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到2028年，全球工業(yè)4.0市場規(guī)模預(yù)計將超過2790億美元，復(fù)合年增長率為16.3%。雖然開發(fā)商和制造商對這種高速增長已經(jīng)習(xí)以為常，但其影響才剛剛開始顯現(xiàn)。通過結(jié)合云計算、物聯(lián)網(wǎng)(IoT)和人工智能(AI)的能力，工業(yè)4.0將在未來幾年繼續(xù)提升制造業(yè)的數(shù)字化、自動化和互連計算水平，推動更多企業(yè)擁抱第四次工業(yè)革命。

隨著工業(yè)4.0的加速發(fā)展，許多工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和流程將發(fā)生變化，因為許多工業(yè)系統(tǒng)需要先進(jìn)的計算引擎和多種類型的現(xiàn)代連接標(biāo)準(zhǔn)，包括工業(yè)以太網(wǎng)、Wi-Fi和5G。此外，人們越來越關(guān)注更先進(jìn)的軟件工具和應(yīng)用，如預(yù)測性維護(hù)、功能安全、機(jī)器人自動化等等。

反過來，制造商需要先進(jìn)的技術(shù)來驅(qū)動互連、高效數(shù)據(jù)處理、系統(tǒng)和服務(wù)優(yōu)化，同時保持彈性安全性。現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)憑借自身得可編程性、高性能、低功耗和安全特性，正迅速成為開發(fā)人員滿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(biāo)準(zhǔn)一覽

隨著工業(yè)4.0的發(fā)展，一些標(biāo)準(zhǔn)(如OPC統(tǒng)一架構(gòu)(OPC-UA)和時間敏感網(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(shù)據(jù)。作為一種機(jī)器間通信協(xié)議，OPC-UA提供了一個安全的、獨(dú)立于平臺的、面向服務(wù)的架構(gòu)。當(dāng)與TSN出色的實(shí)時功能相結(jié)合時，OPC-UA就成了在不中斷運(yùn)營或安全性的情況下為制造商提供持續(xù)的洞察力和數(shù)據(jù)流的關(guān)鍵框架。

由于標(biāo)準(zhǔn)的合并，開發(fā)人員需要高度專業(yè)化的技術(shù)來實(shí)施OPC-UA和TSN框架，并讓制造商符合新法規(guī)要求，保證持續(xù)發(fā)展。為了滿足這些需求，萊迪思提供了針對特定應(yīng)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，為客戶提供全新的工廠自動化和工業(yè)機(jī)器視覺功能。萊迪思還致力于OPC-UA遷移，于2022年3月加入OPC基金會，在Lattice Insights官方培訓(xùn)平臺上提供OPC-UA模塊課程。該官方培訓(xùn)門戶旨在幫助系統(tǒng)和應(yīng)用設(shè)計人員最大限度地提高其FPGA設(shè)計體驗。

利用FPGA推進(jìn)工業(yè)4.0應(yīng)用

除了幫助制造商應(yīng)對不斷發(fā)展的法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)外，F(xiàn)PGA還支持低功耗、可靠和安全的工業(yè)應(yīng)用開發(fā)，如機(jī)器人、嵌入式實(shí)時網(wǎng)絡(luò)、預(yù)測性維護(hù)、功能安全和系統(tǒng)安全。

機(jī)器人

采用工業(yè)4.0應(yīng)用助力智能機(jī)器人，大大提高了工廠和倉庫的自動化水平。隨著工廠加快集成這些自主機(jī)器人，眾多傳感器、攝像頭和電機(jī)產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)推動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(shù)據(jù)并快速分析大量信息。CPU一次只能處理一批數(shù)據(jù)，而FPGA可以同時整合和處理多個功能。

FPGA可以通過并行處理同時監(jiān)控多條通信總線，使開發(fā)人員能夠跨各種連接類型工作，并快速安全地將更多數(shù)據(jù)引入流水線。例如，在汽車制造中，F(xiàn)PGA可以組合或多路復(fù)用來自多個高分辨率攝像頭的信號，然后在這些信號到達(dá)SoC時將這些信號拆分。

嵌入式實(shí)時網(wǎng)絡(luò)

隨著連接設(shè)備的數(shù)量遠(yuǎn)超以往，嵌入式實(shí)時網(wǎng)絡(luò)確保機(jī)器、傳感器和攝像頭可以實(shí)時通信和交換數(shù)據(jù)。在工業(yè)4.0中，這意味著監(jiān)控、控制和制造流程優(yōu)化可以實(shí)現(xiàn)無縫通信和數(shù)據(jù)交換。

FPGA對于實(shí)現(xiàn)實(shí)時網(wǎng)絡(luò)至關(guān)重要，因為它們能夠以低延遲和穩(wěn)定的方式執(zhí)行信號處理和分析。對于制造業(yè)中的實(shí)時應(yīng)用，這種低延遲和確定性對于工廠車間始終在線的功能和運(yùn)營至關(guān)重要。

預(yù)測性維護(hù)

隨著工業(yè)4.0的發(fā)展，預(yù)測性維護(hù)功能也隨著物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、云計算和高級分析的集成而不斷發(fā)展。預(yù)測性維護(hù)使用數(shù)據(jù)分析、傳感器和機(jī)器學(xué)習(xí)，實(shí)時監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行狀況、提高預(yù)測準(zhǔn)確性并優(yōu)化維護(hù)計劃，從而提高運(yùn)營效率、最大限度地減少停機(jī)時間并節(jié)省成本

FPGA對于實(shí)現(xiàn)預(yù)測性維護(hù)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)時檢測異常運(yùn)行狀態(tài)，降低設(shè)備故障風(fēng)險。同時，其節(jié)能設(shè)計可在低功耗下實(shí)現(xiàn)連續(xù)監(jiān)控，從而根據(jù)實(shí)時反饋及時采取維護(hù)措施，最大限度地降低運(yùn)營成本。

功能安全

隨著工業(yè)4.0中的系統(tǒng)變得更加互連和自主，功能安全(FuSa)可確保系統(tǒng)或設(shè)備在響應(yīng)輸入或出現(xiàn)故障時安全、正確地運(yùn)行。FPGA已成為實(shí)現(xiàn)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(xiàn)安全關(guān)鍵功能，例如直接在工業(yè)系統(tǒng)中進(jìn)行監(jiān)控、控制和診斷。

萊迪思的軟件設(shè)計工具經(jīng)過最新安全設(shè)計方法認(rèn)證，與FPGA配合使用，為設(shè)計人員提供了極大的靈活性，幫助他們在安全關(guān)鍵應(yīng)用中實(shí)施和開發(fā)功能安全。

系統(tǒng)安全

增強(qiáng)互連在制造業(yè)中可能會帶來新的安全威脅。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)時硬件可信根(HRoT)產(chǎn)品中集成了“加密敏捷”功能，以增強(qiáng)對服務(wù)器平臺和其他連接設(shè)備應(yīng)用的保護(hù)，在從系統(tǒng)上電到斷電的整個攻擊面上為組織提供保護(hù)。

此外，提供HRoT功能的FPGA具有專用的加密和非對稱引擎，可防止代碼被擦除、讀取或重寫，從而利用數(shù)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(biāo)識，在允許數(shù)據(jù)交換之前進(jìn)行驗證，確保系統(tǒng)的核心功能和關(guān)鍵組件始終受到保護(hù)。

支持工業(yè)4.0的未來

隨著工業(yè)4.0的持續(xù)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(dú)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(chǔ)設(shè)施)而成為賦能和實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0關(guān)鍵應(yīng)用的重要工具。FPGA幫助制造商快速、安全地優(yōu)化工業(yè)運(yùn)營、增強(qiáng)互連并適應(yīng)不斷變化的環(huán)境。