英飞凌:工业4.0大戏开幕,半导体厂商需要做这些

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随着工业4.0逐渐上升为德国的国家战略,德国作为工业4.0的发起国也欲在全球推行此标准,真正掀起第四次工业革命的大潮。而比我们预想的发展更快的 是,国务院于今年5月8日公布了《中国制造2025》行动纲领,明确了中国加快推进传统制造业转型升级的方向,在社会各个行业掀起了热烈讨论。

 

为顺应这一全球趋势,2015英飞凌XMC微控制器巡回研讨会在7月拉开了帷幕,系统的为中国工程师描绘工业4.0的蓝图,以及在工业4.0愿景下德国自动化行业的发展,并分享了英飞凌XMC微控制器解决方案在智能家电、低速电动车及数字电源等领域的应用。

 

工业4.0大戏开幕,半导体技术扮演主角

英飞凌科技股份公司工业和多元化电子市场业务部微控制器业务高级总监Maurizio Skerlj表示,在工业4.0大环境下,连接和通讯、信息安全性和系统安全是工业自动化的关键要素,而英飞凌作为德国工业4.0发起者中唯一的半导体企 业,将始终致力于为工业4.0提供业界领先的半导体解决方案。

 

英飞凌科技股份公司工业和多元化电子市场业务部微控制器业务高级总监Maurizio Skerlj

 

我们每个人都能亲身感受到现实世界和数字世界的交汇正在改变着我们的生活、工作以及生产方式。而英飞凌认为,半导体技术则是现实世界和数字世界之间的重要纽带,是确保信息技术安全的不可或缺的要素。

 

Maurizio Skerlj解释说,为了实现工业4.0,需要攻克以下四个挑战:

第一,更多智能化的联网节点,而这种节点都由微控制器提供。

第二,提升在系统层面的理解,而并非产品层面。

第三,数据安全性。它指的是系统能够识别用户的身份,对IP算法等关键信息提供保护。

第四,功能的安全性。Safety和Security在中文中都翻译为安全,但Maurizio Skerlj通过举例说明了两者的区别:

比如,电梯既需要security,也需要safety。具备security的电梯只允许经过授权的人能够到达指定的楼层;具备safety的电梯则能 够保证电梯长期正常工作,一旦不能正常工作,电梯将不允许人员进入电梯,以免发生从电梯坠落的事故。不具备security的电梯会使未经授权的人员也到 达指定楼层,而不具备safety的电梯则会不正常运转,可能发生坠落等事故,对人身安全造成伤害。

 

所以,Security和Safety对于工业制造来说是非常重要的两个方面。

 

英飞凌之于工业4.0:致力成为中国本地公民

那么,英飞凌作为半导体厂商,在全球以及中国的工业4.0体系中分别起到怎样的作用?

 

Maurizio Skerlj强调说,致力于成为中国本地公民的英飞凌,一直都积极关注中国政府的政策和规划。而英飞凌在工业4.0体系中扮演着多重角色:第一,英飞凌是 工业4.0的践行者,其自有工厂是世界上最尖端的晶圆制造自动化工厂;第二,面向工业4.0,英飞凌也能够提供领先的半导体产品和解决方案。

 

Maurizio Skerlj还分享了英飞凌在德国工业4.0的发展状况:在2014年10月举办的德国IT峰会上,英飞凌与德国电信共同推出了一款用于保护网络化生产的 安全解决方案。当时,德国总理默克尔到访英飞凌的展台,英飞凌首席执行官Reinhard Ploss博士向她演示了工业4.0的智能生产。通过平板电脑进行下单,到智能地生产、运输和最终交货。英飞凌的安全产品对其中的各个环节进行身份认证, 包括下单的人和用于下单的平板电脑,以保障整个生产过程的数据和信息安全。

 

同时,英飞凌作为德国最大的半导体企业,自有芯片工厂正在实施工业4.0计划。比如其在德国德累斯顿的300毫米和200毫米晶圆工厂是世界上最为先进的 自动化晶圆厂,先进的流程控制保障了领先的质量和无纸自动化工厂运营,实现了所有零部件全程可追溯以及高效的工厂间物流。其中的200毫米德累斯顿工厂已 100%实现自动化,完全依靠机器人操作。同时英飞凌也在奥地利菲拉赫工厂进行工业4.0的改造,增加物料自动识别系统等。

 

现在,英飞凌已经充分认识到工业4.0所带来的零缺陷、高效率的价值,目前正在把获得的先进经验带给其他国家包括中国无锡的工厂,并把水平价值链的安全集成和单个制造下高效率作为方向。

 

XMC4800微控制器,重头戏中的大明星

今年4月,英飞凌推出了集成片上EtherCAT(用于控制和自动化技术的以太网)节点的全新XMC4800系列32位微控制器。旨在通过具备出色实时能力的XMC4800系列器件,推动联网工业自动化与工业4.0应用的发展。

 

Maurizio Skerlj介绍说,集成了EtherCAT节点的XMC4800系列,使用户不再需要专门的EtherCAT ASIC、外部存储器和时钟晶体,可设计出携带EtherCAT连接能力的紧凑系统。

 

XMC4800微控制器系列

 

Maurizio Skerlj进一步解释说,EtherCAT和传统以太网的最大区别在于实时性:EtherCAT的每个节点都有两个端口,即进口和出口。这很像我们生活 中的火车:连接的部分是轨道,每个节点就像一个车站,而数据就是火车中的乘客。不同的是,乘客在每一站都可以顺利地上下车,但火车却不用停车。也就是 说,EtherCAT是没有延迟的,这对需要实时控制的电机来说非常重要。

 

EtherCAT技术自2003年推出以来,发展形成了两种主要的实现方式,即1颗MCU加1个外部ASIC,或是1颗MCU加1颗FPGA。然而这些都需要外挂的闪存或EEPROM,以及EtherCAT PHY所需的25MHz的时钟。

 

针对这一问题,XMC4800却可支持最紧凑的设计——无需专门的EtherCAT ASIC、外部存储器和PHY时钟晶体,而是将它们全部集成在了内部.

 

据了解,EtherCAT于2003年推出,并于2007年成为国际标准和SEMI标准,是速度最快的工业以太网技术,代表着高性能、低成本、易于使用的 灵活拓扑结构。EtherCAT技术协会推动EtherCAT的发展,并负责持续开发工作。目前,EtherCAT技术协会(ETG)拥有来自58个国家 的3100多名成员,现已成为全球最大的现场总线行业协会。

 

作为XMC4000家族的一员,XMC4800系列产品的内核采用ARM Cortex-M4处理器,专为用于工业和建筑自动化以及电气传动和太阳能逆变器而开发。同时,所有的XMC4800微控制器都将通过AEC Q100认证,因此同样适用于商业、建筑和农用车辆。

 

在开发过程中,XMC4800系列能够让用户无缝升级采用EtherCAT技术,与现有的XMC4000微控制器引脚和代码兼容,并支持在环境温度高达125°C的恶劣条件下使用EtherCAT。

 

据悉,搭载EtherCAT技术的XMC4800系列的样品将于2015年8月供货,2016年第一季度开始批量生产。

 

此外,英飞凌在本次巡展活动中,还针对电机、电源控制、家电控制、工业I/O模块以及小型通用机械等应用,发布了最新XMC1400系列微控制器。作为 XMC1000家族的新成员,XMC1400含有通用型/增强型电机控制/CAN通信等3个子系列产品。在原有的XMC1000系列产品基础上,新产品将 CPU主频提升至48MHz,结合工作于96MHz的协处理器单元MATH,可提供更强的运算能力。同时,其拥有更多的通信接口及管脚封装,集成了 MultiCAN模块,并支持CAN 2.0B,可满足工业应用中对CAN通讯的需求。XMC1400还提供更多针对电机及电源应用相关外设单元,可以支持双电机控制及复杂的电源控制。

 

在开发环境方面,XMC系列微控制器既可以由英飞凌的免费集成开发环境Dave来支持,亦可由第三方工具合作商支持。

 

以下方案来自2015英飞凌XMC微控制器巡回研讨会期间的现场展示。

 

 

基于XMC1100的电脑上下控温型电烤箱

 

 

基于XMC1200的无线双模控制吸顶灯

 

在线技术社区,圈住合作伙伴的商机

英飞凌微控制器在线技术社区是此次巡回研讨会上的又一亮点。技术社区不仅向用户提供了资料下载、论坛讨论、样品申请、线上活动和小批量购买等功能,更致力于在用户和方案商之间架起沟通的桥梁。

 

借助这一平台,英飞凌哈工大联合实验室开发的低速电动车驱动套件带有交流异步电机FOC控制算法,用户可以方便地修改参数实现自定义功能,其硬件设计也相当引人注目。这组套件是自双方联合推出伺服控制套件后的又一次成功合作。

 

英飞凌哈工大联合实验室开发的基于XMC4200的2.2KW低速电动车评估套件

 

 

基于XMC1300的无感FOC风机控制方案

 

基于XMC1300的300W直流无刷手持电钻