用MPU实现工业PLC/网关及嵌入式AI

　　在不久前的“2018慕尼黑上海电子展”上，瑞萨电子展出了系列工业物联网方案。瑞萨电子还举办新闻发布会，瑞萨电子中国 产业解决方案中心 工业和家电部 部长 谭绍鹏先生和市场经理 戴其宏女士介绍了工业物联网(IIoT)及其中的PLC(可编程逻辑控制器)的挑战，还有瑞萨电子为PLC推出的集成了五个以太网端口的MPU——RZ/N1，最后介绍了用MCU实现eAI(嵌入式人工智能)的构想。

　　工业物联网的关键特征

　　工业物联网有三部分是非常重要的。

　　第一是安全性。因为传统的制造业工厂，IT与OT是分开的，如果黑客去攻击IT网络，不会影响到OT网络。但是实现工业物联网后，很多OT数据与IT数据是连在一起的，因此如何保证IT数据与OT数据的安全，更为复杂和关键。

　　其次在操作层面上，以后的Operation层(运营层)不仅仅是数据的检测，还可以感知、感应，以及实现提前预测与预防。其中一个关键指标是实时性，含义是可以通过远端的任何一个设备或者是人下命令，通过工业以太网网络传递到某个工件，这是实时性的，实时性要求响应是纳秒级的。

　　第三是定制化，即不能只生产A，还能生产B、C，批量可以随便调配，这也是数字化工厂、smart(智能)工厂的一个重要特点。

　　可见，在技术上，工业物联网落地的关键挑战是如何实现计算、信息、控制三位一体的改造。现在很多制造业要么是计算，要么是控制，要么是通信，都是单独进行的。

　　新型PLC可使IT与OT数据对接

　　工厂需要各个层面的方案，诸如企业级、控制级和现场级。其中瑞萨电子的产品如下图右，有围绕R-IN的系列产品，诸如R-IN32、TPS-1、EC-1产品用来做实时的网络控制器。流量计部分，瑞萨电子有RL78 MCU。如下图左，IO板卡和安全设备方面，瑞萨电子有RX系列的MCU产品。在现场级的工业运动控制器和机器人部分，瑞萨电子有RZ/T1平台等。

　　为了把整个产业线从上至下地应用起来，PLC(可编程逻辑控制器)只是其中的一层——控制层，控制下面的众多传感器、机器人、远程IO模块等，下面的层是应用层或现场层。

　　但现在做PLC与以前传统的方法有些不同。需要把两个世界——IT和OT连在一起。瑞萨电子RZ/N1 MPU走在行业前列，例如2017年11月推出的RZ/N1支持5个端口，主要适用于可编程逻辑控制器(PLC)及网关产品，来支持工业的IT和OT网络间的连接。

　　图：瑞萨电子展位上的海报

　　相比之下，友商的产品有时即使支持5个端口，也未必能把IT和OT连在一起。例如友商的产品五个端口都支持连接云，有千兆****换器等，但是仅能传IT数据，例如TCP/IP或UDD，即跑的都是IT领域的数据，不能跑OT数据。

　　以下着重介绍瑞萨电子最新的面向工业控制级的RZ/N1产品。

　　RZ/N1的四个特点

　　实际上，RZ/N1能够覆盖到的应用范围是比较大的，主要有四大特征(如上图)。①能支持多协议的工业网络，包括EtherCAT、PROFINET、OPC UA、Canopen和EtherNet/IP等。②在智能控制上面的作为。芯片里含有单/双核的Cortex-A7核，再搭载一个M3核，因此能够用来做客户智能控制方面的应用，同时也提供DDR2/3、XiP QSPI、NAND闪存等。③在IIoT工业网关方面是非常强大的，有先进的5端口Gbit交换机桥接IT及OT网络。这样的产品在目前市场上是比较罕见的，主要支持IT和OT网络的连接，以及支持TSN。④安全运行，防范网络安全攻击，冗余网络。为了做到这一点，存储器带片上ECC校验，后给客户提供唯一的ID，以防客户的程序被其他竞争对手盗取。同时芯片能支持工业交换机需要的冗余的协议，诸如HSR/PRP/MRP冗余。

　　R-IN引擎

　　作为工业网络技术平台，瑞萨电子有R-IN引擎平台，搭载到不同代的芯片上。现在的RZ/N1已经是第三代产品(如下图)。此前的2014年，瑞萨电子推出了第一代搭载R-IN引擎技术平台的产品——R-IN32M3，主要用于远程IO的产品。2015年推出了第二代产品——RZ/T1，用于运动控制伺服。2017年底又推出了最新的RZ/N1产品，主要覆盖到主站的产品，包括PLC控制器、HMI以及Ethernet Switch(以太网交换机)等应用领域。它们都有R-IN引擎平台，是顺利实现IT与OT对接的重要法宝。

　　因为R-IN引擎平台是用于加速协议处理的引擎。引擎内部有带一个32位的CPU，又集成了硬件的实时性OS(RTOS)，还有一个以太网加速器。该引擎的主要优势是能使客户更加专注于实时网络的通信。提高了高速中断响应，比普通的启动时间减少了6倍。再有，比较适用于任务切换使用，切换的速度能提高到3倍;可实现极微弱的抖动。

　　瑞萨电子在R-IN引擎上做了测试，搭载这样的引擎，给客户提供了性能的提升，如下图是市面上普通百兆级MCU产品在运行工业网络时的表现。众所周知，工业以太网的主流速率约是百兆级的，普通的MCU芯片运行到50MHz，即百兆的一半——50Mbps的时候，对MCU的负荷已经达到了100%左右，也就意味着它不能完全实现工业以太网通信的功能。

　　而搭载了R-IN引擎的RZ/N1芯片，通过UDP和TCP/IP的传输测试，可以发现当传输速率接近百兆级的时候，CPU的负载才20%~30%左右(如下图)。这种高性能和低CPU负载，就是通过硬件-RTOS和硬件以太网加速器实现的。

　　图：RZ/N1与普通百兆级MCU产品在运行工业网络时的比较

　　RZ/N1的架构

　　RZ/N1把应用部分和实时通信部分两者分开来做设计，下图左半部分是应用领域的设计，用了Arm Cortex–A7(双核和单核可选)，在其上运行的是Linux、ThreadX等OS，集成了外设，主要是给客户做不同的应用控制来使用的。

　　右半部分使客户专注于做以太网通信，即实时性要求很高的应用。其搭载了Arm Cortex–M3核，运行的是硬件-RTOS(uITORN OS)，同时也集成了多协议多工业以太网协议与冗余协议，并搭载了5端口实时以太网交换机。

　　据悉，目前该芯片可以支持多种工业以太网协议，例如目前在国内市场较热门的EtherCat、Ethernet/IP、SercosⅢ、Powerlink、PROFINET、Modbus TCP、Canopen等。协议栈集成在通用操作系统抽象层层面上，来实现片内两个CPU之间的无缝通信，两个CPU是通过共享内存和中断请求来进行互相通信的。

　　RZ/N1的应用举例

　　RZ/N1带有五个以太网的端口，针对不同的应用，五个端口的配置使用非常方便。例如做实时以太网的PLC产品，端口1做GMAC，然后运行EtherCat协议可以配置在端口4和端口5上。再例如PROFINET/ EIP/Powerlink/SercosⅢ多协议实时网关，可把端口4、5配置成SercosⅢ，端口2、3配置成其它协议。

　　具体地，在工业应用方面，可用于实时IIoT网关和安全的终端设备。通过网关主要实现了IT与OT的连接。因为RZ/N1芯片横跨了多个领域，提供工业的连接。其中很重要的是中间的工业自动化，瑞萨电子的芯片提供多协议的工业网络以及运行安全和网络安全。目标是市场上下一代PLC产品和远程I/O产品，进行嵌入式的分析。在其他的领域，例如基础设施、楼宇自动化方面，RZ/N1产品，也同样会有应用需求。

　　瑞萨电子的工业物联网整体方案

　　瑞萨电子面对工业物联网的产品很多，首先是工业网络解决方案，包括基于瑞萨电子的RZ/N多协议工业以太网、OPC UA、TSN、云、IO-Link等技术;其次还有BLDC电机与伺服运动控制。

　　差异化技术是：有硬件的实时OS、DRP、先进以太网交换机和加密解决方案等;同时也提供功能安全软件包，以及AI(人工智能)学习的解决方案，还有低功耗的传感器解决方案等。

　　独特的嵌入式人工智能(eAI)

　　由于智能化设备里的一部分分析是基于云计算的，为了提高实时性，仅仅依赖云计算是不够的。为此，瑞萨电子提出依赖云的神经网络(NN)建了模之后，装到本地，本地只要输入一定的数据给它，它输出来就行了。

　　图：瑞萨电子展位上的eAI海报

　　即它在云上怎么学习，本地不用管，怎么建模本地也不管，本地只知道云给本地一个数学模型之后，本地输入什么参数，就分析出来什么数据，然后把这套东西烧到本地的MCU里面去。算法更新是云端在做。本地只需把云那套东西看成一个黑匣子——输入什么、输出什么，把这套算法嵌入到本地。为何要嵌入本地?因为很多数据不可能上传到云端去处理，本地就可以处理了。

　　eAI的挑战是：工厂管理者该用什么数据来做人工化智能?因为数据的种类很多，例如温度、良品率、来料的合格率等。相比之下，人工智能的人脸识别、语音识别较为单纯，只要分析有关脸和声音的所有数据就可以了。但工厂情况纷繁复杂，有不同类型的数据，例如事件数据(状态数据)、实时操作性的数据等，有些是循环数据，有些是非循环数据。

　　关于eAI，瑞萨电子已经在自己的部分日本工厂实现了。但如何将这种方法用到中国来?瑞萨电子正在寻找合作伙伴。

　　小结

　　工业物联网的难点之一是需要IT与OT的数据对接。RZ/N1很好地实现了PLC或网关的数据对接。eAI是本地智能化方案，以实现纳秒级的实时性。

　　当然，瑞萨电子的方案只是工业物联网中的一小部分，要实现工业4.0或工厂互联网，这是一整套系统，除了半导体芯片，还需要有软件的配套服务商、云服务商、系统集成商等的合作。