Endüstriyel Otomasyonda Obsoleslik Problemi

Üretim zeminleri, dünya çapındaki enerji üretim tesisleri ve proses tesisleri, on yıllardır güvenilir bir şekilde çalışan makinelerle doludur. Bu işhorlar - damga basınları, konveyör sistemleri, türbinleri ve kimyasal reaktörler - üretim hatları için mühendisler için mühendisler tarafından tasarlanırlar, ancak iletişim arayüzleri, bu yaşlanma varlıklarının çağını yansıtırlar.

Ana zorluk, 5V TTL'den 24V endüstriyel mantıkla ilgili olarak yalan söylüyor. Bazı makineler RS-485 üzerinden Modbus RTU ile iletişim kuruyor.Diğerleri bu tür mikrosaniye zamanlaması gereksinimlerine sahip çeviri katmanlarını tamamen tasarlayabilmeli. Elektrik sinyali, EtherNet/IP, PRONET veya OPC UA. Field-programları tamamen yasaklanmış kağıt kılavuzları (FPGA) olarak bu görevi yerine getirmek için en yetenekli teknolojidir.

Para, belirsiz zamanlama gereksinimleriyle karşı karşıya kalır. Birçok miras kontrol cihazı mikrosaniye içinde yanıt bekliyor. Eksik bir zamanlama penceresi güvenlik kapatmalarını veya yanlış parçaları üretebilir. Geleneksel mikro kontrolcüler, özellikle de birden fazla protokolle uğraşmak için mücadele ediyorlar. FPGAs, donanım seviyesindeki paralellik ile, tam bir makine aşırılamadan gerçekçi bir yol sağlayabilir.

FPGA, Legacy Interface Design için Avantajları

FPGAs paralel işlemeyi birleştirir, donanım seviyesinde determinizm ve ben / O, mikrokontrollü çözümlerle eşleştirilemeyeceği şekillerde esneklik.Bir zamanlar bir tane kesintiye uğratan bir işlemciden farklı olarak, bir FPGA aynı anda birden fazla protokol kontrolörü uygulayabilir.Tek bir çip aynı anda yüksek hızda encoder izleyebilir ve bir saatli bir seri akışı izleyebilir ve bir saat boyunca tüm zamanlama akışını oluşturabilir.

FPGA'lar da doğal olarak yeniden programlanabilir. İletişim standartları geliştikçe, aynı cihaz, PCB modifikasyonu olmadan yeni protokolleri desteklemek için yeniden yapılandırılabilir. Bu gelecek koruyucular yatırıma ve alan yükseltmelerine basit bilgisayar yükleri yoluyla izin verir.For plant Managers ile ilgili olarak, bir FPGA tabanlı evrensel arayüz kurulu uygun bitleri yüklemeye hizmet edebilir.Bu yedek parçaları envanteri azaltır ve bakım iş akışlarını basitleştirir.

Modern FPGA aileleri zorlanmış işlemci alt sistemleri entegre eder, örneğin ARM Cortex-A çekirdeği, bu Linux'u çalıştırabilir ve karmaşık ağ yığınlarını yönetebilir, programlanabilir mantık gerçek zamanlı I/O. Bu hibrit SoC FPGA mimarisi, donanım determinizmi ile birlikte yüksek seviyeli protokol parsing sağlar.

Endüstriyel Uygulamalar için Pratik FPGA Faydaları

  • [FONT:0) Gerçek zamanlı paralel işleme:[Dönemli protokol yığınları, çok-makul koordinasyon senaryoları için uygun gecikmeli, kritik bir şekilde çalıştırılır.
  • [FONT:0]Flexible I/O yapılandırması: Pin haritalama, gerilim standartları (1.8V, 3.3V, 5V-tolerant), ve güç çoğu durumda dış düzey değişim olmadan miras otobüsleri eşleştirmek için yapılandırılabilir.
  • [FONT:0)Öylenmiş yaşam döngüsü kullanılabilirliği:[Dönetici:[Dönetici:0)[Dönetici:0)[Dönetici olmayan yaşam döngüsü kullanılabilirliği:[Dönetici:[Dönetici: FPGA aileleri büyük satıcılardan genellikle üretimde 15 yıl veya daha fazla kalırlar, endüstriyel ekipman yaşam döngüsü beklentileri ile uyumlu.
  • [[FONT:0) Sertware güvenlik özellikleri:[Dönetici:[Dönetici:0) yerleşik endüstriyel sistemlerde kullanılan AES şifreleme ve doğrulama korumasına karşı koruma sağlar.
  • [FONT:0]Cost konsolidasyonu:[Dönetici:[Dönetici:0) Bir tek FPGA genellikle birden fazla ASIC'yi, seviye değişimleyiciyi ve yapıştırıcı mantığı bileşenleri değiştirir, fatura-malzeme maliyetini ve yönetim alanını azaltır.
  • [FONT:0)Deterministic yanıt süreleri:[Dönetici: 1) Mantık operasyonları zorlanmış, bu yüzden en kötü durumda gecikmiş ve sınırlanmış - hiçbir OS jitter veya önbellek müdahale etmiyor.

Ortak Miras Arabileri ve Protokoller

Bir tasarım başlamadan önce, iletişim peyzajlarını en sık karşılaşılan kataloglama önemlidir. Bunlar genellikle CRC kontrolleri ile karmaşık paket yapıları için sıra dışı, paralel ve analog veya ayrı alanlar. RS-232, RS-422 ve RS-485 endüstriyel telemetrinin arka kemiği olarak kalır, ancak daha yüksek katmanlı framing, CRC kontrolleri ile karmaşık paket yapıları kullanarak özel senkronizasyon komutları kullanabilir. Modbus RTU ve Modbus ASCII dahil olmak üzere, Mitsubishi Melsec, Allen-Bradley DF1 gibi özel senkronizasyon programları ile birlikte bazen standart olmayan hızları kullanır.

Paralel arayüzler genellikle VME, Multibus veya STD Bus gibi arka plan otobüslerinde görünür ve kontrol hatlarının on iki nanosaniyede tam kelimeler olarak ele alınması gerekir. Bazı miras aletlerini kullanarak, bu gereksinimleri karşılamak için 16-bit paralel verilerle birlikte çalıştırılabilir.

Analog miras ekipmanları, 4-20 mA mevcut döngüler veya 0-10V sinyalleri ile işlem değişkenlerini iletir. Bu sinyallerin, bir alanbusa haritalamadan önce dijital dönüşüm, eşleme ve ölçeklendirme gerektirir. FPGA'lar limit anahtarlarını kullanarak yumuşak ADC'ler ve transkriptleri veya arayüzleri doğrudan SPI veya paralel çıktılar aracılığıyla dış ADC dönüştürücüleri birleştirir. FPGA içindeki dijital filtreler, ses ve lineerize sensör çıktılarını kaldırır.

Karma-Signal Tasarımları

Geleneksel ekipman analog gerilimler olduğunda, FPGA'nın kendisi dijitaldir, bu nedenle dış ADC dönüştürücüler genellikle izolasyona, ve gürültü bağışıklarına karşı dirençliler ve dijital sistemler gibi, AMD Zynq ailesi XADC'nin de izleme veya kapalı kamera kontrolü için sinyalleri sayısallaştırır. Bakımcı dikkat, 4 mWImp'in sağlandığı zaman, Pun gerçek bir parametreye karşı dayanıklı bir şekilde ayarlandığında, opto-disyona karşı dayanıklı yazılımlar ve dijital kanallarını uygulamalıdır.

Başka bir ortak karışık-signal meydan okuma, ana işlemci ve RTDs için sinyal doğrulama içerir. Soğuk bağlantı tazminatı ve lineerizasyon FPGA'da göz masaları veya polinomlar ile ilgili bazı yaklaşımlar kullanılarak yapılır.Bu yaklaşım ana işlemciyi yükler ve tüm makinelerde tutarlı, tekrarlanabilir ölçümler sağlar.

FPGA Interface Design Methodology

1. Ters Mühendislik ve Dokümantasyon

İlk aşama nadiren çok üzücüdür, ancak kesinlikle kritiktir: mevcut arayüzü iyice anlarsanız. Orijinal dokümanlar, gerilim seviyelerini, bağlantı pinouts ve protokol devlet makineleri ile bağlantı kurun.Eğer belge mevcut değilse - ortak bir durum - mantık analizörleri, oscilloskopları ve bus analizörleri çeşitli modlarda yakalamak ve dekoding trafiği kaydetmek için analiz eder.

Bu aşamada, işletim sıcaklık aralığı, vibrasyon seviyeleri, elektromanyetik müdahale maruziyeti ve mevcut güç tedariki dahil olmak üzere çevresel kısıtlamalar belgelenir.En yüksek kablo uzunluğu, sonlandırma gereksinimleri ve bu bilgiler doğrudan fiziksel katman tasarımı ile birlikte.

2. Mimari Tanımlama ve Katılımcılık

Protokol gereksinimleri kurulduktan sonra, tasarım ekibi FPGA'nın iç mimarisine haritalar. Tipik bir arayüz fiziksel katman arayüzü, bir protokol motoru, buffer hafıza ve modern ağ tarafı için arka uç iletişim çekirdeği. fiziksel katmanlar doğru gerilime ayarlanabilir, aşırı yükleme modülleri, yüksek çözünürlükte bir modüller oluşturabilir ve glitch filtreleri. protokol motoru, adresi algılama, CRC veya kontroller için bir hata kontrol eder.

Her iki performansı etkileyen ve kullanılabilirliği koruyan kararlar.Grup yapılandırma modülleri gevşek bir şekilde çiftleştirilmiş arayüzler, farklı projelerde yeniden kullanım olanağı sağlar. Örneğin, genel bir Modbus köle motoru, farklı baud oranları için bir IP çekirdeği ve parametreli olarak paketlenebilir ve UART konfigürasyonları için otomatik olarak ayarlanabilir. MicroBlaze veya Nios II gibi yumuşak-core bir işlemcinin daha az zaman zaman zaman zaman zamanlayıcısı olarak dahil edilmesi gerektiğini düşünün.

3. RTL Coding ve Simülasyon

Kayıt-dönüşüm seviyesi tasarımı VHDL veya Verilog'da ele alınır. Geleneksel-yüzlü taraf için, özel dikkat, yorum alanı geçişine ve bir senkronizasyon girişleri için dikkatli olmalıdır. Tüm dış sinyalleri, basit bir seri akışından önce en az iki Flip-flopedi üzerinden geçmek için geçmelidir.Eğer miras protokolü kenarlara duyarlı sinyal vermek için, kenar dedektörleri, giriş sırasında yanlış tetikleyicilerden kaçınmak için dikkatli olmalıdır.

Eğlenmeli simülasyon başarılarını oluşturur.Replays the captured gold reference traces as stimulus and compares the FPGA's response bit-for-bit against expected testbench, tüm belgelenen protokolleri kapsayan bir test, framing hataları ve zaman zaman zaman zamanlaması parametrelerinin termal simülasyonunu tekrarlamamalıdır.Sistemlog veya UVM ile sınırlı doğrulamayı kullanarak, ancak tüm belgelenen test çıktılarını kapsayan bir test kesintiye uğratmalıdır.

4. FPGA Development Boards'ta prototipleme

Simülasyon geçerse, prototipleme zamanı. Off-the-shelf FPGA geliştirme panjurlarından Teraslı, Digilent veya satıcı değerlendirme kitleri bu adımı hızlandırmalıdır. Gemiler yeterince I/O konektörleri, sık sık FMC veya HSMC ile, miras ekipmana bağlanan özel bir mola birimi ile arayüze sahip olmalıdır.Bu mola tahta evler seviye çevirmenleri, izolasyon bileşenleri ve karşıtlığı devre dışı bırakmalı.

Prototyping sırasında, FPGA. BIST'in içindeki kendi kendini test mantığını uygular ve bunları içsel ölçüm ekipmanlarıyla birlikte gözlemleyebilmeleri için, bu görünürlük gerçek makine olmadan hızlı bir doğrulama sağlar. Ek olarak, Xilinx'in bütünleşik Mantık Analizi veya Intel'in Signal Tap'i gerçek zamanlı olarak, dış ölçüm ekipmanlarıyla çiftleştirmenin önlenmesi için paha biçilmez bir şekilde azalır.

5. Entegrasyon ve Alan Testleri

Laboratuvar doğrulamadan sonra, FPGA arayüzünü hedef mirası makinesine bağlar. İlk entegrasyon güvenli, boş durumda olan bir makine ile gözetim edilmelidir. Yavaşça veri satın alma işlemine giriş yaparken tüm çıktı sinyalleri oscilloskoplarla birlikte takip eder.Birçok miras sistemi yanlış yanıtları tolere edemez - çok sıkıcı bir ACK tehlikeli bir hareketle hareket edebilir. FPGA içinde bir donanım saati kontrol edebilir, ancak bir anormal davranış tespit edilirse arayüze bağlanabilir.

Alan testleri, güç bisikleti, kahverengiout koşulları ve maksimum kablo uzunluğu senaryoları ile sürekli olarak işlem yapmalıdır. FPGA yapılandırma hafızası, orijinal modda işletime devam etmesi veya güvenli bir durumdaki tüm devreleri otomatik olarak kullanarak kopyalanan altın görüntülerle devre dışı bırakmak gerekir.Ingörüntüler, böylece FPGA'nın iç tanıtan kayıtlardan dolayı tüm entegrasyon işlemi asla engelleyemez.Bu genellikle e-posta devreleri kontrol hatlarıyla birlikte kopyalanabilir. Dokümanlar tüm entegrasyon sürecine izin verir.

Signal Integrity ve EMI Yönetimi

Endüstriyel ortamlar motorlardan elektromanyetik gürültü ile dolu, değişken-freze sürücüleri ve güç malzemeleri geçiş. FPGA I/O pins, sürücü gücü ve yüksek filtre bileşenleri için gerekli olan gecikme ile yapılandırılabilir. uzun kablolarda, RS-485 veya LVDS kullanarak farklı sinyalizasyon tercih edilir. FPGA'nın iç dijital sinyal işleme blokları, yüksek çözünürlükte dijital düşük frekanslı filtreleri kullanarak, pahalı dış filtre bileşenlerinin ihtiyaçlarını ortadan kaldırır.

Geleneksel ekipmanın kendisi önemli bir gürültü ürettiğinde, FPGA kurulu için sıkı zamanlama gerekliyse, ve yol açma hatlarıyla dolu bir metal muhafazayı kullanmayı düşünün. Kablo kalkanları her iki ucunda 360 dereceyi sona erdirmeli. Saatlendirme stratejisi önemlidir - çok düşük bir dış osilatörleri kullanarak, kesintisiz bir şekilde temiz bir kaynak hattına enjekte edilebilir bir saat boyunca.

Elektrostatik deşarja karşı tasarımı daha zorlaştırmak için, her dış sinyal hattında TVS diyotları ekleyin. FPGA I/O bankaları genellikle insan vücut modeli altında 2 kV inşa etti, ancak IEC 61000-4-2 gibi endüstriyel standartlar, 15 kV temas taburcu için gösterilen dış koruma cihazları gereklidir.

Modern Ağı Yeniden Yapın

Geleneksel yüz taraf özelleştirilmiş tedavi talep ederken, modern ağ tarafı, SCADA, MES veya bulut hizmetleri ile entegrasyona dayalı standartlar olmalıdır. Tipik olarak, FPGA bir Ethernet PHY'ye bağlanır ve üst düzeyde esnek bir şekilde çalışır ve birçok SoC FPGA'da mevcut olan sert bir işlemci sistemi seçmek için kullanılır.

Sadece basit izlemenin gerekli olduğu tesisler için, FPGA doğrudan hafif bir TCP yığını ve HTTP sunucusu kullanarak, daha karmaşık olmasına rağmen, FPGA'yı SPI veya UART'ı kullanarak, FPGA'yı düşük maliyetli bir tek-board bilgisayarının güvenilir ve daha yüksek bir ağ geçidi ile idare ettiği bir Raspberry Pi veya BeagleBone gibi bağlantıya hizmet edebilir. FPGA daha sonra yüksek hızlı, deterministic I/O kullanımı.Bu bölme mimarisi ile bağlantı kurmak için, FPGA ve SBC arasındaki bağlantının güvenilir olmasını sağlar.

Zamana duyarlı ağ yetenekleri koordineli hareket kontrolü için önemlidir. Bazı yeni FPGA SoC aileleri, mevcut IP çekirdeklerini kullanarak hem de FPGA mantıklarında uygulanan tümleşik TSN uç noktaları içerir.

Bakım ve Uzaktan Güncelleme Stratejileri

FPGA'ların büyük güçlü güçlü güçlülerinden biri uzaktan güncelleme yeteneğidir. Dikkatli tasarlanmış bir sistem ağ üzerinden yeni bitleri alabilir, bütünlüğünü doğrulayın ve bunları uygunsuz flaşlara devre dışı bırakabilir. Multi-boot desteği, görünüşte küçük bir mantık değişikliğiyle kırılabilir.Bu protokol, tüm altın vektörleri göndermeden önce bir mühendis göndermeye ve sürümlemenin gerekli olmasını sağlar.

Embed tanı LEDs ve bir debug UART, bir bakım portu aracılığıyla erişilebilir. Bir makine operatörü hatalı davranışı rapor ettiğinde, bakım ekibi hata karşılarını, otobüs istatistiklerini okuyabiliyor ve doğrudan FPGA'nın iç kayıtlarından yararlanabilen son derece iyi zamanlayıcıları kullanın.Bu veriye dayalı bakım yaklaşımı, bina motorundan bağımsız olarak haberdar olmak için yapılandırma işlemine izin vermek için yapılandırılabilir.

Vaka Çalışması: 1980'lerin CNC Lathe

Gerçek bir sürücü örneği, bu ilkeleri harekete geçirir. 1980'ler CNC lathe, kontrol ve servo sürücüler arasında özel bir senkronizasyon bağlantı kurdu. 10 MHz'de gelen seri akışın tamamını tespit etti, çerçeve senkronizasyonu gerçekleştirdi ve dört saat boyunca bir çift zamanlı FIFO'yu yazdı.

Bu örnek, FPGA tabanlı arayüzlerin, mikrosaniye duyarlılığı ile modern bir endüstriyel Ethernet protokolün nasıl aşılabileceğini gösteriyor. Ekip ayrıca FPGA'nın fiziksel olarak 500 milisaniye için aldığı donanıma sahip olup olmadığını iddia ediyor.

Test ve Geçerlilik En İyi Uygulamaları

Robust testi işlevsel doğrulamanın ötesine geçer. Tüm düzeylerde hata enjeksiyonu içermelidir: yozlaşmış paketler, sıkıca hareket, saat sürüklenme ve elektromanyetik müdahale.En kötü durumdaki otobüs senaryolarını tekrarlamak için dijital bir model jeneratör kullanın.Manisa 61000-4-2 for the entire machine see a high-impedance state that does not expected functionalitys. Perform speed testing under high-case the digital pattern jeneratörü kullanın.If the final deployment environment requests it. Compliance and IEC 61000-4-2 for electric

Yenidenleme testi paketi mümkün olduğunca çok. FPGA prototipini simüle edilmiş bir miras otobüsüne bağlayan bir test cihazı oluşturun, örneğin ikinci FPGA orijinal protokolü çalıştırıyor ve hataları enjekte ederken milyonlarca işlem yürütüyor. Önlem gecikmesi, transkript ve hata tespiti. Dokümanlar her test için ve bunları gereksinimlerine bağlar. Bu sadece tasarıma ilişkin özelliklerle karşı karşıya kalmaz, aynı zamanda gelecekteki değişiklikler için temel bir temel sağlar.

Future-Proofing with FPGA Technology

Endüstri bitkileri daha yapay zeka ve kenar hesaplaması olarak, FPGA'ların mirası ve açık IP çekirdeğinin artan kullanılabilirliği ile, petrol ve gaz, madencilik ve güç üretimi gibi varlık-yoğun endüstriler için, pahalı makinelerdeki verileri genişletme yeteneği pahalı bir maliyet-enerji kurulunun ortaya çıkmasını sağlayacaktır.

Önümüzdeki sefere, RISC-V yumuşak çekirdeklerinin entegrasyonu, dijital ikizlerin her bir ekipman parçasının, gerçek zamanlı olarak güncellenmiş olması için tasarımcılara daha fazla esneklik verecek. RISC-V açık mimarlıklar, şirketlerin belirli arayüz ihtiyaçlarına uygun şekilde kullanılmasını engellemelerine izin verir. Simultane, dijital ikizler için baskı yapan mühendisler, her türlü ekipman parçasının, gerçek zamanlı olarak, sanal bir temsile sahip olmak için daha fazla esneklik sağlayacaktır. FPGA tabanlı çevirmenler, tedarikçi kilit fiziksel ve dijital dünyalar haline gelir.

FPGA tabanlı arkeoloji ekipmanları için arayüzler temel olarak çok disiplinli bir sanattır. tersine mühendislik, dijital tasarım, sinyal bütünleme analizi ve endüstriyel ağ bilgisi. Dikkatli bir şekilde uygulandığında, bu yaklaşım sessiz, izole makineler giderek artan bir dijital üretim alanında üretken katkı sağlayan akıllı varlıklardır.