Altera三大策略推进工业自动化领域最新进展

三大因素正在驱动工业自动化市场的成长。首先是能源效率，在全球节能减排的趋势下，在自动化工厂中最为耗能的马达成为提升能效的突破点；其次生产力的提升，包括可靠度和稳定度的提升，如何提高产品生产线效率并降低宕机时间，成为第二个重要的驱动因素；第三就是工业4.0和IoT，这其中保证信息安全、以太网安全成为重点。 应对上述发展，Atera亚太区工业业务部市场开发首席经理江允贵表示， Altera在工业领域的方案策略包括三方面：器件开发、软件开发工具以及参考设计。在这些方面，Altera 注重实现器件的灵活性，即能够帮助产品快速推向市场，并实现差异化设计；其次，能够帮助整个系统缩短开发时间，降低开发成本；开发工具是否符合功能安全、可靠度、稳定度；产品生命周期是否可以长达15年以上。 下图是一个典型的工业自动化系统，包括比较中高端的带有运动控制器的PAC，中低端的HMI和PLC，负责连接工业以太网的Fieldbus，单轴、多轴伺服驱动，以及I/O、开关等。江允贵表示，这些具体的应用中，Cyclone V、Cyclone IV或MAX 10可以满足现在及不远的未来许多工业客户的开发需求。

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今年在上海举办的中国国际工业博览会上，Altera展示了单轴/多轴马达控制、工业以太网、机器人的运动控制、符合IEC61580的功能安全、PLC HMI以及冗余开关等六大解决方案。 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载 {pagination} Mini-Delta Robot机械手臂

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根据市场调查，2013年全球工业机器人的出货量大约为18万只，其中中国市场的增长最快，究其原因，主要是劳工缺乏、工厂的自动化成长需求以及智能手机制造所带动的需求。目前主流的控制平台几乎都基于X86，此外还有高端的DSP，而它们其中都包括FPGA。 Altera展示的业界首款基于单芯片FPGA的Mini-Delta Robot机械手臂引起了众多关注，它可以称为Pick & Place摆放型的机械手臂，高1.65米，重140公斤。该机械臂主站控制功能由基于Cyclone V SoC的开发板实现，从站部分处理器由两颗FPGA加一颗DSP构成，并以200W以太网伺服驱动，采用了目前最受欢迎的EtherCAT工业以太网协议。可用于对速度和位置的精确控制，完成下跳棋、边界定位(Border Tracking)和圆周运动(Circular Motion)三种运动。 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载 {pagination} PLC/HMI方案 PLC作为工厂控制网络的核心，围绕应用处理器进行配置，这些处理器运行工厂控制软件以及所有主机通信协议堆栈。除了处理器，PLC 体系结构需要支持多种专用外设、背板和通常采用 FPGA 实现的其他定制接口。Altera的 SoC 提供了独特的平台，支持在一个器件中同时实现应用处理器和 FPGA。江允贵表示，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厂商都是以一个MCU或DSP再搭配一个FPGA为主来实现，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。

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《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载 {pagination} 马达控制 马达控制方面，挑战主要来自三方面：首先，性能的提升，例如更少的控制回路、支持工业以太网协议、软硬件加速等；其次，降低成本的同时实现差异化，包括用最少的器件实现最多的功能、平衡基于模型的设计流程、多轴控制；第三，实现功能性安全。江允贵表示，现有的伺服驱动系统，通常是DSP+FPGA实现单轴控制。未来的方式则更注重效能，算法要经济，并可采用多轴降低成本。Altera已经在Cyclone V SoC中高度集成了工业以太网、编码器接口、功能安全、算法等功能，并在此基础上推出了以Cyclone V SoC为基础的四轴马达控制的参考设计，其核心部分来自以FFT为基础的“振动抑制”算法。其原理是通过强大的芯片以自动在线式的方式去量测振动的频率来予以消除，Altera以开源的方式推出了整套解决方案，受到了众多客户的追捧。

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《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载 {pagination} 工业以太网 工业以太网成为工厂自动化、可编程逻辑控制器(PLC)以及电机控制设计的主要技术。 但是，工业以太网的实现方式却在不断变化，向深度嵌入式功能发展，此外，客户还面临针对多种不同的全球标准进行设计的压力。据江允贵介绍，影响工业以太网系统设计的因素包括嵌入式通信协议、工业以太网标准的快速发展，以及向千兆以太网的发展等。要求半导体厂商能够提供从模块到器件，再到芯片集成功能，并在产品生命周期内同时具备硬件和软件可编程能力。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 功能安全方面，在许多工业领域已经在强制执行，例如铁路、电梯等涉及公共整体安全的应用，生产力的提升、可靠度/稳定度的增强最为重要。在未来的发展中，系统层级的功能安全是发展方向。为简化并加速客户的安全认证过程，Altera最新版功能安全数据套装均通过了TüV Rheinland的认证，包括Altera器件、诊断和标准知识产权(IP)，例如Nios II处理器等、FPGA设计流程、Quartus II软件等开发工具。经过认证的安全完整性Level 3 (SIL3)功能安全数据套装缩短了IEC 61508开发时间，降低了安全关键工业应用的认证风险，例如，工业伺服和逆变驱动器、安全器件以及自动控制器等。

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《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载 {pagination} 以太网冗余 以太网的冗余方案方面，无损冗余对工业以太网至关重要，需要设备的可靠度非常高。目前有并行冗余协议(PRP)和高可用性无缝冗余(HSR)两种协议可满足上述要求，它们基于以太网，传输方式非常稳定，Altera提供的HSR/PRP开关方案有效杜绝了丢包情况。

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Altera与业界领先的网络设备和知识产权(IP)供应商Flexibilis进行了合作，采用千兆交换功能—Flexibilis的冗余交换(FRS)，同时支持了PRP和HSR协议标准。当客户在进行这方面开发的时候，可以采用这一方案来降低风险。 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载