FPGA是實(shí)現敏捷、安全的工業(yè)4.0發(fā)展的關(guān)鍵
到2028年,全球工業(yè)4.0市場(chǎng)規模預計將超過(guò)2790億美元,復合年增長(cháng)率為16.3%。雖然開(kāi)發(fā)商和制造商對這種高速增長(cháng)已經(jīng)習以為常,但其影響才剛剛開(kāi)始顯現。通過(guò)結合云計算、物聯(lián)網(wǎng)(IoT)和人工智能(AI)的能力,工業(yè)4.0將在未來(lái)幾年繼續提升制造業(yè)的數字化、自動(dòng)化和互連計算水平,推動(dòng)更多企業(yè)擁抱第四次工業(yè)革命。
隨著(zhù)工業(yè)4.0的加速發(fā)展,許多工業(yè)標準和流程將發(fā)生變化,因為許多工業(yè)系統需要先進(jìn)的計算引擎和多種類(lèi)型的現代連接標準,包括工業(yè)以太網(wǎng)、Wi-Fi和5G。此外,人們越來(lái)越關(guān)注更先進(jìn)的軟件工具和應用,如預測性維護、功能安全、機器人自動(dòng)化等等。
反過(guò)來(lái),制造商需要先進(jìn)的技術(shù)來(lái)驅動(dòng)互連、高效數據處理、系統和服務(wù)優(yōu)化,同時(shí)保持彈性安全性?,F場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)憑借自身得可編程性、高性能、低功耗和安全特性,正迅速成為開(kāi)發(fā)人員滿(mǎn)足這些需求并跟上工業(yè)4.0革命步伐的首選工具。
工業(yè)標準一覽
隨著(zhù)工業(yè)4.0的發(fā)展,一些標準(如OPC統一架構(OPC-UA)和時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò )(TSN))正在合并,從而更好地聚合和縮放每天生成的海量新數據。作為一種機器間通信協(xié)議,OPC-UA提供了一個(gè)安全的、獨立于平臺的、面向服務(wù)的架構。當與TSN出色的實(shí)時(shí)功能相結合時(shí),OPC-UA就成了在不中斷運營(yíng)或安全性的情況下為制造商提供持續的洞察力和數據流的關(guān)鍵框架。
由于標準的合并,開(kāi)發(fā)人員需要高度專(zhuān)業(yè)化的技術(shù)來(lái)實(shí)施OPC-UA和TSN框架,并讓制造商符合新法規要求,保證持續發(fā)展。為了滿(mǎn)足這些需求,萊迪思提供了針對特定應用的FPGA解決方案,如萊迪思Automate?解決方案集合,該解決方案支持OPC-UA和TSN,為客戶(hù)提供全新的工廠(chǎng)自動(dòng)化和工業(yè)機器視覺(jué)功能。萊迪思還致力于OPC-UA遷移,于2022年3月加入OPC基金會(huì ),在Lattice Insights官方培訓平臺上提供OPC-UA模塊課程。該官方培訓門(mén)戶(hù)旨在幫助系統和應用設計人員最大限度地提高其FPGA設計體驗。
利用FPGA推進(jìn)工業(yè)4.0應用
除了幫助制造商應對不斷發(fā)展的法規和標準外,FPGA還支持低功耗、可靠和安全的工業(yè)應用開(kāi)發(fā),如機器人、嵌入式實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò )、預測性維護、功能安全和系統安全。
機器人
采用工業(yè)4.0應用助力智能機器人,大大提高了工廠(chǎng)和倉庫的自動(dòng)化水平。隨著(zhù)工廠(chǎng)加快集成這些自主機器人,眾多傳感器、攝像頭和電機產(chǎn)生的大量數據推動(dòng)了對推理和智能的需求。FPGA具有并行處理功能,有助于聚合傳感器和攝像頭數據并快速分析大量信息。CPU一次只能處理一批數據,而FPGA可以同時(shí)整合和處理多個(gè)功能。
FPGA可以通過(guò)并行處理同時(shí)監控多條通信總線(xiàn),使開(kāi)發(fā)人員能夠跨各種連接類(lèi)型工作,并快速安全地將更多數據引入流水線(xiàn)。例如,在汽車(chē)制造中,FPGA可以組合或多路復用來(lái)自多個(gè)高分辨率攝像頭的信號,然后在這些信號到達SoC時(shí)將這些信號拆分。
嵌入式實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò )
隨著(zhù)連接設備的數量遠超以往,嵌入式實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò )確保機器、傳感器和攝像頭可以實(shí)時(shí)通信和交換數據。在工業(yè)4.0中,這意味著(zhù)監控、控制和制造流程優(yōu)化可以實(shí)現無(wú)縫通信和數據交換。
FPGA對于實(shí)現實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò )至關(guān)重要,因為它們能夠以低延遲和穩定的方式執行信號處理和分析。對于制造業(yè)中的實(shí)時(shí)應用,這種低延遲和確定性對于工廠(chǎng)車(chē)間始終在線(xiàn)的功能和運營(yíng)至關(guān)重要。
預測性維護
隨著(zhù)工業(yè)4.0的發(fā)展,預測性維護功能也隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)設備、云計算和高級分析的集成而不斷發(fā)展。預測性維護使用數據分析、傳感器和機器學(xué)習,實(shí)時(shí)監控設備運行狀況、提高預測準確性并優(yōu)化維護計劃,從而提高運營(yíng)效率、最大限度地減少停機時(shí)間并節省成本
FPGA對于實(shí)現預測性維護至關(guān)重要,因為它們能夠以超低功耗提供高速性能。在高性能加持下可以快速實(shí)時(shí)檢測異常運行狀態(tài),降低設備故障風(fēng)險。同時(shí),其節能設計可在低功耗下實(shí)現連續監控,從而根據實(shí)時(shí)反饋及時(shí)采取維護措施,最大限度地降低運營(yíng)成本。
功能安全
隨著(zhù)工業(yè)4.0中的系統變得更加互連和自主,功能安全(FuSa)可確保系統或設備在響應輸入或出現故障時(shí)安全、正確地運行。FPGA已成為實(shí)現功能安全的高效工具,特別是其可定制和可重新編程的特性。FPGA可以實(shí)現安全關(guān)鍵功能,例如直接在工業(yè)系統中進(jìn)行監控、控制和診斷。
萊迪思的軟件設計工具經(jīng)過(guò)最新安全設計方法認證,與FPGA配合使用,為設計人員提供了極大的靈活性,幫助他們在安全關(guān)鍵應用中實(shí)施和開(kāi)發(fā)功能安全。
系統安全
增強互連在制造業(yè)中可能會(huì )帶來(lái)新的安全威脅。事實(shí)上,制造業(yè)正在經(jīng)歷的網(wǎng)絡(luò )攻擊比其他任何行業(yè)都多,尤其是在云端。FPGA在實(shí)時(shí)硬件可信根(HRoT)產(chǎn)品中集成了“加密敏捷”功能,以增強對服務(wù)器平臺和其他連接設備應用的保護,在從系統上電到斷電的整個(gè)攻擊面上為組織提供保護。
此外,提供HRoT功能的FPGA具有專(zhuān)用的加密和非對稱(chēng)引擎,可防止代碼被擦除、讀取或重寫(xiě),從而利用數字簽名確保所使用的代碼是正確的代碼。它們還建立了唯一的器件標識,在允許數據交換之前進(jìn)行驗證,確保系統的核心功能和關(guān)鍵組件始終受到保護。
支持工業(yè)4.0的未來(lái)
隨著(zhù)工業(yè)4.0的持續發(fā)展,對先進(jìn)計算和互連解決方案的需求只增不減。FPGA因其獨特的功能(包括靈活性和可定制、并行處理、高速性能和低功耗以及HRoT基礎設施)而成為賦能和實(shí)現工業(yè)4.0關(guān)鍵應用的重要工具。FPGA幫助制造商快速、安全地優(yōu)化工業(yè)運營(yíng)、增強互連并適應不斷變化的環(huán)境。
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