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用MPU实现工业PLC/网关及嵌入式AI

—— 瑞萨电子的RZ/N1等MPU,MCU服务工业物联网
作者:王莹时间:2018-04-19来源:电子产品世界收藏

  在不久前的“2018慕尼黑上海电子展”上,展出了系列方案。还举办新闻发布会,中国 产业解决方案中心 工业和家电部 部长 谭绍鹏先生和市场经理 戴其宏女士介绍了(IIoT)及其中的PLC(可编程逻辑控制器)的挑战,还有瑞萨电子为PLC推出的集成了五个以太网端口的MPU——RZ/N1,最后介绍了用MCU实现eAI(嵌入式人工智能)的构想。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201804/378656.htm

  

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  的关键特征

  工业物联网有三部分是非常重要的。

  第一是安全性。因为传统的制造业工厂,IT与OT是分开的,如果黑客去攻击IT网络,不会影响到OT网络。但是实现工业物联网后,很多OT数据与IT数据是连在一起的,因此如何保证IT数据与OT数据的安全,更为复杂和关键。

  其次在操作层面上,以后的Operation层(运营层)不仅仅是数据的检测,还可以感知、感应,以及实现提前预测与预防。其中一个关键指标是实时性,含义是可以通过远端的任何一个设备或者是人下命令,通过工业以太网网络传递到某个工件,这是实时性的,实时性要求响应是纳秒级的。

  第三是定制化,即不能只生产A,还能生产B、C,批量可以随便调配,这也是数字化工厂、smart(智能)工厂的一个重要特点。

  可见,在技术上,工业物联网落地的关键挑战是如何实现计算、信息、控制三位一体的改造。现在很多制造业要么是计算,要么是控制,要么是通信,都是单独进行的。

  新型PLC可使IT与OT数据对接

  工厂需要各个层面的方案,诸如企业级、控制级和现场级。其中瑞萨电子的产品如下图右,有围绕R-IN的系列产品,诸如R-IN32、TPS-1、EC-1产品用来做实时的网络控制器。流量计部分,瑞萨电子有RL78 MCU。如下图左,IO板卡和安全设备方面,瑞萨电子有RX系列的MCU产品。在现场级的工业运动控制器和机器人部分,瑞萨电子有RZ/T1平台等。

  

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  为了把整个产业线从上至下地应用起来,PLC(可编程逻辑控制器)只是其中的一层——控制层,控制下面的众多传感器、机器人、远程IO模块等,下面的层是应用层或现场层。

  但现在做PLC与以前传统的方法有些不同。需要把两个世界——IT和OT连在一起。瑞萨电子RZ/N1 MPU走在行业前列,例如2017年11月推出的RZ/N1支持5个端口,主要适用于可编程逻辑控制器(PLC)及网关产品,来支持工业的IT和OT网络间的连接。

  

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  图:瑞萨电子展位上的海报

  相比之下,友商的产品有时即使支持5个端口,也未必能把IT和OT连在一起。例如友商的产品五个端口都支持连接云,有千兆****换器等,但是仅能传IT数据,例如TCP/IP或UDD,即跑的都是IT领域的数据,不能跑OT数据。

  以下着重介绍瑞萨电子最新的面向工业控制级的RZ/N1产品。

  RZ/N1的四个特点

  

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  实际上,RZ/N1能够覆盖到的应用范围是比较大的,主要有四大特征(如上图)。①能支持多协议的工业网络,包括EtherCAT、PROFINET、OPC UA、Canopen和EtherNet/IP等。②在智能控制上面的作为。芯片里含有单/双核的Cortex-A7核,再搭载一个M3核,因此能够用来做客户智能控制方面的应用,同时也提供DDR2/3、XiP QSPI、NAND闪存等。③在IIoT工业网关方面是非常强大的,有先进的5端口Gbit交换机桥接IT及OT网络。这样的产品在目前市场上是比较罕见的,主要支持IT和OT网络的连接,以及支持TSN。④安全运行,防范网络安全攻击,冗余网络。为了做到这一点,存储器带片上ECC校验,后给客户提供唯一的ID,以防客户的程序被其他竞争对手盗取。同时芯片能支持工业交换机需要的冗余的协议,诸如HSR/PRP/MRP冗余。

  R-IN引擎

  作为工业网络技术平台,瑞萨电子有R-IN引擎平台,搭载到不同代的芯片上。现在的RZ/N1已经是第三代产品(如下图)。此前的2014年,瑞萨电子推出了第一代搭载R-IN引擎技术平台的产品——R-IN32M3,主要用于远程IO的产品。2015年推出了第二代产品——RZ/T1,用于运动控制伺服。2017年底又推出了最新的RZ/N1产品,主要覆盖到主站的产品,包括PLC控制器、HMI以及Ethernet Switch(以太网交换机)等应用领域。它们都有R-IN引擎平台,是顺利实现IT与OT对接的重要法宝。

  

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  因为R-IN引擎平台是用于加速协议处理的引擎。引擎内部有带一个32位的CPU,又集成了硬件的实时性OS(RTOS),还有一个以太网加速器。该引擎的主要优势是能使客户更加专注于实时网络的通信。提高了高速中断响应,比普通的启动时间减少了6倍。再有,比较适用于任务切换使用,切换的速度能提高到3倍;可实现极微弱的抖动。

  

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  瑞萨电子在R-IN引擎上做了测试,搭载这样的引擎,给客户提供了性能的提升,如下图是市面上普通百兆级MCU产品在运行工业网络时的表现。众所周知,工业以太网的主流速率约是百兆级的,普通的MCU芯片运行到50MHz,即百兆的一半——50Mbps的时候,对MCU的负荷已经达到了100%左右,也就意味着它不能完全实现工业以太网通信的功能。

  而搭载了R-IN引擎的RZ/N1芯片,通过UDP和TCP/IP的传输测试,可以发现当传输速率接近百兆级的时候,CPU的负载才20%~30%左右(如下图)。这种高性能和低CPU负载,就是通过硬件-RTOS和硬件以太网加速器实现的。

  

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  图:RZ/N1与普通百兆级MCU产品在运行工业网络时的比较

  RZ/N1的架构

  RZ/N1把应用部分和实时通信部分两者分开来做设计,下图左半部分是应用领域的设计,用了Arm Cortex–A7(双核和单核可选),在其上运行的是Linux、ThreadX等OS,集成了外设,主要是给客户做不同的应用控制来使用的。

  

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  右半部分使客户专注于做以太网通信,即实时性要求很高的应用。其搭载了Arm Cortex–M3核,运行的是硬件-RTOS(uITORN OS),同时也集成了多协议多工业以太网协议与冗余协议,并搭载了5端口实时以太网交换机。

  据悉,目前该芯片可以支持多种工业以太网协议,例如目前在国内市场较热门的EtherCat、Ethernet/IP、SercosⅢ、Powerlink、PROFINET、Modbus TCP、Canopen等。协议栈集成在通用操作系统抽象层层面上,来实现片内两个CPU之间的无缝通信,两个CPU是通过共享内存和中断请求来进行互相通信的。

  

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  RZ/N1的应用举例

  RZ/N1带有五个以太网的端口,针对不同的应用,五个端口的配置使用非常方便。例如做实时以太网的PLC产品,端口1做GMAC,然后运行EtherCat协议可以配置在端口4和端口5上。再例如PROFINET/ EIP/Powerlink/SercosⅢ多协议实时网关,可把端口4、5配置成SercosⅢ,端口2、3配置成其它协议。

  

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  具体地,在工业应用方面,可用于实时IIoT网关和安全的终端设备。通过网关主要实现了IT与OT的连接。因为RZ/N1芯片横跨了多个领域,提供工业的连接。其中很重要的是中间的工业自动化,瑞萨电子的芯片提供多协议的工业网络以及运行安全和网络安全。目标是市场上下一代PLC产品和远程I/O产品,进行嵌入式的分析。在其他的领域,例如基础设施、楼宇自动化方面,RZ/N1产品,也同样会有应用需求。

  瑞萨电子的工业物联网整体方案

  瑞萨电子面对工业物联网的产品很多,首先是工业网络解决方案,包括基于瑞萨电子的RZ/N多协议工业以太网、OPC UA、TSN、云、IO-Link等技术;其次还有BLDC电机与伺服运动控制。

  差异化技术是:有硬件的实时OS、DRP、先进以太网交换机和加密解决方案等;同时也提供功能安全软件包,以及AI(人工智能)学习的解决方案,还有低功耗的传感器解决方案等。

  独特的嵌入式人工智能(eAI)

  由于智能化设备里的一部分分析是基于云计算的,为了提高实时性,仅仅依赖云计算是不够的。为此,瑞萨电子提出依赖云的神经网络(NN)建了模之后,装到本地,本地只要输入一定的数据给它,它输出来就行了。

  

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  图:瑞萨电子展位上的eAI海报

  即它在云上怎么学习,本地不用管,怎么建模本地也不管,本地只知道云给本地一个数学模型之后,本地输入什么参数,就分析出来什么数据,然后把这套东西烧到本地的MCU里面去。算法更新是云端在做。本地只需把云那套东西看成一个黑匣子——输入什么、输出什么,把这套算法嵌入到本地。为何要嵌入本地?因为很多数据不可能上传到云端去处理,本地就可以处理了。

  eAI的挑战是:工厂管理者该用什么数据来做人工化智能?因为数据的种类很多,例如温度、良品率、来料的合格率等。相比之下,人工智能的人脸识别、语音识别较为单纯,只要分析有关脸和声音的所有数据就可以了。但工厂情况纷繁复杂,有不同类型的数据,例如事件数据(状态数据)、实时操作性的数据等,有些是循环数据,有些是非循环数据。

  关于eAI,瑞萨电子已经在自己的部分日本工厂实现了。但如何将这种方法用到中国来?瑞萨电子正在寻找合作伙伴。

  小结

  工业物联网的难点之一是需要IT与OT的数据对接。RZ/N1很好地实现了PLC或网关的数据对接。eAI是本地智能化方案,以实现纳秒级的实时性。

  当然,瑞萨电子的方案只是工业物联网中的一小部分,要实现工业4.0或工厂互联网,这是一整套系统,除了半导体芯片,还需要有软件的配套服务商、云服务商、系统集成商等的合作。

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