Для обеспечения прибыльности завода крайне важно оптимизировать производительность и время безотказной работы за счет внедрения решений по автоматизации и прогнозированию технического обслуживания, что приносит значительную выгоду пользователям. Круглосуточная работа в промышленных и логистических условиях повышает нагрузку на оборудование, особенно на системы с активными приводами и двигателями, а отказ одного двигателя может остановить работу или производство. Новые ИТ-решения для автоматизации, такие как интегрированные на периферии системы искусственного интеллекта (ИИ), могут выявлять эти сбои и прогнозировать отказы заранее, позволяя операторам заблаговременно приобретать необходимые запчасти, планировать техническое обслуживание и, в конечном итоге, повышать общую эффективность работы.

Решения для автоматизации становятся все более сложными, требуя поддержки ведущих поставщиков микросхем как в аппаратном, так и в программном обеспечении. Гибкая аппаратная архитектура на самом низком уровне имеет первостепенное значение для того, чтобы идти в ногу с инновациями в решениях для промышленной и логистической автоматизации. Разработка программного обеспечения в настоящее время составляет большую часть затрат и трудозатрат в разработке промышленных проектов, что повышает ценность библиотек, инструментариев и поддержки экосистемы, предлагаемых поставщиками технологий автоматизации.

FPGA-микросхемы адаптируются к требованиям автоматизации.
FPGA-микросхемы со встроенными процессорами сочетают в себе гибкость, производительность и программируемость, что способствует быстрому внедрению и развертыванию новых технологий и удовлетворению меняющихся потребностей промышленной автоматизации. В частности, FPGA-микросхемы предлагают уникальную гибкость для широкого спектра динамических вычислительных профилей и требований автоматизации. Современные FPGA-микросхемы отличаются очень низким энергопотреблением и энергоэффективностью, что позволяет проектировать их в более компактных форм-факторах с упрощенным охлаждением — критически важный аспект на периферии сети. FPGA-микросхемы также полностью настраиваемы, что обеспечивает множество преимуществ по сравнению с программными решениями, такими как меньшая задержка. Кроме того, FPGA-микросхемы могут использоваться в высокопроизводительных контурах управления, ШИМ и с большим количеством подключенных управляющих двигателей на единицу, чем сопоставимые высокопроизводительные микроконтроллеры. Компания Lattice Semiconductor поставляет FPGA-микросхемы с чрезвычайно низким уровнем программных ошибок для повышения надежности, что идеально подходит для приложений, требующих высокой доступности и функциональной безопасности.

Кремниевые микросхемы могут защитить от кибератак.
Аппаратная безопасность имеет решающее значение для защиты от все более частых кибератак. Традиционные системы автоматизации, установленные на заводах и в логистике, часто были изолированы от интернета и облака, даже между подсистемами. Теперь системы автоматизации становятся все более взаимосвязанными, поэтому их необходимо защищать от хакеров, которые могут выводить системы из строя, шантажировать операторов, красть конфиденциальные данные или совершать другие вредоносные действия, а также создавать огромные финансовые риски. Решения на основе микроконтроллеров и/или программного обеспечения не могут обеспечить такую ​​же защиту в реальном времени, как альтернативы, такие как ПЛИС (FPGA), с мгновенным обнаружением, высокопроизводительным охватом множества подсистем и возможностью возврата к заведомо исправному состоянию для восстановления после атак — что имеет первостепенное значение. ПЛИС могут быть очень безопасными и отказоустойчивыми благодаря мониторингу на самом низком уровне (ниже операционной системы), тем самым защищая микропрограммное обеспечение до, во время и после загрузки, защищая и проверяя сам код и обеспечивая корень доверия.

Оптимизированные библиотеки для автоматизации:
гибкая аппаратная база, поддерживаемая столь же мощным программным обеспечением от производителей полупроводников и их экосистемы, имеет важное значение, особенно для решений в области автоматизации. Разработка программного обеспечения уже составляет подавляющую часть затрат на разработку в проектах промышленной автоматизации и управления, поэтому высококачественная поддержка имеет решающее значение для успеха проекта. Например, компания Lattice Semiconductor предоставляет облегченную платформу на основе протоколов для мониторинга и управления в реальном времени по Ethernet для сетевого подключения (например, для управления многоосевыми двигателями через промышленный Ethernet и последовательного подключения к нескольким мониторам). Кроме того, высокопроизводительные ПЛИС становятся все более удобными для программного обеспечения, предлагая инструменты программирования и графические среды проектирования, такие как среда проектирования Propel™ от Lattice (см. рис. 1, график Propel).

Автоматизация часто включает в себя несколько функциональных областей со специальными требованиями к программному обеспечению, такими как периферийный ИИ, встроенное машинное зрение и безопасность, поверх низкоуровневого программного обеспечения, такого как операционные системы и микропрограммы. Доступ к более сложным программным библиотекам и интеллектуальной собственности (ИС) от поставщиков полупроводников в этих областях особенно важен для оптимизации производительности и энергопотребления при использовании встроенных ускорителей и аппаратных ресурсов. Например, в области периферийного ИИ разработка с использованием распространенных сред, таких как TensorFlow, Caffe и Keras, теперь является обычным делом для реализации сверточных нейронных сетей (CNN) для расширенных приложений, таких как обнаружение присутствия, распознавание ключевых слов, отслеживание лиц и подсчет объектов. В приложениях машинного зрения разработчикам решений часто требуется гибкое интерфейсное подключение (например, MIPI CSI-2, LVDS, PCIe, GigE).

Программируемость программного и аппаратного обеспечения:
Хотя маломощное, высокопроизводительное и малозадержечное программируемое оборудование предлагает множество преимуществ, некоторые рабочие нагрузки лучше контролировать или реализовывать программно. Например, программируемость программного обеспечения оптимальна для приложений прогнозирующего технического обслуживания, а также позволяет использовать навыки, более распространенные среди разработчиков (например, программирование на языке C). Сочетание ПЛИС и традиционных процессоров в гетерогенных системах на кристалле, модулях/платах и ​​встроенных вычислительных системах обеспечивает аппаратно-программную совместную обработку и расширенную гибкость системы.

Автоматизация: линейка решений для промышленной автоматизации от Lattice.
Современные решения для автоматизации состоят из множества динамических компонентов и подсистем, которые должны разрабатываться согласованно, чтобы быть конкурентоспособными на рынке. Поддержка управления двигателями, периферийного ИИ, объединения данных с датчиков, функциональной безопасности, машинного зрения и безопасности должна быть органично интегрирована в комплексное решение для автоматизации, чтобы ускорить внедрение и вывод продукции на рынок.

Чтобы помочь клиентам преодолеть эти проблемы, ведущие производители микросхем предлагают расширенную поддержку вертикальных и специализированных приложений для ускорения разработки новых рабочих нагрузок, таких как тестирование концепции прогнозируемого технического обслуживания, испытания с новыми архитектурами сопроцессора и разработка прототипов с новыми спецификациями/интеграциями. Линейка решений для промышленной автоматизации Automate™ от Lattice, показанная на рисунке 2, является примером уже доступного комплексного решения. Реальные примеры внедрения новых процессорных технологий, отвечающих общим требованиям безопасности, таким как SIL-2 или безопасный сопроцессор (например, эталонные проекты, примеры проектов и т. д.), являются убедительной демонстрацией избыточности/безопасности, которую можно оценить лучше, чем теоретически, с помощью технических характеристик или моделирования.

Как правило, набор инструментов автоматизации включает в себя разнообразный набор интеллектуальной собственности (IP), имеющий решающее значение для применения и оценки поставщика микросхем для автоматизации (экосистемы). Системы промышленной автоматизации и управления уже обладают широким функционалом, таким как графические интерфейсы, реагирование в реальном времени, проводное и беспроводное сетевое подключение, локальный анализ событий и надежные форматы. Однако сложность этих систем постоянно растет, чтобы поддерживать новые возможности, критически важные для решений в области автоматизации, такие как машинное зрение, обнаружение объектов и повышенная безопасность, и многое другое. Предоставление этих функций/возможностей наряду с более широким или более продвинутым планом поддержки имеет фундаментальное значение для микросхем автоматизации и для будущей жизнеспособности решения.

Экосистема автоматизации:
Крупные поставщики микросхем значительно расширили свои внутренние возможности, чтобы предлагать специализированные услуги по проектированию производителям оригинального оборудования (OEM) и другим компаниям. Например, Lattice Semiconductor имеет собственную группу проектирования для всех сегментов применения, что позволяет ей настраивать и интегрировать свои решения для ИИ и машинного обучения, машинного зрения, безопасности и автоматизации, а также группу по обслуживанию продукции, которая обеспечивает поддержку производства. Компания также имеет сеть партнерских компаний, прошедших обучение и сертификацию по ее инструментам, чтобы гарантировать качество услуг, предоставляемых третьими сторонами. Экосистема партнеров, предоставляющих высококачественные услуги по проектированию, является ключом к поддержке более широкого спектра технологий на уровне приложений, со специализированной поддержкой для фрагментированного сегмента поставщиков и технологий для робототехники, ПЛК, защиты и систем.

Эрик ван дер Хейден, вице-президент по продажам в регионе EMEA, Lattice Semiconductor