用MPU實現(xiàn)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，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 譚紹鵬先生和市場經(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(zhàn)，還有瑞薩電子為PLC推出的集成了五個以太網(wǎng)端口的MPU——RZ/N1，最后介紹了用MCU實現(xiàn)eAI(嵌入式人工智能)的構(gòu)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(tǒng)的制造業(yè)工廠，IT與OT是分開的，如果黑客去攻擊IT網(wǎng)絡(luò)，不會影響到OT網(wǎng)絡(luò)。但是實現(xiàn)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)后，很多OT數(shù)據(jù)與IT數(shù)據(jù)是連在一起的，因此如何保證IT數(shù)據(jù)與OT數(shù)據(jù)的安全，更為復(fù)雜和關(guān)鍵。

　　其次在操作層面上，以后的Operation層(運營層)不僅僅是數(shù)據(jù)的檢測，還可以感知、感應(yīng)，以及實現(xiàn)提前預(yù)測與預(yù)防。其中一個關(guān)鍵指標是實時性，含義是可以通過遠端的任何一個設(shè)備或者是人下命令，通過工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)傳遞到某個工件，這是實時性的，實時性要求響應(yīng)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(diào)配，這也是數(shù)字化工廠、smart(智能)工廠的一個重要特點。

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

　　新型PLC可使IT與OT數(shù)據(jù)對接

　　工廠需要各個層面的方案，諸如企業(yè)級、控制級和現(xiàn)場級。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)品用來做實時的網(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(shè)備方面，瑞薩電子有RX系列的MCU產(chǎn)品。在現(xiàn)場級的工業(yè)運動控制器和機器人部分，瑞薩電子有RZ/T1平臺等。

　　為了把整個產(chǎn)業(yè)線從上至下地應(yīng)用起來，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(yīng)用層或現(xiàn)場層。

　　但現(xiàn)在做PLC與以前傳統(tǒng)的方法有些不同。需要把兩個世界——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)品有時即使支持5個端口，也未必能把IT和OT連在一起。例如友商的產(chǎn)品五個端口都支持連接云，有千兆****換器等，但是僅能傳IT數(shù)據(jù)，例如TCP/IP或UDD，即跑的都是IT領(lǐng)域的數(shù)據(jù)，不能跑OT數(shù)據(jù)。

　　以下著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的四個特點

　　實際上，RZ/N1能夠覆蓋到的應(yīng)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M3核，因此能夠用來做客戶智能控制方面的應(yīng)用，同時也提供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)品在目前市場上是比較罕見的，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，存儲器帶片上ECC校驗，后給客戶提供唯一的ID，以防客戶的程序被其他競爭對手盜取。同時芯片能支持工業(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(xiàn)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(yīng)用領(lǐng)域。它們都有R-IN引擎平臺，是順利實現(xiàn)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(nèi)部有帶一個32位的CPU，又集成了硬件的實時性O(shè)S(RTOS)，還有一個以太網(wǎng)加速器。該引擎的主要優(yōu)勢是能使客戶更加專注于實時網(wǎng)絡(luò)的通信。提高了高速中斷響應(yīng)，比普通的啟動時間減少了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;可實現(xiàn)極微弱的抖動。

　　瑞薩電子在R-IN引擎上做了測試，搭載這樣的引擎，給客戶提供了性能的提升，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)時的表現(xiàn)。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的時候，對MCU的負荷已經(jīng)達到了100%左右，也就意味著它不能完全實現(xiàn)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UDP和TCP/IP的傳輸測試，可以發(fā)現(xiàn)當傳輸速率接近百兆級的時候，CPU的負載才20%~30%左右(如下圖)。這種高性能和低CPU負載，就是通過硬件-RTOS和硬件以太網(wǎng)加速器實現(xiàn)的。

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

　　RZ/N1的架構(gòu)

　　RZ/N1把應(yīng)用部分和實時通信部分兩者分開來做設(shè)計，下圖左半部分是應(yīng)用領(lǐng)域的設(shè)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(shè)，主要是給客戶做不同的應(yīng)用控制來使用的。

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

　　據(jù)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(nèi)市場較熱門的EtherCat、Ethernet/IP、SercosⅢ、Powerlink、PROFINET、Modbus TCP、Canopen等。協(xié)議棧集成在通用操作系統(tǒng)抽象層層面上，來實現(xiàn)片內(nèi)兩個CPU之間的無縫通信，兩個CPU是通過共享內(nèi)存和中斷請求來進行互相通信的。

　　RZ/N1的應(yīng)用舉例

　　RZ/N1帶有五個以太網(wǎng)的端口，針對不同的應(yīng)用，五個端口的配置使用非常方便。例如做實時以太網(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)議實時網(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(yīng)用方面，可用于實時IIoT網(wǎng)關(guān)和安全的終端設(shè)備。通過網(wǎng)關(guān)主要實現(xiàn)了IT與OT的連接。因為RZ/N1芯片橫跨了多個領(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。目標是市場上下一代PLC產(chǎn)品和遠程I/O產(chǎn)品，進行嵌入式的分析。在其他的領(lǐng)域，例如基礎(chǔ)設(shè)施、樓宇自動化方面，RZ/N1產(chǎn)品，也同樣會有應(yīng)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電機與伺服運動控制。

　　差異化技術(shù)是：有硬件的實時OS、DRP、先進以太網(wǎng)交換機和加密解決方案等;同時也提供功能安全軟件包，以及AI(人工智能)學(xué)習(xí)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(shè)備里的一部分分析是基于云計算的，為了提高實時性，僅僅依賴云計算是不夠的。為此，瑞薩電子提出依賴云的神經(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(shù)據(jù)給它，它輸出來就行了。

　　圖：瑞薩電子展位上的eAI海報

　　即它在云上怎么學(xué)習(xí)，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數(shù)學(xué)模型之后，本地輸入什么參數(shù)，就分析出來什么數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)不可能上傳到云端去處理，本地就可以處理了。

　　eAI的挑戰(zhàn)是：工廠管理者該用什么數(shù)據(jù)來做人工化智能?因為數(shù)據(jù)的種類很多，例如溫度、良品率、來料的合格率等。相比之下，人工智能的人臉識別、語音識別較為單純，只要分析有關(guān)臉和聲音的所有數(shù)據(jù)就可以了。但工廠情況紛繁復(fù)雜，有不同類型的數(shù)據(jù)，例如事件數(shù)據(jù)(狀態(tài)數(shù)據(jù))、實時操作性的數(shù)據(jù)等，有些是循環(huán)數(shù)據(jù)，有些是非循環(huán)數(shù)據(jù)。

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

　　小結(jié)

　　工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的難點之一是需要IT與OT的數(shù)據(jù)對接。RZ/N1很好地實現(xiàn)了PLC或網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)對接。eAI是本地智能化方案，以實現(xiàn)納秒級的實時性。

　　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，要實現(xiàn)工業(yè)4.0或工廠互聯(lián)網(wǎng)，這是一整套系統(tǒng)，除了半導(dǎo)體芯片，還需要有軟件的配套服務(wù)商、云服務(wù)商、系統(tǒng)集成商等的合作。