应对工业智能化 模拟IC大厂出新招
工业4.0的发展对于IC、特别是模拟IC厂商很重要。
当前,工业智能化正在向工厂网络前沿、边缘发展,提高生产的自适应调节能力,自适应调节可以实现更高的灵活性,这样用一条产线可以生产多种产品,而不需要扩建更多的产线。另外一个好处,是获得更高的生产效率(提升65%),还可以大幅缩短产品的开发时间。
保证产品的一致性也很重要,这会直接影响到产品的质量,比如,同一巧克力品牌的产地可能不同,而不同产地可以获得原材料不完全相同。产线的自适应调整功能允许对原材料用量进行调节,确保产品的一致性。另外,产线还要引入自诊断功能,提升监测能力,从而让产线更安全,进而提高产线工人的安全性。
举一个例子,在Intel的晶圆厂,通过在晶圆设备上增加一些传感器,对这些传感器收集的数据进行分析、监测,实现对晶圆状况的实时检测,这个平台采用GE的AI平台GEPredix,通过AI算法,对收集的数据做计算,能够准确无误地、快速地对系统进行调整。从而大幅提升系统的正常运行时间,提高生产效率。
工业4.0带动大型PLC向小尺寸、紧凑型PLC转化,目前,对小型PLC的需求量几乎是大型需求量的2倍,小型PLC能够把智能化推进到工厂前端,实现真正的智能化制造、自适应调节。
Go-IO厚积薄发
无论是工业4.0,还是工业智能化,对半导体厂商意味着什么呢?对此,Maxim Integrated工业及医疗健康事业部总经理 Jeff DeAngelis先生表示:“我们要用新的思维方式去定义产品,首先它要求集成电路提供更高的灵活性,或者说是软件可编程、可配置能力,以提供更灵活的调节能力。另外还有自适应能力,自适应诊断功能,应对环境的变化,从而助力工业智能化的发展。”
作为半导体厂商,不仅提供IC,还要提供一些智能化的参考设计平台,一方面向客户展示,用我们的IC能够实现什么,达到什么样的目标,另外,有了参考设计,客户可以很容易地把参考设计移植到他的平台上去,做实际验证。
2014年,Maxim Integrated推出了第一代智能化工业 IoT 平台产品,即微型PLC,跟当时同等功能的PLC相比,尺寸缩小了15倍,功耗降低了50%。
2016年,随着IC集成功能向前推进,基于其更高集成度的解决方案,Maxim推出了pocket IO参考设计平台,并引入了IO-Link智能传感器技术,IO-Link技术让用户真正实现自适应制造概念。
pocket IO的尺寸是167K立方毫米,它的尺寸和上一代的微型PLC相比,缩小了2.5倍,功耗降低了30%。
2018年11月,Maxim推出了第三代产品Go-IO参考设计平台。Go-IO在只有信用卡一半大小的面积上整合了17个可配置IO,作为自动化工厂子系统可大幅提升生产效率和自诊断功能。
Go-IO支持主动监测和交流设备健康和状态信息,并实现了更高的吞吐量和生产效率。该参考设计也满足PLC日益严格的尺寸及功耗要求,与其参考设计Pocket IO相比,方案尺寸缩小10倍、功耗降低了50%。
Jeff表示,这种集成度和设计密度的参考设计平台,现在还没有哪家竞争对手能够达到如此高的集成密度。
图:Maxim Integrated工业及医疗健康事业部总经理 Jeff DeAngelis先生
在谈到IC工作温度时,Jeff表示:”我们现在面向工业应用推出的IC的工作温度范围是-40°C到125°C,一般工业应用要求温度上限达到85°C就可以了,但是我们已经超出原有的工业级范围要求,另外强调一点,实际上也是很重要的一点,IC低功耗很重要,因为小尺寸IC必须发热少,所以低功耗很重要,比如说我们GO-IO卡用三节的AA电池供电可以工作10小时。”
整合三大技术
GO-IO整合了三大技术,一是工业通信,由于整合了高度集成的工业通信接口,多个GO-IO模块可以相互之间进行数据传输、信息交流,借助GO-IO的通信能力,还可以把数据最终推送到云端,这是它的一大优势。另外一个技术是工业输入输出技术,即数字IO技术。还有一项技术是工业电源技术。
Maxim的上一代隔离RS-485提供了数字隔离技术和变压器驱动,外部只需搭一个变压器,就可以实现电源和数据隔离了。其数字隔离采用电容隔离技术,可以支持更高的通信速率。而新一代GO-IO平台中,将上一代隔离RS485与变压器两者集成到了一起,构成MAXM22510,使整体尺寸缩小了40%。
GO-IO平台的另一个高集成度设计是八通道数字输入技术,器件将数字输入与数字隔离集成在一起,构成隔离的数字输入解决方案 (MAX22192) ,使整体尺寸缩小31%。这种数字隔离技术不仅仅把数字输入和隔离整合到一起,它实际上还提供更多功能,比如:开路、短路、过压、过流故障诊断,这对工业IoT的设计是有帮助的,可以实时监测产线上的运行状况。
这里,Jeff还特别强调了Maxim的数字输出技术MAX14912,八路数字输出芯片。MAX14912除了能够实现快速的切换,还有一个安全消磁功能,这对工业控制非常重要,比如许多现场执行器是感性负载,开关瞬间会有很强的反冲。这个能量处理的不好就会损毁机器设备。Maxim的这款IC里面由于集成了释放通道,也就是消磁功能,可以把感性负载的反冲能量吸收掉,而不会损坏设备上的其他部件,帮助用户摆脱了设计上的局限。
另据Jeff介绍,第二代工业PLC平台pocket IO所采用的电源还需要外部电感,而在GO-IO新一代平台中,则采用了单电源模块uSLIC,将高效同步整流高压DC-DC转换器、电感、电容集成在同一模块内。
一切为了客户
Jeff表示: “我们通过几代产品的研究,一直紧跟市场的发展趋势,并保持与客户的密切沟通和配合。比如说,依照客户的要求,我们的数字IO引入了SPI接口配置功能,使得用户可以重复利用设计,提升设计灵活性。另外,数字IO器件的菊链功能,使得客户可以在同一SPI接口上实现多片级联,扩展数字IO的通道数。
GO-IO意味着不仅应用于工业自动化,而且可以从工厂走到楼宇自动化,再走到机器人,走到不同的终端应用上去,这就是把它定义为GO-IO的原因。Go IO的小尺寸设计可以很容易地放置到楼宇的压力、温度监测探头,以及空调等控制器中;当然也可以把它安装到机器人手臂上做现场控制和调整。
下图所示是Maxim基于这个平台提供的一个参考设计,可以通过网站订购,在这套参考设计里面,包含了GO-IO模块、主板和应用处理器板(MAX32630)。
Jeff表示,这个参考设计是一个标准配置,与二进制IO兼容。Maxim针对这个GO-IO提供API支持。
在谈到GO-IO与客户对接时,Jeff表示:“现在,我们处在工业变革时期,集成产品需要快速发展跟进工业智能化的进程。另外,在应用层面,不单单是工业自动化,包括楼宇自动化、机器人,所覆盖的终端应用也越来越广,需求也就更大了。我们的GO-IO平台已经得到工业领先厂商的认可。”