故障率来计算系统的可靠性的,瑞萨单片机的实际故障率比设想的故障率低了很多,使用瑞萨产品后其留给我最深印象的就是其质量高。从半导体设计到制造工艺,瑞萨产品的“高质量”贯穿了的所有工艺。

Figure 2: Renesas is committed to continuous improvement of our production processes.

图2:瑞萨产品从制造、晶圆测试、LSI测试等各方面都进行了严格的质量管理以及对不良产品进行充分地分析,并以此为基础,为了提高测试检出率,通过彻底进行故障的横向展开,持续推进工艺质量的改进。并在设计部门中稳步开展信息反馈以改善质量。

Figure 3: Continuous Improvement Has Driven the Renesas MCU Defect Rate Below 1 ppm (1 piece per million).

图3:持续推进工艺质量改善的结果,使瑞萨单片机的不良率降低至1ppm(100万个中有1个甚至0个,取自瑞萨公司的内部数据)。

―瑞萨产品在软件方面的表现如何呢?

赤羽先生:瑞萨也提供了很优秀的软件。瑞萨提供的综合开发环境High-performance Embedded Workshop恰如其名,由于其支持综合开发,所以极大提高了我们的开发效率。尤其是在更换处理器后也可很容易地进行系统转移,这是用户梦寐以求的功能。一些开发工具在客户每次更换处理器时都需重新构筑操作环境,这让用户们苦不堪言,而瑞萨的综合开发环境完美地支持了系统的转移。

另一个使瑞萨开发环境获得好评的是瑞萨还提供有嵌入式OS。半导体提供商提供简单易用的嵌入式OS,对于用户来说这不仅具有成本方面的优势,在品质等方面也给用户带来了安全感。

瑞萨不仅提供了良好的开发环境,而且与嵌入式OS兼容性良好。这使客户更易于进行设计且可缩短工期。

值得期待且性能更高瑞萨产品的蓝图

―能得到您那么高的评价,我们深感荣幸。对于瑞萨今后的产品您还有什么样的期待呢?

赤羽先生:横河电机集团生产的设备与全套设备的操作环境息息相关。因此,公司下达了每一套设备必须比上一代的同等机型功耗更低的发展方针。随着处理进程的加大,时钟频率也将随之加大变大,但即使在这样的情况下也必须降低功耗。实际上,瑞萨产品中有些虽是高端机种但功耗却降低了,这也成为让我们决定采用瑞萨产品的理由。所以,我们希望瑞萨今后仍将继续进行降低功耗方面的研发。

另外,我们还希望瑞萨能继续维持高端机种的兼容性。由于横河电机集团非常重视设备的可靠性,所以在采用部件时,都会进行彻底的可靠性检测。在检测时,系统是否具备兼容性对检测时间和生产成本的影响很大。例如,在因扩展功能而更换处理器时,如果系统具备高度的兼容性,便可继续转用软件资产。另外,如果总线的规格相同,便无须更改外置的ASIC。我们希望瑞萨今后仍将继续坚持上述几方面的做法。

最后,希望瑞萨今后仍继续稳定向我们提供支撑着以生命周期长且可靠性高而闻名的横河电机集团系统的产品。

―您的话让我们重新认识了瑞萨单片机所肩负的责任的重大。今后我们将继续维持单片机的“继承性”的同时推进技术开发,使客户能集中精力进行高性能化和高可靠性的系统开发。

Figure 4: Why Yokogawa Electric Chooses Renesas

图4:横河电机集团采用瑞萨处理器的理由

- 本文中所记载的公司名及商品名称皆为各公司的商标或注册商标。
- 本文中的事例是取材于2013 年5 月21日的采访内容。文中的数值等也皆为采访时所获得的信息。
-文中所记载的信息为本文初次刊登时的内容,在您阅读本文时内容可能已有所变更。请见谅。