工業(yè)控制中可編程邏輯控制器模塊設(shè)計方案

減少停機時間的能力是管理工業(yè)設(shè)施的重要因素。目前，預(yù)測停機時間難度較大且成本非常昂貴。比如，普通汽車制造廠的停機時間可能高達每分鐘22,000美元或每小時130萬美元（來源：先進技術(shù)服務(wù)，2006年：“汽車行業(yè)停機成本：每分鐘22000：調(diào)查。”）。

隨著工業(yè)4.0的出現(xiàn)，工廠的智能化和互聯(lián)性正在日益提高。智能工廠中的機械設(shè)備就能夠采用所連接的無線傳感器節(jié)點的實時數(shù)據(jù)，提前預(yù)測可能發(fā)生的故障，并通知控制系統(tǒng)采取糾正措施，以避免意外的系統(tǒng)停機。累積的數(shù)據(jù)可以用于改進預(yù)測分析，并實現(xiàn)更好的機器預(yù)防性維護。這些進步旨在提高工廠的運營效率，并縮短整體停機時間。

工業(yè)4.0的基礎(chǔ) —— 可操作數(shù)據(jù)實現(xiàn)了從實時傳感到預(yù)測分析等各種功能。因此，持續(xù)、可靠地記錄數(shù)據(jù)至關(guān)重要，尤其是在發(fā)生故障時，這是因為這些數(shù)據(jù)通常是關(guān)鍵信息。此外，需要記錄的數(shù)據(jù)量預(yù)計將會繼續(xù)增加。我們不但需要在傳統(tǒng)工業(yè)系統(tǒng)上進行連續(xù)數(shù)據(jù)采集，還需要在數(shù)千個連接的傳感器節(jié)點上進行連續(xù)的數(shù)據(jù)采集，這些傳感器節(jié)點將遍布于未來智能工廠的各個角落。

為了克服這些挑戰(zhàn)，下一代工業(yè)系統(tǒng)需要高性能非易失性存儲器確?！皵?shù)據(jù)零風(fēng)險”和正常運行與系統(tǒng)故障期間的可靠數(shù)據(jù)備份。為了保證這一數(shù)據(jù)記錄的可靠性，工業(yè)4.0非易失性存儲器需要支持快速寫入、實時非易失性以及接近100萬億次循環(huán)、近乎無限的讀/寫持久性。

工業(yè)數(shù)據(jù)記錄的挑戰(zhàn)

圖 1：可編程邏輯控制器（PLC）模塊圖

工業(yè)控制系統(tǒng)包括自動化、能源管理、過程測量和測試測量等各個環(huán)節(jié)，這些環(huán)節(jié)都需要高性能非易失性數(shù)據(jù)記錄存儲器。在所有這些細分市場中，非易失性存儲器被用于連續(xù)記錄實時系統(tǒng)數(shù)據(jù)。它們還必須能夠在斷電或系統(tǒng)故障的情況下即時捕捉實時系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)。工業(yè)控制系統(tǒng)和無線傳感器節(jié)點的非易失性數(shù)據(jù)記錄存儲器需要滿足不同的需求。我們將通過可編程邏輯控制器和物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點這兩個例子探討工業(yè)控制系統(tǒng)和無線傳感器節(jié)點的挑戰(zhàn)和獨特需求。

用于工業(yè)自動化的可編程邏輯控制器（PLC）在工業(yè)控制系統(tǒng)中十分常見。在PLC中，由非易失性數(shù)據(jù)記錄存儲器捕捉的實時系統(tǒng)數(shù)據(jù)被用于檢測和修復(fù)故障并且防止未來發(fā)生故障。此外，非易失性數(shù)據(jù)記錄存儲器捕捉斷電前的最后系統(tǒng)狀態(tài)。該數(shù)據(jù)對于確保PLC和所有連接的機器在恢復(fù)供電時以安全的操作模式重新啟動至關(guān)重要。如果不具備這一能力，其他機器和周邊環(huán)境中的人員都會面臨潛在風(fēng)險。

在PLC等下一代工業(yè)控制系統(tǒng)中，需要減少用于與外部存儲器連接的微控制器引腳數(shù)量。這一需求推動了從并行到低引腳數(shù)串行接口存儲器的轉(zhuǎn)換。這就是為什么存儲器制造商要為工業(yè)應(yīng)用開發(fā)低引腳數(shù)存儲器。例如，賽普拉斯的Excelon-Ultra專用于工業(yè)控制系統(tǒng)并提供低引腳數(shù)108-MHz QSPI接口。

由于去除電池而帶來的高可靠性，非易失性存儲器優(yōu)于工業(yè)控制系統(tǒng)一般使用的電池備份SRAM。此外，非易失性存儲器通過用單個芯片取代多組件子系統(tǒng)（SRAM +電池+電源管理控制器）降低物料成本并且避免產(chǎn)生與更換電池所需的相關(guān)成本的維護。

圖 2：物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點模塊圖

無線物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點相當(dāng)于智能工廠的眼睛和耳朵。如上文所述，傳感器節(jié)點可以連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)和環(huán)境參數(shù)，然后通知連接的機器或控制系統(tǒng)在需要時采取糾正措施。

無線物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點帶來了與工業(yè)控制系統(tǒng)不同的挑戰(zhàn)。傳感器節(jié)點的外形尺寸很小。此外，它們通常遍布于智能工廠的各處，包括偏遠或難以進入的位置。因此，它們通常由電池或者通過能量采集供電。

因此，傳感器節(jié)點需要外形尺寸很小的非易失性存儲器來連續(xù)記錄實時系統(tǒng)數(shù)據(jù)。它們必須能夠在傳感器節(jié)點的整個生命周期內(nèi)可靠地完成這一任務(wù)，并且盡可能降低功耗。例如，賽普拉斯的Excelon-LP采用約10平方毫米GQFN小型封裝，提供多種省電模式，包括休眠、深度節(jié)點和待機，使開發(fā)人員可以最大限度地延長電池使用時間。

為了進一步減小無線IoT傳感器節(jié)點的尺寸，可以使用非易失性存儲器來實現(xiàn)代碼存儲和數(shù)據(jù)記錄的單芯片方法。在傳感器節(jié)點中，與存儲數(shù)據(jù)所需的內(nèi)存量相比，測量和收集數(shù)據(jù)所需的代碼大小通常較小。因此，具有單獨的代碼存儲器可能會導(dǎo)致存儲器使用率不足，而單芯片方法會更有效。

關(guān)鍵的難點在于，足夠靈活的非易失性數(shù)據(jù)記錄存儲器以根據(jù)應(yīng)用需求對代碼和數(shù)據(jù)的存儲進行分區(qū)。用于存儲代碼的存儲器必須確保系統(tǒng)不會意外寫入用于執(zhí)行代碼的存儲區(qū)域。因此，為了滿足單芯片工藝的要求，非易失性數(shù)據(jù)記錄存儲器需要具備存儲器保護功能。例如，塊保護防止意外寫入開發(fā)人員定義的一系列地址。這使一個存儲器在存儲和保護代碼的同時支持實時數(shù)據(jù)記錄。

鐵電體技術(shù)

非易失性數(shù)據(jù)記錄存儲器的關(guān)鍵是鐵電技術(shù)。鐵電技術(shù)將RAM的高性能和字節(jié)尋址能力與非易失性數(shù)據(jù)存儲相結(jié)合。用于非易失性存儲器的鐵電技術(shù)帶有使用鋯鈦酸鉛（PZT）薄膜的存儲單元。當(dāng)施加電場時，PZT晶體中的中心原子改變位置。中心原子的兩個位置作為存儲器的二進制狀態(tài)存儲一個數(shù)位。當(dāng)電源中斷時，原子位置被保留，從而保護數(shù)據(jù)。其數(shù)據(jù)可靠性也很高，無需任何備用電源就能安全保存數(shù)據(jù)100年之久。

非易失性數(shù)據(jù)記錄存儲器非常高效。其能耗比串行EEPROM低200倍，比NOR閃存低3000倍。這項技術(shù)還提供高數(shù)據(jù)可靠性，讀/寫耐久性達100萬億次（10¹⁴）。相比之下，閃存和EEPROM等浮柵技術(shù)最短在10⁶個周期內(nèi)就會損壞，因此它們不適合頻繁的系統(tǒng)數(shù)據(jù)捕捉。

非易失性數(shù)據(jù)記錄存儲器還可確保工業(yè)系統(tǒng)“數(shù)據(jù)零風(fēng)險”運行。即時存儲數(shù)據(jù)能力可在系統(tǒng)斷電時保護系統(tǒng)不丟失數(shù)據(jù)。EEPROM等技術(shù)通常具有5-10毫秒的頁面寫入延遲，從而使重要的最后時刻系統(tǒng)數(shù)據(jù)產(chǎn)生風(fēng)險。