“工业4.0”最早于2011年的汉诺威工业博览会上提出,此后,德国联邦政府成立了“工业4.0” 研究项目,由德国联邦教研部与联邦经济技术部联手资助,在德国工程院、西门子公司等为代表的德国学术界和产业界的建议和推动下形成。
在该项目的创始成员中,英飞凌是唯一的半导体企业,它来谈论“工业4.0”当然很有发言权,对于整个产业、对于当前的中国工业也具有特别的意义。恰逢“英飞凌XMC微控制器新品发布会”在京举行,笔者借机采访了英飞凌科技股份公司工业和多元化电子市场业务部微控制器业务高级总监Maurizio Skerlj,他追根溯源地谈论了工业4.0的发展趋势、半导体厂商在工业4.0时代所能抓住的机会,以及他对于“中国制造2025”的独家解读。
英飞凌科技股份公司工业和多元化电子市场业务部微控制器业务高级总监Maurizio Skerlj
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工业4.0面临两大考验
英飞凌看来,在工业4.0大环境下,连接和通讯、信息安全性和系统安全是工业自动化的关键要素。Maurizio Skerlj在介绍德国工业4.0的发起背景时谈到,作为传统的制造业强国,德国在人力成本上缺乏竞争力,因此是德国政府将工业4.0确定为十大未来项目之一,旨在支持工业领域新一代革命性技术的研发与创新。目前,德国联邦政府已投入达2亿欧元来推动该项目的发展。
工业4.0包括智能制造和智能产品,而智能化表现在几个层面,例如产品在制造和物流过程中所体现的智能化、产品在消费过程中所体现的智能化、制造过程本身所体现的自动化和智能化。同时,工业4.0与其它的智能化也紧密联系,例如智能城市、交通、智能电网、智能物流等,并将不断向这些领域扩展。工业4.0将以物联网和信息物理系统为基础,这是大的框架,并将得益于这两个领域的发展。
Maurizio Skerlj表示,可以将工业4.0理解为通过互联网将相关要素连接起来,使得不仅生产线和生产设备更加智能化,同时被生产和加工的产品本身也将变得智能,并参与到被生产和制造的流程中来。由于工业4.0涉及多个行业,因此无法定义出清晰的实施计划。但要实现智能的生产和制造、海量的设备将互联,这其中面临着两大考验:数据和信息的安全如何保障,以及如何最大程度提升能效,这也正是英飞凌关注并致力于解决的挑战。
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第1页:工业4.0,芯片技术是产业升级关键
第2页:能效和安全是决定工业4.0成功的关键
第3页: MCU注重控制与工业连接的集成
第4页:英飞凌MCU全面覆盖高中低端应用领域OXLednc
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能效和安全是决定工业4.0成功的关键
在工业4.0计划中,连网的设备无所不在。一方面,巨大的网络和大量的连网设备必然产生巨大的能耗,另一方面,高度智能化环境下的数据和信息安全是物联网发展的基本底线,物联网环境下敏感数据量越大,风险就越大,比如数据、ID、IP被盗用,数据被伪造或篡改,设备、服务器和网络被恶意操纵。因此,能效和安全是决定工业4.0实施能否成功的关键因素。
那么,该如何解决这些关键问题?Maurizio Skerlj表示,芯片处于整个工业4.0架构的基础,解决连接、控制、感知等基础问题和执行问题,在工业4.0实施中起着重要作用。传感器可以捕捉数据,然后将数据传给MCU进行分析和计算,MCU发出指令对生产进行智能控制,同时将指令传给功率半导体,保障高效地生产。此外,在整个生产流程中,数据的安全、设备的防伪是贯穿始终的关键。通过这一完整的流程,可智能化地控制能效并最大化地保障安全。作为一家芯片厂商,英飞凌有高精度的工业传感器、MCU、功率器件以及安全解决方案,可高效参与上述流程的实施。
谈及英飞凌在工业4.0计划中所发挥的作用,Maurizio Skerlj表示:第一,它是工业4.0的践行者,英飞凌的自有工厂拥有全球尖端的晶圆制造自动化工厂;第二,面向工业4.0,英飞凌能够提供领先的半导体产品和解决方案。
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MCU注重控制与工业连接的集成
根据工业4.0计划,MCU的智能化主要体现在对生产的控制层面,因此除了提供工业系统所需的性能之外,丰富的接口也必不可少。英飞凌的32位XMC4800系列包含有很多专门用于工业驱动的外设,如ADC和 PWM。除此之外,XMC4800还特别加入集成了EtherCAT(用于控制和自动化技术的以太网)接口。该接口的加入可以提高工业驱动外设的实时性,实现了实时控制和工业连接的完美结合。
该系列能够让用户无缝升级采用EtherCAT技术,并支持在环境温度高达125°C的恶劣条件下使用EtherCAT。借助XMC4800,用户不再需要专门的EtherCAT ASIC、外部存储器和时钟晶体,可设计出带EtherCAT连接功能的紧凑系统。
作为XMC4000家族的一员,XMC4800系列产品的内核采用ARM Cortex-M4处理器,据了解,英飞凌是业界首家在带有片上闪存和模拟/混合信号处理功能的ARM Cortex-M系列MCU上集成EtherCAT节点的半导体公司,由于省略了许多周边器件,使得成本大大降低。
工业协议有很多,EtherCAT只是其中一种,为什么英飞凌会选择EtherCAT?它和其他工业协议相比有什么优势?Maurizio Skerlj表示,英飞凌选择EtherCAT的原因有两点:第一,EtherCAT是这些年发展最为迅速的通用超高速以太网现场协议之一,去年也被列为中国推荐性国家标准,并且这个协议是开放的,加入EtherCAT协会是免费的;第二,EtherCAT是主要基于硬件的协议,很少需要软件的干预,能够让客户更加便利地使用。
Maurizio Skerlj进一步比较了EtherCAT和传统以太网的最大区别,他谈到,EtherCAT是实时的,每个节点都有进口和出口。这很像现实生活中的火车,连接的部分是轨道,每个节点就像一个车站,而数据就是火车上的乘客。但与现实生活中不同的是,乘客在每一站不需火车停车,就可以顺利地上下车。也就是说,EtherCAT是没有延迟的,这对需要实时控制的电机来说非常重要。
当前的EtherCAT实现
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在没有XMC4800之前,业界往往通过MCU加外部ASIC,或是MCU加FPGA的形式来实现实时通信以太网的功能。Maurizio Skerlj介绍说,EtherCAT是德国倍福(Beckhoff)公司的发明,用户可以选择从倍福公司购买ASIC,也可以选择自己研发,然后把ASIC集成到FPGA里中。他认为用户选择MCU+FPGA不外乎两种原因,一种是追求高性能,因此愿意自己研发整合EtherCAT;另一种可能是因为系统的其它控制部分也要用到FPGA,因此就把ASIC一同整合到FPGA中。而现在XMC4800由于集成了EtherCAT,且本身性能很高,因此可以同时满足这两个方面的需求。
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英飞凌MCU全面覆盖高中低端应用领域
在本届巡展活动中,英飞凌针对电机、电源控制、家电控制、工业I/O模块以及小型通用机械等应用,发布了最新XMC1400系列微控制器。
作为XMC1000家族的新成员,XMC1400含有通用型/增强型电机控制/CAN通信等3个子系列产品。在原有的XMC1000系列产品基础上,新产品将CPU主频提升至48MHz,结合工作于96MHz的协处理器单元MATH,可提供更强的运算能力。同时,其拥有更多的通信接口及管脚封装,集成了MultiCAN模块,并支持CAN 2.0B,可满足工业应用中对CAN通讯的需求。XMC1400还提供更多针对电机及电源应用相关外设单元,可以支持双电机控制及复杂的电源控制。
XMC1400的封装形式包括VQFN40、VQFN48、VQFN64、LQFP64,适用于工业控制中对需要较多I/O资源的应用。
XMC1400系列
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未来,英飞凌会在MCU方面持续投资并推出新品。高端方面,XMC4000主要应用于交通(除E-bike外)、工业自动化、电力能源等领域;中低端方面,XMC1000系列则用于家电、楼宇自动化等领域。
如何抓住“中国制造2025”契机?
有人将“中国制造2025”称为中国版的“工业4.0”,对此,英飞凌如何看待?在中国制造业的转型升级中,英飞凌关注哪些方面的合作机会?
Maurizio Skerlj回答,英飞凌一直在积极关注中国政府的政策和规划,在他们看来,“中国制造2025”将以信息化与工业化深度融合为主线,重点发展新一代信息技术、高档数控机床和机器人、先进轨道交通装备、节能与新能源汽车、电力装备、新材料、农业机械装备等领域。同时,“坚持创新驱动、智能转型、强化基础、绿色发展”是中国制造2025规划的主要方向,其中智能制造是主攻方向。
半导体在上述领域起着重要的作用,一是通过功率半导体高效率地生产,二是通过高性能微控制器进行智能地控制,三是通过安全芯片保障智能生产中的数据和信息安全。这些正是英飞凌在中国制造业转型升级中重点关注的合作机会。
其实早在“中国制造2025”出台前,英飞凌就已经开始在中国践行工业4.0的计划了。无锡工厂作为英飞凌全球后道的试点,2014年开始实施的后道自动化线路图“ BEAR”项目已经在智能制造和零缺陷制造上初见成效。据了解,BEAR旨在对后道工厂进行智能化改造,实现卓越智能制造和自动化。通过大数据制造数据分析和先进流程控制分析不断改进工艺流程,提高了设备的综合利用率、可用性及可维护性;同时,减少了非增值活动,大大降低了生产周期,并实现了生产流程全程可追溯,以达到零缺陷的目标。
Maurizio Skerlj表示,英飞凌将积极参与“中国制造2025”的推行,帮助提升中国的整体制造水平,通过智能制造使生产的数据透明度、分析度、制造的灵活度得到提升,给用户带来切实的、看得见的价值。例如通过提高生产效率和客户满意度,实现产品个性化、零缺陷并降低成本,最终使消费者受益。
英飞凌目前还有哪些前瞻性的研发项目?Maurizio Skerlj透露,一方面是在自有工厂践行工业4.0,例如BEAR项目;另一方面,英飞凌还将与合作伙伴一起进行前瞻的研发,例如机器和机器的交谈,使设备和设备之间能够进行信息交换和通信,及时地发现问题,使机器能够自主管理,并进一步以保证生产的流畅,提高生产效率。
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