浅谈F

工业 4.0 的愿景是将智能传感器与工业设备相结合，以进步出产力、进步牢靠性并下降运营本钱。这其间许多传感器将经过无线办法相互衔接（例如，经过网状装备）或经过传感器网关。然后，该网络将衔接到可以搜集、剖析和处理数据的云。工业物联网 (IIoT) 与物联网的不同之处在于设备有必要实时履行操作并满意工业牢靠性规范。

　　工业机器人是一类特别的工业设备，可以高效、精确且可重复地履行手动使命。自 1960 时代以来，它们一向用于工厂及商业设备中。跟着工业 4.0 的到来，这些机器人正在整合智能和新功用，使智能工厂成为或许。

　　除了在履行使命时愈加灵敏之外，工业机器人还可以搜集和剖析有关本身的数据，以进步出产力、服务质量和牢靠性，一起下降总体总具有本钱。当衔接到云端时，可以辨认一切机器人的操作方式和趋势。

　　例如，可以剖析毛病以创立猜测性保护算法，当机器人的操作装备记载文件有过错时会触发警报。使得问题可以在导致设备毛病和停机之前得到处理，然后最大极限地削减丢掉。

　　跟着越来越多的工业自动化 OEM 对机器人技能进行出资，工业机器人的添加仍在持续。自 2016 年以来，机器人职业以每年 7.6% 的速度添加（CAGR）。

　　1. OEM 持续出资于工业机器人技能，自 2016 年以来机器人职业以每年 7.6% 的速度添加（CAGR），即便将 COVID-19 考虑在内。

　　未来几年，工业机器人的开发者将面对一系列的问题。跟着这些体系变得越来越杂乱，牢靠性变得越来越重要。本文将讨论以数据日志的方式从工业机器人搜集运转数据的应战，包含怎么处理有必要搜集的数据以及怎么在体系毛病期间最大极限地削减数据丢掉。

　　工业机器人的杂乱性

　　在最基本的方式中，工业机器人由机械手和操控器组成。机械手，一般被称为机械臂，可以移动、旋转和履行动作。

　　2. 工业机器人框图。

　　每个机器人机械手的各个部分经过机械关节衔接，每个关节都供给一个运动轴。一个典型的机械手有六个活动关节或六个运动轴。

　　由高精度伺服或步进电机担任的每个轴都被约束在特定的运动规模内。此外，每个轴以不同的速度移动，一般在数据表中以每秒移动的度数列出。运动规模越大，关节的最高速度越快，操控运动所需的精度就越高。对更高和谐性和精度的需求也添加了需求从盯梢机械手的每个传感器记载的操作数据量。

　　从牢靠性来看，工业机器人有必要可以从各种电源事情中康复，例如断电。抱负状况下，一旦电源毛病扫除，即便体系已重置，机器人也可以从中止的方位当即康复操作。

　　为此，每台电机都有必要可以保存要害参数和数据状况，包含机械臂的旋转视点和方位。相同，操控器需求保护具体的操控日志，记载每个轴的操作参数，包含其指令方位、编码器值和有效载荷。

　　此外，操控器有必要坚持伺服电机记载盯梢速度、扭矩、电机反响传感（即电流、方位、速度）和运动视点。牢靠地记载一切这些数据需求某种方式的非易失性存储器，以便数据不会因断电而丢掉。

　　用于数据记载的非易失性存储器

　　在曩昔的几十年中，要害数据一向保存在电池供电的 SRAM 中。可是，这种办法有许多缺陷：

　　需求几个组件（电池，电源办理操控器），占用更多的 PCB 空间以及添加毛病点的数量。

　　为防止电池受热，一般需求在回流工艺之后装置电池，然后添加了制作本钱。

　　工业机器人常常暴露在振荡中，这或许导致将电池固定到位的衔接器呈现机械毛病，然后下降全体牢靠性。

　　电池需求进行保护和替换。

　　电池不契合 RoHS 要求，给厂商带来了处置问题。

　　由于这些原因和其他原因，OEM 已转向非易失性存储设备来代替电池供电的 SRAM。该表显现了可供 OEM 运用的一系列非易失性存储器技能。

　　由于 EEPROM 的经用性较低，因而大多数运用都可以将其扫除在外。工业机器人 24/7 全天候运转，而且有必要记载很多实时数据。由于这些机器人或许会接连运转多年，EEPROM 终究会磨损，因而不是一个可行的挑选。

　　Flash 的续航才干也有限。可是，闪存的经用性问题一般可以运用在主机处理器上的磨损均衡软件技能来处理。当一个块开端呈现超越设定阈值的过错时，磨损均衡算法会将数据移动到一个牢靠履行的块中。

　　磨损均衡经过将磨损均匀地散布在闪存中，有效地延长了内存的运用寿命。可是，在整个内存中盯梢和移动数据的进程会添加主机 CPU 负载并引进写入操作推迟。

　　运用闪存进行数据记载时，最重要的考虑要素或许是它以块的方式写入数据。日志数据有必要搜集在缓冲区中，直到整个块准备好写入。磨损均衡算法或许触及在大表中进行根据软件的查找，然后挑选应写入数据的块。终究，闪存有必要先擦除块才干写入。

　　只要完结这些使命后，才干终究写入日志数据。一切这些要素都会导致实践数据搜集与写入直接的长推迟。

　　实时牢靠性

　　如前所述，数据记载的两个首要原因是随时刻推移的功用剖析和电源事情康复。关于这两个功用，可以说最重要的信息都是在发生毛病时搜集的数据。

　　在电源毛病的状况下，数据将用于康复和康复工业机器人中止运转的切当方位。关于功用剖析，此“终究时刻”数据关于了解毛病前发生的状况以及或许导致毛病发生的原因至关重要。

　　当体系发生毛病或发生电源问题时，几乎没有时刻做出反响。运用闪存和 EEPROM，缓冲区中的任何内容都将丢掉。但是，这是最重要的数据。写入内存所需的时刻越长，丢掉要害数据的危险就越大。考虑一个在贵重部件上运转的高精度机器人。假如机器人遇到电源毛病，体系需求可以以高精度复位到中止的方位。不然，此次加工的零件或许要作废。

　　为了坚持具有高牢靠性的操作参数和数据日志，有必要接连捕获数据并将其存储在非易失性存储器中。出于这个原因，机器人开发者正在转向铁电随机存取存储器 (F-RAM)。从表中可以看出，F-RAM 具有许多优势，使其成为存储要害操作参数和数据记载的首选。

　　F-RAM 具有 10的14 次方写入周期的经用性，对数据记载运用程序具有无限经用性。此外，F-RAM不需求磨损均衡，然后简化并下降了写入内存的推迟。

　　F-RAM 是一种不需求刷新周期的随机存取存储器。无需缓冲数据块，由于数据可以当即存储在非易失性存储器中。此外，F-RAM 的随机存取特性消除了内存分页带来的推迟。当数据被捕获时，它会被当即存储。

　　数据记载市场趋势

　　开发人员有必要决定是在主操控器内会集记载数据，仍是在每个电机的边际记载数据。现在，在电机边际侧的数据记载需求高达 1 Mb 的容量，而操控器则需求高达 16 Mb 的容量。

　　关于六轴机器人操控器等高速运用，英飞凌最新一代的非易失性存储器 Excelon F-RAM 供给更高密度的存储器和四通道 SPI 接口，以协助进步吞吐量。关于数据记载要求较小的运用，则有密度较低单通道SPI的产品。

　　但是，跟着工业机器人中轴和传感器数量的不断添加，数据记载的要求只会扩展（图 3）。一起，根据人工智能的功用和猜测性保护算法将需求以更高的精密度拜访更广泛的参数，然后添加有必要搜集和存储的数据总量。

　　3. 跟着工业机器人轴数和传感器数量的不断添加，数据记载要求将跟着时刻的推移而添加。

　　影响非易失性存储器密度的另一个趋势是将记载功用移到更挨近网络边际的方位。在每个电机中的高牢靠性和功用安全的边际核算与存储，可以消除将数据发送回主操控器的推迟。

　　许多制作商在每个电机上都运用微型操控器，其动作由主六轴操控器和谐。因而，每个电机都会盯梢自己的参数和传感器。反过来，这将使更先进的人工智能和机器学习 (ML) 才干转移到边际以及单个电机成为或许。

　　工业机器人中的其他存储器

　　除了数据记载存储器外，工业机器人还在体系中采用了许多其他存储器技能，包含将引导代码存储为扩展存储器。跟着工业 4.0 的呈现，保护体系免受网络要挟的需求激增。

　　黑客的首要方针之一是闪存设备，它存储发动代码、安全密钥和其他对体系正常功用至关重要的要害数据。在这方面，英飞凌开发了契合功用安全规范的 SEMPER Secure NOR 闪存，并集成了安全功用以保护代码免遭黑客进犯。

　　机器人操控器的日益杂乱性导致许多机器人操控器还具有自己的TFT显现器，以支撑与技能人员的直接交互以及长途操控。关于缓冲数据、音频、图画和视频，或用作数学和数据密集型运算的暂存器，HyperRAM则十分合适作为工业显现器的扩展存储器。它在低引脚数串行 HyperBus 接口上具有高达 800MB/s 的传输率。

　　定论

　　数据记载是工业机器人的基本功用，可以从毛病和电源事情中康复，而不会对出产发生负面影响。经过供给将推进这些运用程序立异的数据，数据记载在启用新式 AI 和 ML 功用（例如猜测性保护）方面也发挥着重要作用。

　　F-RAM 的无限经用性与其实时性、非易失性、高吞吐量和牢靠的数据捕获相结合，使其成为针对工业机器人中高功用数据记载的非易失性存储器的强壮挑选。由于F-RAM可以确保在电源事端期间数据丢掉最少，因而可以履行高精度康复，机器人可以在复位或毛病之前中止的方位持续操作。

　　F-RAM 有低密度和高密度可供挑选，以满意不同运用的要求。这也使开发人员可以灵敏地满意下一代机器人不断改变的需求，由于 AI 和 ML 功用越来越挨近边际。