智能工厂如何变得更灵活？只需用上这两类芯片！
发布时间：2023-11-28 09:08
发布者：eechina
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来源：贸泽电子 过去几年，COVID-19的肆虐让全球制造业遭受重创。据调查数据显示，仅2022一年，全球因工厂意外停工造成的经济损失高达1.5万亿美元。 未来的智能工厂需要更高的灵活性和更强的抗风险能力，才能尽量减少此类风险。而这种能力从何处构建？软件可配置硬件给出了答案。 硬件参数可配置 制造产线更灵活 软件可配置硬件，也称为可重构硬件，是指通常应用于工业制造领域，可以通过编程来更改其功能和结构的硬件设备。常见的软件可配置硬件类型包括：现场可编程门阵列（FPGA）、可编程自动化控制器（PAC）、可编程I/O口、可编程ADC/DAC、可重构AFE和多通道PMU等多种不同的类型。 未来的工厂将会面临着诸多的挑战： 1-紧跟趋势生产 一方面，生产需要跟随不断变化的消费趋势，更频繁地按照市场反馈进行新产品的制造；对于高需求的产品制造进行扩充，对于低需求的产品制造进行减产。 2-紧跟技术演进 另一方面，工厂需要紧密跟随技术演进，不断将创新制造技术与传统产线融合，从而实现不间断的效率提升。 3-预测风险变动 此外，工厂还要对于不可预测的国际事件和供应链变化，做好突发关停或产线迁移的准备，尽可能降低损失。来自市场、技术和国际形势的多重因素，促使未来工厂更需提高灵活性和抗风险能力。 
图1：未来智能工厂（图源：ADI） 而通过软件可配置硬件的部署，工厂就可以在不替换物理设备的情况下，迅速完成相关制造功能的调整修改，快速适应生产需求的变化，这种灵活性对于满足不断变化的操作需求和提高生产效率至关重要。而随着工业物联网（IIoT）和智能制造的进一步发展，软件可配置硬件能够让工厂在快速变化的市场环境中保持更好的竞争力。 需要理清的是，这里提到的软件可配置硬件（Software Configurable Hardware）和通常提到的软件定义工厂（Software Defined Factory）是两个不同的概念。前者是在硬件器件层面的定义，后者则是在工厂层面的定义，两者纬度不同，看似毫无联系，但要实现后者软件定义工厂，软件可配置硬件的参与也必不可少。 既然软件可配置硬件对于未来智能工厂必不可少，那么如何选择合适的器件呢？接下来我们从FPGA和可配置I/O两个大的分类来深入剖析。 FPGA：为智能工厂提供灵活计算能力 FPGA（Field-Programmable Gate Array）即现场可编程门阵列，其核心优势是内部硬件电路不像定制硬件（如ASIC）那样固定不变。相反，其内部数以万计的逻辑块可以通过用户编程来组成复杂的自定义硬件功能，这种独特性可以使FPGA为制造业领域提供灵活的计算能力。 
图2：FPGA在工业中的应用（图源：Microchip Technology） 在高度竞争和快节奏的制造领域，能够迅速修改和优化系统至关重要。FPGA可以用于控制系统，如驱动控制和传感器数据处理。如果控制策略需要更改或优化，工程师可以通过重新编程FPGA来实现，而无需更换任何硬件组件，这不仅大大缩短了开发时间，还能显著降低成本。 对于定制小批量产品的制造，传统的硬件解决方案可能过于僵化且成本高昂，而FPGA的灵活性允许生产线适应不同的产品配置和要求。例如，在电子组件组装线上，FPGA可以控制机器人臂的精确动作，快速切换组件拾取和放置的模式，从而适应不同的组件类型和组装要求。 随着产品需求和技术的变化，传统的硬件设备可能会迅速过时。而FPGA的可编程性质允许其适应新的标准和技术。设计人员可以通过更新FPGA的固件/软件来引入新功能或改进系统性能，从而延长制造产品线的生命周期。 
图3：Microchip的FPGA产品布局（图源：Microchip Technology） 作为知名的集成电路制造商，Microchip Technology提供了丰富的FPGA产品组合，包括SmartFusion、IGLLO2、ProASIC3和PolarFire系列。其中ProASIC3系列的定位是极小封装和极低功耗的低密度FPGA，支持便携式、消费类、工业、通信、汽车和医疗等多种不同应用。 其中ProASIC3E系列基于非易失性闪存技术构建，这意味着即便在断电的情况下，其编程设计也能得以保留。该器件支持330至35K LE和多达620个高性能I/O，内部集成了Arm Cortex-M1软处理器IP内核，具有易于编程和加快上市时间的优点。关于该系列产品，我们推荐的具体产品型号为“A3PE3000-1PQG208I”，可以在贸泽电子官网搜索该料号获取更多产品信息。 软件可配置I/O为智能工厂提供灵活互连能力 I/O接口模块是自动化控制系统和现场设备之间进行信息交流的桥梁，确保工业控制系统能够有效地与现场设备进行交互，对各种操作进行精确控制，从而优化生产过程，提高效率和安全性。 输入模块从各种现场传感器接收信号，传递给控制系统，帮助控制系统了解到现场环境和设备状态；输出模块可以将控制系统的指令传递给现场执行机构，执行适当的动作。 传统的控制系统采用一组复杂的通道模块，这一组通道模块按照该控制系统的特定需求进行配置，每个I/O模块的功能固定，而且是以模拟为主导。 
图4：典型PLC中的I/O模块（图源：realpars） 这种控制系统的I/O模块配置工作非常复杂和繁琐，设计者需要思考采用何种I/O分组配置才能高效满足通信和控制需求，在大量的不同产品选型和互连之间设计最优连接路径。安装人员需要花费大量的时间进行成本高昂且工作量巨大的手工安装工作。 如果客户需求发生变化，则势必带来I/O模块的功能调整，但传统的控制系统中的I/O模块并不支持重新混合和再配置。即使只是需要简单地增加一个额外的通道，也需要重新设计和安装扩展板，这将会显著增加整个控制系统的面积、成本和功耗。并且这种新增的通道安装位置受限，因此对于渠道的使用效率也无法发挥到最佳。 
图5：SWIO和传统I/O的对比（图源：ADI） 如果I/O模块具备软件可配置的特性，那么就能够大大减少控制系统的I/O模块配置的复杂度、成本和功耗，并且在需要进行通道调整的时候，提供足够的灵活性。 基于此类需求，ADI率先提出了软件可配置I/O（SWIO）的概念，并推出了一系列的SWIO产品，帮助制造商提高控制系统灵活性，同时降低复杂度。 SWIO具备“一次构建，常规适用”的特点，支持通过任意引脚访问任意工业I/O功能，且允许在任意时间配置通道。 在使用软件可配置I/O时，制造商可开发一个平台来代替多个过时的固定功能I/O模块，或将其应用于需要跟随不同客户需求调整的定制生产线中。对于传统上依赖于多个I/O模块的控制柜，且每个通道类型需采用指定布线的系统，由于现在采用了可编程的单个模块类型，硬件的需求随之减少，从而有助于降低物流、制造和支持成本。 当制造商从传统设备过渡到智能边缘设备时，SWIO可以实现向T1L、以太网和其他工业通信标准的托管过渡，通过促进现场仪表的持续使用，将传统工厂过渡到互联基础设施。 此外，SWIO还支持开发标准化的可配置现场I/O单元，此类单元能够在已安装的支持HART的4-20mA传感器和执行器与10BASE-T1L或100M光纤回程之间进行转换。 
图6：SWIO支持控制网络演进（图源：ADI） 关于SWIO系列产品，我们在此推荐AD74115H单通道可配置模数转换器，该器件集成了一个16位Σ-Δ模数转换器(ADC)和一个14位数模转换器(DAC)，还包含一个高精度2.5V片内基准电压源，可用作DAC和ADC的基准。AD74115H单个引脚具有多个可配置模式，可配置成模拟I/O、数字I/O、电阻温度探测器(RTD)以及热电偶测量能力。在贸泽电子官网搜索“AD74115HBCPZ”，就可以获取关于此器件的更多信息。 
图7：AD7415（图源：ADI） 软件可配置硬件的未来 赋能工厂数字化转型 软件可配置硬件的应用和工厂实现灵活性密不可分，随着工厂数字化转型的深入，软件可配置硬件的技术将会与以下制造业技术趋势一起释放出更大的潜能。 首先，人工智能和机器学习正越来越多地被用于自动化决策制定、预测维护和质量控制。 可以预见到，制造业中对能够进行更复杂数据处理和实时分析的硬件的需求将会增加。软件可配置硬件，特别是那些能够进行高速并行处理的系统（如FPGA），将变得非常重要，因为它们可以被编程来执行复杂的算法，以更有效地支持AI算法，提供必要的计算能力，同时保持能源效率。 第二，工业物联网（IIoT）正改变着制造业，对实时数据流和远程监控的需求也在不断增长。 软件可配置硬件将是这些应用的核心，因为它们可以轻松集成到IIoT解决方案中，并可根据特定需求进行编程和优化。 第三，为了减少延迟并提高处理数据的能力，边缘计算应用不断增长。 软件可配置硬件非常适合边缘计算应用，因为它们可以提供高性能、可定制的计算，同时保持低功耗。 最后，在可持续发展方面，未来的智能工厂将需要更多的定制硬件解决方案来满足特定的操作要求。 随着可持续性成为一个重要议题，能够通过软件更新来延长硬件使用寿命的解决方案将变得更加受欢迎。 总的来说，软件可配置硬件正逐渐成为智能工厂技术进步的核心驱动力。它不仅优化了制造流程的效率和灵活性，还为智能决策提供了关键支持。面对不断变化的生产需求和市场环境，无论是对旧有工厂进行技术升级，还是在新工厂中实施先进技术，软件可配置硬件都显示出了其不可替代的重要性。 这种技术的采用有助于工厂更加灵活地适应未来挑战，同时确保操作效率和生产力的持续提高。在未来的发展中，随着人工智能和物联网技术的进一步融合与发展，我们预见软件可配置硬件将在加速工业数字化转型中扮演更加积极的角色。 |
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