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实时M2M是工厂自动化需求引领的颠覆性创新

在工厂自动化中,各种生产设备、传感器等都是通过因特网连接至彼此及云计算,并尝试使用大数据来提高效率和预测可能产生的缺陷。在本系列文章的第1章中,来自普适计算沙龙(UC Salon)的根木胜彦先生与瑞萨电子的工程师们共同展开了一场关于物联网(Internet of Things)和M2M(machine-to-machine communications:机器对机器通信)的热烈讨论。

Participants in This Discussion

特约评论员

Katsuhiko Neki

普适计算沙龙(UC Salon)
协调专员(嵌入式系统开发)

根木 胜彦

Shingo Kojima

瑞萨电子株式会社
第二解决方案事业本部
工业第一事业部
工业网络解决方案部 经理

小岛 伸吾

Toshiyuki Ogawa

瑞萨电子株式会社
第二解决方案事业本部
工业第一事业部
工业网络解决方案部 工程师

小川 敏行

如何能通过使用IoT/M2M提高工厂的效率

IoT/M2M给工厂自动化带来了什么样的影响?

根木: 工厂自动化现在正处于一个大的转折点。过去,所有的设备只需单独运行即可。即使是到了网络时代,也只需要考虑设备及工厂内的网络即可。但是,在工业用网络非常普及的今天,这个网络的范畴已经扩展至更高端的中央计算机,进一步连接至互联网,甚至是连接至云的IoT/M2M的世界。进入到IoT/M2M时代,工业设备厂商的需求更加复杂化、多样化。

您能举一些使用IoT/M2M的例子吗?

根木:  例如,当大型的工业用电机坏掉时会引发很大的问题。当出现这种情况时,可以通过连接网络实时监控,而不是只有亲眼看到故障时才能发现记录里有异常的数据,这就是现在的IoT/M2M的一个具体例子。

小岛:  现在瑞萨电子正在做实验,看如何能通过从工厂内无数个传感器及电机等中高精度地收集数据、进行解析,来提高工厂的效率。这也是IoT/M2M的一个很好的例子。

电机控制无需使用FPGA/ASIC

对工厂自动化而言,电机应该是必不可缺的吧。

根木:  是的。在工厂自动化中,使用了很多电机及传感器。我们可以看一下工业用机器人等中经常使用的伺服电机控制。在伺服电机控制中使用的微控制器只要是用来控制旋转速度等,但为了能够正确确定位置也需要旋转编码器进行支持。很多情况下用户会指定伺服电机,但他们不会把使用的编码器协议告诉我们。因此,大多数客户在微控制器之外,会使用FPGA及ASIC。但是能真正用好FPGA的技术人员很少。

小岛:  经常有客户向我们反映“精通FPGA的工程师太少,技术无法传承下去”。因此我们反复讨论,寻找能不使用FPGA或ASIC的解决方法。瑞萨电子的新产品RZ/T1就可以不需要使用FPGA或ASIC直接控制伺服电机。RZ/T1在CPU核中集成了带有FPU的ARMR CortexR-R4处理器,工作频率最高可达600MHz,性能非常高。它的实时性能能达到以往用于工业领域的高端微控制器的2倍以上。

根木:  在IoT/M2M时代,传统的微控制器和微处理器(MPU)的性能无法满足要求。如果使用通用处理器做伺服电机控制,会因高速缓存命中而造成执行时间变动,很难实现实时性。

小岛:  而且,RZ/T1还内置了编码器接口。因为该部分根据伺服电机特性的不同有很大的不同,所以,很多客户使用了FPGA或ASIC。RZ/T1内置有多协议编码器接口,不需要使用外挂的FPGA及ASIC。

根木 胜彦

在伺服电机控制中使用FPGA或ASIC的情况很多,但真正用的好的工程师非常少。

小岛 伸吾

我们不断研究如何可以不使用FPGA或ASIC,最终通过内置编码器接口解决了该问题。

以往的微控制器都无法实现IoT/M2M

根木:  再往前几年,在基于因特网的常时间连接开始普及的2000年前后,就已经可以清楚地看到未来会出现IoT/M2M。但是,当时控制家电所用的微控制器能力不足,因此使用了用模块或电路板。 进入到IoT/M2M时代,希望能用单片微控制器连接网络的需求越来越多。但是,高性能的芯片量小时很难买到,想要量小时也可以使用就只剩下通用处理器这个选项了。通用处理器必须使用外挂的高速DRAM,电路板设计难度很大。而单片微控制器处理能力不够。最终,基本上没有微控制器和微处理器可以适用于IoT/M2M。

小岛:  瑞萨电子的RZ家族产品填补了嵌入式系统性能分布图中的空白。在此之前,很难想象用一个只有数KB RAM容量的微控制器来实现图像处理等应用。但是,RZ家族的首款产品RZ/A1集成了数MB的RAM,足以实现这些应用。

小川:  RZ/T1还采用了将CPU核和存储器紧密相连的紧密耦合内存(TCM:Tightly Coupled Memory)结构,可以同时兼顾性能和实时性。而且工业以太网的应用也越来越普遍。该款产品还集成了瑞萨电子的工业以太网通信用加速器R-IN引擎,无需增加LSI也可以支持多协议的工业用网络。

Figure. Gap in embedded system performance distribution map

Gap in embedded system performance distribution map

灵活的硬件带来创新

Gap in embedded system performance distribution map explanation

根木: 在IoT/M2M时代,为了能满足工业设备厂商多样化的需求,必须开发出多种多样的外围电路。在不能将通用处理器用于伺服电机控制的情况下,如何提高开发速度是个非常重要的问题。不需要使用FPGA或ASIC,给开发带来了灵活性这一点具有重大的意义。我相信这种灵活性将给伺服电机的控制及工厂自动化带来了颠覆性创新(*)。

* 什么是“颠覆性创新”? 工业用系统所要求的颠覆性创新的含义请点击此处

专栏: 灵活性带来的颠覆性创新

在第2章中,我们将结合开发现场的内部秘闻为您介绍未来工厂自动化必不可缺的电机控制中的全新控制概念。敬请期待。

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ASIC-less solution by RZ/T1 encoder interface

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专栏: 灵活性带来的颠覆性创新

最初,数字设备的设计采用全逻辑电路。全逻辑性能很强大,但灵活性差。弥补该缺点主要是通过将用存储程序方式获得灵活性的计算机嵌入到设备中,作为控制器使用,即“嵌入式”设计开发手法。进而,以当时的半导体单芯片结合有限的性能和功能的微控制器诞生了,它完全不同于包括电路板和外壳的笨重的计算机。通过此举,虽然牺牲了一些性能,但这种具有前所未有优秀特性的器件更便宜、更小、可靠性更高。这为数字设备的开发带来了“颠覆性创新”。

颠覆性创新是由哈佛商学院教授克莱顿•克里斯坦森提出的概念。这种创新暂时的表象是导致性能或功能降低,但是,它却拥有能紧贴未来市场需求的优秀特性。大多数情况下,一直从事主流产品开发的工程师可以很清晰的判读出需要牺牲掉的性能,但却很难理解到创新的潜力。

在未来的IoT/M2M时代中,工业设备厂商的需求将更复杂化、多样化。开发人员面临着巨大的挑战,不仅要确保能开发出更多种多样的外围电路,以满足用户不同的需求, 还必须满足加快开发速度等矛盾的需求。使用瑞萨电子的RZ/T1,您只需通过更改配置文件就能改变功能。即,RZ/T1拥有“灵活性”这一重要的优秀特征,这种特征与 “颠覆性创新”异曲同工,并将再次引领“颠覆性创新”。

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