【原创】马云说的工业4.0 ,瑞萨这个产品把它实现了!

winniewei 提交于 周一, 05/07/2018
【原创】马云说的工业4.0 ,瑞萨这个产品把它实现了!

作者:张国斌

工业4.0是指利用物联信息系统将生产中的供应,制造,销售信息数据化、智慧化,最后达到快速,有效,个人化的产品供应,不过真要从芯片层面去理解工业4.0,估计可能没几个人能说清楚,我觉得文科生马云对工业4.0倒理解的很到位,他在2015年3月的德国汉诺威IT博览会上说了这么一段话:“未来的世界,所有的制造商他们生产的机器,这些机器不仅会生产产品,它们必须说话,它们必须思考。机器不会再由石油和电力驱动,机器由数据来支撑。未来的世界,企业将不再会关注于规模、标准化和权力,只会关注于灵活性、敏捷性、个性化和用户友好。”基于马云的通俗理解,你觉得该如何实现工业4.0方案?如何构建融合了信息科技(IT)、操作技术(Operation Technology;OT)和通信技术(Communication Technology;CT)的工业4.0平台?工业领域采用的MPU,MCU该具备什么样的功能? 我觉得瑞萨电子一款最新面向工业应用的MPU把工业4.0理解到位了,实现了马云表述的工业4.0。

RZ/N1解决方案介绍

去年11月底瑞萨电子推出一款新型RZ/N1微处理器(MPU)解决方案套件,它支持各种工业网络应用,包括可编程逻辑控制器(PLC)、智能网络交换机、网关、操作员终端和远程I/O解决方案。在今年3月的慕尼黑上海电子展上,瑞萨电子中国产业解决方案中心工业和家电部戴其宏经理(下图)给媒体详细介绍了这款产品。

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“在中国智能工厂和工业4.0是非常热门的话题,数字化工业自动化市场提出了一些关键需求,我们也看到这些需求,首先是要不断提高机器效率,然后是要进行实时性分析和过程优化,实现生产流程的智能化提高敏捷性,最后是服务解决方案要实现这些工业分析,同时也需要兼顾到工业生产的安全性连接,实现IT和OT之间的连接。”戴其宏指出,“面对工业IoT和工业4.0,瑞萨目前所能提供的电子技术,首先是我们的工业网络解决方案,基于瑞萨的RZ/N多协议工业以太网、OPCUA、TSN、云、IO-Link这样一些技术,然后同时提供BLDC电机与伺服运动控制方案。”

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她指出瑞萨电子目前可以面向工厂的各个层级提供解决方案,包括控制级和现场级的产品。之前有R-In的产品,R-IN32, TPS-1,EC-1产品就是用来做实时的网络控制器。针对流量计则有RL78,此外还有针对IO板卡和安全设备的产品,也有针对现场级工业运动控制器和机器人的RZ/T1平台,可以说,瑞萨电子的平台覆盖了现场级、控制级以及企业级各个层面。

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据她介绍,RZ/N1是最新面向控制及工业控制级的产品,主要适用于可编程控制器,RZ/N1有四大特点:
1、支持工业IT和OT网络的连接。支持多协议工业网络,它能支持多种的工业以太网协议,其中包括EtherCAT, Profi net,OPC UA, Canopen和EtherNet/IP以及其他一些主流工业协议。

2、芯片内有一个单核CortexA7用来做智能控制, 同时还有一个Cortex M3核用来做客户智能控制应用,同时它也提供DDR2/3、XiPQSPI、NAND闪存接口。

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3、在工业IIoT工业网关方面,该芯片内部有先进的5端口Gbit交换机桥接

IT及OT网络,“这样的功能在目前市场上是比较罕见的,主要用于支持IT和OT网络连接,以及支持支持TSN的判断。”她强调。

4、是关注于一个安全运行和防范网络安全攻击和一个冗余网络。为了做到这一点,存储器带片上ECC校验,唯一的IDHSR/PRP/MRP冗余,给客户提供唯一的ID以防客户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协议。

她指出作为一个工业网络技术平台,瑞萨还开发了R-IN引擎平台,可以搭载到不同代芯片上,而RZN1已经是第三代产品,其中在2014年瑞萨推出了第一代搭载R-IN引擎技术平台的产品是R-IN32,主要用于远程IO的产品。

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在2015年,瑞萨电子又推出了RZ/T产品,主要用在运动控制伺服领域,去年年底的推出的最新RZ/N产品,主要覆盖到主站产品,包括PLC控制器,HMI以及Ethernet Switch(以太网交换机)这些应用领域。

瑞萨独特的R-IN引擎平台是加速协议处理的引擎,引擎内里面带一个32位的CPU,还又集成了硬件实时OS,以及一个以太网加速器。这个引擎的主要优势是能使客户或将更加专注于实时网络通信,“它提高了高速中断响应,比普通的启动时间减少了六倍。比较适用于任务切换使用,切换的速度能提高到三倍,能实现极微弱的抖动,这就是R-IN引擎平台设计的优势。”戴其宏指出。

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戴其宏表述,瑞萨电子在引擎上做了测试,搭载这样的引擎,可以大幅度提升客户性能---她举例说市面上普通MCU产品跑普通百兆级工业网络时,一般到50MHz也时候,MCU负荷已经到了100%左右,这意味着它不能完全实现工业以太网通信功能了。但是搭载了R-IN引擎的芯片,当传输速率接近百兆级时,CPU负载才20%到30%左右。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。

她表示RZ/N1的设计理念就是把应用部分和实时通信部分两者分开,左边是应用领域设计,它采用了ARMCortex–A7,可选单双核(最高主频500MHz),其上可以跑Linux、ThreadX这样的OS,同时集成了外设,主要给客户做不同的应用控制。

右边部分专注于做客户的以太网通信,搭载了ARM Cortex–M3内核,运行的是硬件RTOS(uITORNOS),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。

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目前该芯片可以支持多种工业以太网协议,几乎涵盖了目前市场上所有热门工业协议如EtherCat、Ethernet/IP, ⅢSercos, Powerlink,Profinet, Modbus, Canopen以及一些总线协议。协议栈集成在通用操作系统抽象层层面上,可以实现片内两个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。

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上图列举了瑞萨电子目前就此平台提供给客户的硬件,有EtherCAT从站控制器和SercosIII从站控制器和CANUART控制器等,软件部分包括Modbus TCP,以及TCP/IP,UDP/IP的协议,白色部分是瑞萨的合作伙伴提供的软件协议,如EtherNet/IP,PRP,Profinet等都是经瑞萨电子的第三方合作伙伴来提供给客户的。

她表示客户在应用该芯片的时候,只需要专注于应用层开发即可,通过通用操作系统抽象层简化协议之间的转换,客户在应用方面如果需要调用实时通信协议,只要直接调用R-IN引擎就可以了,不需要再次开发,这样大大大大简化了客户的开发工作量,目前主控协议栈是由IEC61131-3开发系统来提供的。

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据她介绍,RZ/N1的外设有8通道双单元12位ADC、在封装方面,RZ/N1有三个分类五种封装,例如RZ/N1D,采用的是双核A7+M3,目标应用是PLC和以太网交换机网站,内部带2Mb SRAM,预留了DDR接口。支持Linux操作系统。

RZ/N1S的区别是单核A7+M3核,目标应用RZ/N1D相同,最大特点SRAM非常大,有6M,不需要外扩,降低客户成本,同样也是五端口和三端口两种封装,支持三种冗余协议PRP、DLP、MRP。 片上的操作系统ThreadX(Express Logic)。

RZ/N1L不带A7核,只带Cortex-M3以及R-IN引擎,目标应用主要是多协议远程IO,内存非常大,是6M,只有三个端口,也能支持部分冗余协议。这三款产品,目前已经有工程样片给客户提供。

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据她介绍,为了方便客户快速评估瑞萨电子产品并加速开发进程,瑞萨电子在提供解决方案套件给客户的同时,也提供软件和DVD光盘,程序包括所有接口的驱动程序和应用示例的板级支持包(BSP),同时瑞萨电子也会给客户提供面向A7的LinuxOS和面向M3的硬件-RTOS的uITRON。以及上文介绍的工业以太网示例代码,也会给客户提供第三方开发评估版本,方便客户做测试。

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RZ/N1的开发环境都是比较常见的,不是瑞萨独有的,因此方便客户找到开发工具,其中Cortex-A7运行的Linux编译器和调试器是GCC和GDB,ThreadX是IAR,都是很常见的,片上的Cortex-M3核是用IAR来实现。 

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如果要做产品实时以太网应用,则用产品自带的五个以太网端口,这五个端口针对不同客户应用,如上图所示例如如果要做实时以太网PLC产品,则端口1做GMAC,然后在端口四和端口五上配置跑EtherCat协议,选择端口二三配置做RGM协议,如果是运行PROFINET/ EIP/Powerlink协议,则可以把端口四五配置成Sercos3,可以看到针对不同应用,五个端口的使用是非常方便的,客户开发确实简便了很多。

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上图是一个实时IIoT网关和安全的终端设备工业应用框图。通过网关主要实现了IT与OT的连接。

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“RZ/N1芯片横跨多个领域,可以提供工业连接,很重要的是中间工业自动化,我们芯片提供多协议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,也可以应用到其他领域,如基础设施、楼宇自动化等。”戴其宏总结道。“RZ/N1可谓实现工业4.0一款神器!”

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