用MPU實(shí)現工業(yè)PLC/網(wǎng)關(guān)及嵌入式AI

　　在不久前的“2018慕尼黑上海電子展”上，瑞薩電子展出了系列工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)方案。瑞薩電子還舉辦新聞發(fā)布會(huì )，瑞薩電子中國 產(chǎn)業(yè)解決方案中心 工業(yè)和家電部 部長(cháng) 譚紹鵬先生和市場(chǎng)經(jīng)理 戴其宏女士介紹了工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT)及其中的PLC(可編程邏輯控制器)的挑戰，還有瑞薩電子為PLC推出的集成了五個(gè)以太網(wǎng)端口的MPU——RZ/N1，最后介紹了用MCU實(shí)現eAI(嵌入式人工智能)的構想。

　　工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵特征

　　工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)有三部分是非常重要的。

　　第一是安全性。因為傳統的制造業(yè)工廠(chǎng)，IT與OT是分開(kāi)的，如果黑客去攻擊IT網(wǎng)絡(luò )，不會(huì )影響到OT網(wǎng)絡(luò )。但是實(shí)現工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)后，很多OT數據與IT數據是連在一起的，因此如何保證IT數據與OT數據的安全，更為復雜和關(guān)鍵。

　　其次在操作層面上，以后的Operation層(運營(yíng)層)不僅僅是數據的檢測，還可以感知、感應，以及實(shí)現提前預測與預防。其中一個(gè)關(guān)鍵指標是實(shí)時(shí)性，含義是可以通過(guò)遠端的任何一個(gè)設備或者是人下命令，通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )傳遞到某個(gè)工件，這是實(shí)時(shí)性的，實(shí)時(shí)性要求響應是納秒級的。

　　第三是定制化，即不能只生產(chǎn)A，還能生產(chǎn)B、C，批量可以隨便調配，這也是數字化工廠(chǎng)、smart(智能)工廠(chǎng)的一個(gè)重要特點(diǎn)。

　　可見(jiàn)，在技術(shù)上，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)落地的關(guān)鍵挑戰是如何實(shí)現計算、信息、控制三位一體的改造?，F在很多制造業(yè)要么是計算，要么是控制，要么是通信，都是單獨進(jìn)行的。

　　新型PLC可使IT與OT數據對接

　　工廠(chǎng)需要各個(gè)層面的方案，諸如企業(yè)級、控制級和現場(chǎng)級。其中瑞薩電子的產(chǎn)品如下圖右，有圍繞R-IN的系列產(chǎn)品，諸如R-IN32、TPS-1、EC-1產(chǎn)品用來(lái)做實(shí)時(shí)的網(wǎng)絡(luò )控制器。流量計部分，瑞薩電子有RL78 MCU。如下圖左，IO板卡和安全設備方面，瑞薩電子有RX系列的MCU產(chǎn)品。在現場(chǎng)級的工業(yè)運動(dòng)控制器和機器人部分，瑞薩電子有RZ/T1平臺等。

　　為了把整個(gè)產(chǎn)業(yè)線(xiàn)從上至下地應用起來(lái)，PLC(可編程邏輯控制器)只是其中的一層——控制層，控制下面的眾多傳感器、機器人、遠程IO模塊等，下面的層是應用層或現場(chǎng)層。

　　但現在做PLC與以前傳統的方法有些不同。需要把兩個(gè)世界——IT和OT連在一起。瑞薩電子RZ/N1 MPU走在行業(yè)前列，例如2017年11月推出的RZ/N1支持5個(gè)端口，主要適用于可編程邏輯控制器(PLC)及網(wǎng)關(guān)產(chǎn)品，來(lái)支持工業(yè)的IT和OT網(wǎng)絡(luò )間的連接。

　　圖：瑞薩電子展位上的海報

　　相比之下，友商的產(chǎn)品有時(shí)即使支持5個(gè)端口，也未必能把IT和OT連在一起。例如友商的產(chǎn)品五個(gè)端口都支持連接云，有千兆****換器等，但是僅能傳IT數據，例如TCP/IP或UDD，即跑的都是IT領(lǐng)域的數據，不能跑OT數據。

　　以下著(zhù)重介紹瑞薩電子最新的面向工業(yè)控制級的RZ/N1產(chǎn)品。

　　RZ/N1的四個(gè)特點(diǎn)

　　實(shí)際上，RZ/N1能夠覆蓋到的應用范圍是比較大的，主要有四大特征(如上圖)。①能支持多協(xié)議的工業(yè)網(wǎng)絡(luò )，包括EtherCAT、PROFINET、OPC UA、Canopen和EtherNet/IP等。②在智能控制上面的作為。芯片里含有單/雙核的Cortex-A7核，再搭載一個(gè)M3核，因此能夠用來(lái)做客戶(hù)智能控制方面的應用，同時(shí)也提供DDR2/3、XiP QSPI、NAND閃存等。③在IIoT工業(yè)網(wǎng)關(guān)方面是非常強大的，有先進(jìn)的5端口Gbit交換機橋接IT及OT網(wǎng)絡(luò )。這樣的產(chǎn)品在目前市場(chǎng)上是比較罕見(jiàn)的，主要支持IT和OT網(wǎng)絡(luò )的連接，以及支持TSN。④安全運行，防范網(wǎng)絡(luò )安全攻擊，冗余網(wǎng)絡(luò )。為了做到這一點(diǎn)，存儲器帶片上ECC校驗，后給客戶(hù)提供唯一的ID，以防客戶(hù)的程序被其他競爭對手盜取。同時(shí)芯片能支持工業(yè)交換機需要的冗余的協(xié)議，諸如HSR/PRP/MRP冗余。

　　R-IN引擎

　　作為工業(yè)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)平臺，瑞薩電子有R-IN引擎平臺，搭載到不同代的芯片上?，F在的RZ/N1已經(jīng)是第三代產(chǎn)品(如下圖)。此前的2014年，瑞薩電子推出了第一代搭載R-IN引擎技術(shù)平臺的產(chǎn)品——R-IN32M3，主要用于遠程IO的產(chǎn)品。2015年推出了第二代產(chǎn)品——RZ/T1，用于運動(dòng)控制伺服。2017年底又推出了最新的RZ/N1產(chǎn)品，主要覆蓋到主站的產(chǎn)品，包括PLC控制器、HMI以及Ethernet Switch(以太網(wǎng)交換機)等應用領(lǐng)域。它們都有R-IN引擎平臺，是順利實(shí)現IT與OT對接的重要法寶。

　　因為R-IN引擎平臺是用于加速協(xié)議處理的引擎。引擎內部有帶一個(gè)32位的CPU，又集成了硬件的實(shí)時(shí)性OS(RTOS)，還有一個(gè)以太網(wǎng)加速器。該引擎的主要優(yōu)勢是能使客戶(hù)更加專(zhuān)注于實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò )的通信。提高了高速中斷響應，比普通的啟動(dòng)時(shí)間減少了6倍。再有，比較適用于任務(wù)切換使用，切換的速度能提高到3倍;可實(shí)現極微弱的抖動(dòng)。

　　瑞薩電子在R-IN引擎上做了測試，搭載這樣的引擎，給客戶(hù)提供了性能的提升，如下圖是市面上普通百兆級MCU產(chǎn)品在運行工業(yè)網(wǎng)絡(luò )時(shí)的表現。眾所周知，工業(yè)以太網(wǎng)的主流速率約是百兆級的，普通的MCU芯片運行到50MHz，即百兆的一半——50Mbps的時(shí)候，對MCU的負荷已經(jīng)達到了100%左右，也就意味著(zhù)它不能完全實(shí)現工業(yè)以太網(wǎng)通信的功能。

　　而搭載了R-IN引擎的RZ/N1芯片，通過(guò)UDP和TCP/IP的傳輸測試，可以發(fā)現當傳輸速率接近百兆級的時(shí)候，CPU的負載才20%~30%左右(如下圖)。這種高性能和低CPU負載，就是通過(guò)硬件-RTOS和硬件以太網(wǎng)加速器實(shí)現的。

　　圖：RZ/N1與普通百兆級MCU產(chǎn)品在運行工業(yè)網(wǎng)絡(luò )時(shí)的比較

　　RZ/N1的架構

　　RZ/N1把應用部分和實(shí)時(shí)通信部分兩者分開(kāi)來(lái)做設計，下圖左半部分是應用領(lǐng)域的設計，用了Arm Cortex–A7(雙核和單核可選)，在其上運行的是Linux、ThreadX等OS，集成了外設，主要是給客戶(hù)做不同的應用控制來(lái)使用的。

　　右半部分使客戶(hù)專(zhuān)注于做以太網(wǎng)通信，即實(shí)時(shí)性要求很高的應用。其搭載了Arm Cortex–M3核，運行的是硬件-RTOS(uITORN OS)，同時(shí)也集成了多協(xié)議多工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議與冗余協(xié)議，并搭載了5端口實(shí)時(shí)以太網(wǎng)交換機。

　　據悉，目前該芯片可以支持多種工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，例如目前在國內市場(chǎng)較熱門(mén)的EtherCat、Ethernet/IP、SercosⅢ、Powerlink、PROFINET、Modbus TCP、Canopen等。協(xié)議棧集成在通用操作系統抽象層層面上，來(lái)實(shí)現片內兩個(gè)CPU之間的無(wú)縫通信，兩個(gè)CPU是通過(guò)共享內存和中斷請求來(lái)進(jìn)行互相通信的。

　　RZ/N1的應用舉例

　　RZ/N1帶有五個(gè)以太網(wǎng)的端口，針對不同的應用，五個(gè)端口的配置使用非常方便。例如做實(shí)時(shí)以太網(wǎng)的PLC產(chǎn)品，端口1做GMAC，然后運行EtherCat協(xié)議可以配置在端口4和端口5上。再例如PROFINET/ EIP/Powerlink/SercosⅢ多協(xié)議實(shí)時(shí)網(wǎng)關(guān)，可把端口4、5配置成SercosⅢ，端口2、3配置成其它協(xié)議。

　　具體地，在工業(yè)應用方面，可用于實(shí)時(shí)IIoT網(wǎng)關(guān)和安全的終端設備。通過(guò)網(wǎng)關(guān)主要實(shí)現了IT與OT的連接。因為RZ/N1芯片橫跨了多個(gè)領(lǐng)域，提供工業(yè)的連接。其中很重要的是中間的工業(yè)自動(dòng)化，瑞薩電子的芯片提供多協(xié)議的工業(yè)網(wǎng)絡(luò )以及運行安全和網(wǎng)絡(luò )安全。目標是市場(chǎng)上下一代PLC產(chǎn)品和遠程I/O產(chǎn)品，進(jìn)行嵌入式的分析。在其他的領(lǐng)域，例如基礎設施、樓宇自動(dòng)化方面，RZ/N1產(chǎn)品，也同樣會(huì )有應用需求。

　　瑞薩電子的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)整體方案

　　瑞薩電子面對工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的產(chǎn)品很多，首先是工業(yè)網(wǎng)絡(luò )解決方案，包括基于瑞薩電子的RZ/N多協(xié)議工業(yè)以太網(wǎng)、OPC UA、TSN、云、IO-Link等技術(shù);其次還有BLDC電機與伺服運動(dòng)控制。

　　差異化技術(shù)是：有硬件的實(shí)時(shí)OS、DRP、先進(jìn)以太網(wǎng)交換機和加密解決方案等;同時(shí)也提供功能安全軟件包，以及AI(人工智能)學(xué)習的解決方案，還有低功耗的傳感器解決方案等。

　　獨特的嵌入式人工智能(eAI)

　　由于智能化設備里的一部分分析是基于云計算的，為了提高實(shí)時(shí)性，僅僅依賴(lài)云計算是不夠的。為此，瑞薩電子提出依賴(lài)云的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )(NN)建了模之后，裝到本地，本地只要輸入一定的數據給它，它輸出來(lái)就行了。

　　圖：瑞薩電子展位上的eAI海報

　　即它在云上怎么學(xué)習，本地不用管，怎么建模本地也不管，本地只知道云給本地一個(gè)數學(xué)模型之后，本地輸入什么參數，就分析出來(lái)什么數據，然后把這套東西燒到本地的MCU里面去。算法更新是云端在做。本地只需把云那套東西看成一個(gè)黑匣子——輸入什么、輸出什么，把這套算法嵌入到本地。為何要嵌入本地?因為很多數據不可能上傳到云端去處理，本地就可以處理了。

　　eAI的挑戰是：工廠(chǎng)管理者該用什么數據來(lái)做人工化智能?因為數據的種類(lèi)很多，例如溫度、良品率、來(lái)料的合格率等。相比之下，人工智能的人臉識別、語(yǔ)音識別較為單純，只要分析有關(guān)臉和聲音的所有數據就可以了。但工廠(chǎng)情況紛繁復雜，有不同類(lèi)型的數據，例如事件數據(狀態(tài)數據)、實(shí)時(shí)操作性的數據等，有些是循環(huán)數據，有些是非循環(huán)數據。

　　關(guān)于eAI，瑞薩電子已經(jīng)在自己的部分日本工廠(chǎng)實(shí)現了。但如何將這種方法用到中國來(lái)?瑞薩電子正在尋找合作伙伴。

　　小結

　　工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的難點(diǎn)之一是需要IT與OT的數據對接。RZ/N1很好地實(shí)現了PLC或網(wǎng)關(guān)的數據對接。eAI是本地智能化方案，以實(shí)現納秒級的實(shí)時(shí)性。

　　當然，瑞薩電子的方案只是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的一小部分，要實(shí)現工業(yè)4.0或工廠(chǎng)互聯(lián)網(wǎng)，這是一整套系統，除了半導體芯片，還需要有軟件的配套服務(wù)商、云服務(wù)商、系統集成商等的合作。