概述

得益于增强现实、自主移动机器人、协作机器人和工业传感器等先进的自动化应用，智能工厂在全球范围内迅速兴起。除了传统的工厂车间外，类似的自动化应用也在仓库自动化和物流等领域加速发展。这些新特性和功能由于硬件的优化而变得更加实用，从而实现实时网络互连、高性能处理、高可靠性、低功耗和接口灵活性。

如今想要让工厂充满发展活力和持续盈利，需要通过部署互连自动化和预测性维护解决方案来优化机器性能、延长机器正常运行时间，这有助于节约大量成本，为终端用户带来价值。然而在工业和物流环境下全天候运行会给设备带来更大压力，尤其是在有主动驱动装置和马达（如轴承、电子设备和驱动）的系统中。即便是单个马达故障都可能造成运行或生产中断。较新的自动化计算解决方案，如集成式网络边缘AI引擎，可以识别这些异常状况并准确预测故障，从而为操作员提供警示，便于预购零部件、安排维修，大大提升了总体运营效率。此外，本地现场处理可以降低网络传输成本、存储成本和数据中心处理成本，由于无需将数据传输到远处的站点，因此可以很好地保护珍贵数据。一些行业领先的企业如今正积极尝试各种不同（常常是多种）数据分析类型来处理IIoT数据，由此带来的深刻洞察力（请参阅图表A）将进一步推动自动化创新。

图A：当前项目中分析IIoT数据使用的云分析类型

尽管智能自动化能在运营方面为企业带来重要价值和洞察力，但是设计、开发和集成一项自动化解决方案十分复杂，需要考虑多方面的因素。工厂和物流车间也越来越多地部署更加智能和互连的设备，它们包括了可编程逻辑控制器、工业网络互连、功能安全和机器人等。这些“系统中的系统”结合日益复杂的分析方法，提供了更强大的系统级集成和情景感知功能，为将来新增特性奠定了基础。自主移动则对拥有复杂传感器聚合处理和传感器桥接的碰撞规避应用提出了更高的要求。市场对提升自动机器人/机器效率的需求也不断增长，进一步加速了马达、传感和/或视觉处理等领域的发展以及对网络边缘分析的需求。

要实现日益复杂的自动化解决方案，就需要领先的芯片技术供应商在硬件和软件方面提供全方位支持。而网络边缘AI和计算机视觉则进一步要求选择可靠的解决方案合作伙伴。最底层的灵活硬件架构对于工业和物流自动化解决方案的持续创新至关重要。如今，在工业项目中软件开发占据了大量的开发成本和人力资源，因此它们非常注重自动化技术供应商在IP库、工具集和生态系统方面提供的支持。自动化OEM在芯片供应商发布新技术之初就必须加快开发，而更多非核心的开发内容则需要进行外包，从而集中内部资源。

灵活的硬件是基础

硬件架构的选择对各方都十分重要，包括自动化解决方案制造商或提供商。它不仅决定了用于系统核心的芯片，还决定了嵌入式软件、安全性、其他IP和设计服务等各类开发资源的可用性和支持情况。FPGA可集成处理器，不仅更加灵活，还拥有高性能和可编程性，可以支持新技术的快速普及和部署，满足工业自动化不断发展的需求。

尤其是FPGA具有独特的灵活性，可以支持一系列动态自动化计算配置和要求。如今的FPGA功耗极低、能效高，与其他替代方案相比，它们能够实现较小的设计尺寸，并简化散热（即被动式散热）设计，这在网络边缘应用中至关重要。FPGA还可以充分自定义，比基于软件的解决方案拥有更多优势，如低延迟。此外，与同类高端MCU相比，FPGA支持高性能控制环路、PWM和每单元连接更多的控制马达。莱迪思半导体的FPGA产品还拥有极低的软错误率，大大提高了稳定性，这对于要求高可用性和功能安全的应用而言无疑是最佳选择。

工厂车间的自动化环境正从传统的现场总线持续转变为更为开放、功能更强的工业网络技术，例如Ethernet TSN和OPC-UA。对互操作性、延迟和数据标准化的日益增长的要求使得新的现场协议和连接类型不断投入使用。工业/自动化节点与主要的应用处理器之间的互连（例如以太网总线、LVDS）是另一个需要考虑的层面，尤其是在构建受保护的系统时。除了工业协议和现场网络的多种组合之外，自动化解决方案还需要支持一系列实时需求。在应对其他一些领域（如应用性能、安全性和/或功能安全）中的挑战时，自动化系统经常存在软硬件的实时需求，这可能会使开发变得非常复杂。

硬件安全对于保护系统免受不断变化的威胁和保证系统正常运行十分重要。传统的工厂和物流自动化部署通常与互联网或云端隔离，甚至子系统之间也被隔离开来。如今自动化系统互连程度不断加深，它们必须受到保护，免于黑客攻击。黑客可以关闭系统、勒索运营商、窃取敏感数据或开展一系列其他恶意行为，如果保护不力，会带来巨大的经济损失。MCU和基于软件的解决方案无法提供像FPGA那样的实时保护，而FPGA可以提供实时检测，有效覆盖多个子系统以及从攻击中恢复到已知的完好状态，这些特性非常重要。通过在最底层实施监控（操作系统以下层面），FPGA可以变得非常安全并且防御力十足，能在系统启动之前/期间/之后保护固件，保护/验证代码本身并提供可信根。

自动化软件必须简单便携

如果没有半导体供应商及其合作伙伴生态系统的强大软件作为支持，那么灵活的硬件基础就毫无用处，自动化解决方案尤其如此。软件开发占据了工业自动化和控制项目的绝大多数开发成本（参见图B），因此对软件高质量的支持是项目成功的关键。例如，莱迪思半导体提供了一个轻量化协议的基础平台，使用以太网进行实时感测和控制（例如，通过工业以太网进行多轴马达控制，同时通过菊花链式连接到多个显示器）。此外，莱迪思高性能FPGA的软件生态也越来越友好，提供优秀的软件编程工具和图形设计环境，例如Lattice Propel™设计环境。简而言之，如今的优质解决方案和成熟的生态系统让OEM可以专注于差异化并加快产品上市。

图B：工业自动化和控制项目中各个领域/任务的工程开发成本百分比

自动化通常包括几个功能领域，每个领域都有特定的软件需求，包括网络边缘AI、嵌入式视觉和安全性，它们都建立在诸如操作系统和固件等底层软件上。这些领域的半导体供应商提供的先进的软件库和IP对于使用片上加速器和硬件资源来优化设计性能和功耗尤为重要。例如，在网络边缘AI中，可以使用TensorFlow、Caffe和Keras等通用框架进行开发，实现卷积神经网络（CNN），支持诸如人员侦测、关键词检测、面部追踪和对象计数等常见应用。对于视觉应用，解决方案设计人员通常需要灵活的接口互连（例如MIPI CSI-2、LVDS、PCIe、GigE等）。

尽管可编程硬件支持低功耗、高性能、低延迟计算，对设计十分有益，但某些任务可以通过软件更好地控制或实现。例如，对于预测性维护应用，软件可编程性是最佳选择，并且由于可以使用十分常用的开发人员技能（如C语言编程），开发过程更为轻松。FPGA与异构片上系统（SoC）、模块/开发板和集成计算系统中的传统处理器结合，可以实现软硬件协同处理，提高系统灵活性。

更多自动化构建模块

当今的自动化解决方案拥有许多动态组件和子系统，只有通过协调开发才能在市场上保持竞争力。在端到端的自动化解决方案中，需要完美融合对马达控制、网络边缘AI、传感器聚合、功能安全、计算机视觉和安防等领域应用的支持，以加速普及和商业推广。如今自动化OEM厂商、系统集成商和解决方案供应商面临着一系列挑战，这些挑战在过去十年中不断推动芯片供应商提供加速创新的新方法。总体而言，当前大多项目推迟的最主要原因是都与技术有关，主要是因为使用静态的硬件架构以及软件支持非常局限，而无法适应行业发展的需要。

为了帮助客户应对这些挑战，领先的芯片技术供应商们正尝试提供更多垂直的、或者针对特定应用的技术支持，从而加速全新应用功能的开发，如预测性维护的概念验证、新协处理架构的试验以及新规范/集成的原型设计（参见图C）。在符合常见的安全规范要求（例如SIL-2认证）下实现新的处理器技术方案或者实现安全协处理（例如参考设计，项目示例等）可以很好地演示冗余/安全性功能，远优于通过数据表或仿真进行理论评估。

图C: 工业自动化应用解决方案集合 

自动化解决方案集合通常围绕各种IP构建，这些IP是应用和自动化方案芯片供应商（生态系统）应当关注的重点之一。工业自动化和控制系统通常具有各种功能，包括图形界面、实时响应、有线/无线网络连接、本地事件分析以及坚固的外表。然而，由于需要支持自动化解决方案的一些至关重要的新功能（如机器视觉/目标检测和安全增强应用），这些系统正迅速变得复杂起来（参见图D）。对这些特性/功能作出规划，提供更为深入或高级的支持对于自动化芯片的发展和面向未来的解决方案至关重要。

图D：当前工业自动化和控制项目中的功能/特性以及未来预期的特性

VDC的观点

由于实时网络互连、高性能处理、系统可靠性、功耗和接口灵活性等方面的硬件发展迅猛，自动化如今也变得更加实用。此外，网络边缘AI、分析以及最终的自动化解决方案需要处理振动、超声波、温度、红外线、电压、声音和激光雷达/雷达等越来越多类型的传感器输入。公开这些数据流对终端用户越来越重要。自动化数据通常在本地存储和处理，而非云端，这就需要重新评估新部署的网络边缘设备的计算要求和架构。现场处理和存储可减少延迟，同时保护宝贵的数据并最大限度地降低网络和数据中心成本。即使是已经通过安全合规认证的成熟芯片产品也开始涉足新的领域/功能，从而为自动化等较为复杂的应用添加价值和支持。

工厂和物流环境正处于快速变化的时期，因此在创建自动化解决方案时需要采取一种全新的工程和开发思维方式和规划方式。如前所述，软件开发给工业自动化和控制项目带来的负担不断加重，企业也自身承担了过多的软件开发任务。像莱迪思半导体等供应商提供的FPGA 在低功耗和小尺寸芯片市场脱颖而出，独具优势，可以支持各类要求高性能处理、混合关键系统、低延迟和安全性的自动化应用。芯片供应商需要在解决方案的各个层面提供支持精密马达控制、实时网络互连、功能安全、预测性维护和网络安全等特性，从而最好地支持/实现自动化应用。莱迪思Automate™正是这种以完整的解决方案集合实现自动化系统设计的绝佳案例。

芯片技术供应商对系统解决方案集合的影响越来越大，也是开发自动化解决方案时的关键因素。此时需要考虑诸多供应商和芯片标准，包括硬件、软件、服务和生态系统等，正确的选择有助于快速进行开发并确保在长达数十年的自动化解决方案生命周期中持续提供支持。软件开发支持对于化解自动化解决方案的构建以及后续支持这一最大痛点和风险至关重要。从安全的角度来看，芯片供应商是系统中最关键的部分，因为它决定了系统中的监控和控制形式。芯片供应商还必须保证供应链安全，从制造到运输的各个环节保护 IP 和器件，并通过私钥控制将器件的固件恢复到已知完好状态。自动化应用建立在各类硬件和软件之上，但是选择正确的芯片合作伙伴，并且他们在开发的各个重要领域拥有成熟的工具、IP 和各类资源，才是未来解决方案成功的关键。