淺談F-RAM存儲器在工業機器人市場的作用
2022-2-17 來源：- 作者：-
工業 4.0 的愿景是將智能傳感器與工業設備相結合，以提高生產力、提高可靠性并降低運營成本。這其中許多傳感器將通過無線方式相互連接（例如，通過網狀配置）或通過傳感器網關。然后，該網絡將連接到可以收集、分析和處理數據的云。工業物聯網 (IIoT) 與物聯網的不同之處在于設備必須實時執行操作并滿足工業可靠性標準。
工業機器人是一類特殊的工業設備，可以高效、準確且可重復地執行手動任務。自 1960 年代以來，它們一直用于工廠及商業設施中。隨著工業 4.0 的到來，這些機器人正在整合智能和新功能，使智能工廠成為可能。
除了在執行任務時更加靈活之外，工業機器人還能夠收集和分析有關自身的數據，以提高生產力、服務質量和可靠性，同時降低總體總擁有成本。當連接到云端時，可以識別所有機器人的操作模式和趨勢。
例如，可以分析故障以創建預測性維護算法，當機器人的操作配置記錄文件有錯誤時會觸發警報。使得問題能夠在導致設備故障和停機之前得到解決，從而最大限度地減少損失。
隨著越來越多的工業自動化 OEM 對機器人技術進行投資，工業機器人的增長仍在繼續。自 2016 年以來，機器人行業以每年 7.6% 的速度增長（CAGR）。
1. OEM 繼續投資于工業機器人技術，自 2016 年以來機器人行業以每年 7.6% 的速度增長（CAGR），即使將 COVID-19 考慮在內。
未來幾年，工業機器人的開發者將面臨一系列的問題。隨著這些系統變得越來越復雜，可靠性變得越來越重要。本文將探討以數據日志的形式從工業機器人收集運行數據的挑戰，包括如何處理必須收集的數據以及如何在系統故障期間最大限度地減少數據丟失。
工業機器人的復雜性
在最基本的形式中，工業機器人由機械手和控制器組成。機械手，通常被稱為機械臂，可以移動、旋轉和執行動作。
2. 工業機器人框圖。
每個機器人機械手的各個部分通過機械關節連接，每個關節都提供一個運動軸。一個典型的機械手有六個活動關節或六個運動軸。
由高精度伺服或步進電機負責的每個軸都被限制在特定的運動范圍內。此外，每個軸以不同的速度移動，通常在數據表中以每秒移動的度數列出。運動范圍越大，關節的最高速度越快，控制運動所需的精度就越高。對更高協調性和精度的需求也增加了需要從跟蹤機械手的每個傳感器記錄的操作數據量。
從可靠性來看，工業機器人必須能夠從各種電源事件中恢復，例如斷電。理想情況下，一旦電源故障排除，即使系統已重置，機器人也可以從停止的位置立即恢復操作。
為此，每臺電機都必須能夠保存關鍵參數和數據狀態，包括機械臂的旋轉角度和位置。同樣，控制器需要維護詳細的控制日志，記錄每個軸的操作參數，包括其命令位置、編碼器值和有效載荷。
此外，控制器必須保持伺服電機記錄跟蹤速度、扭矩、電機反饋傳感（即電流、位置、速度）和運動角度。可靠地記錄所有這些數據需要某種形式的非易失性存儲器，以便數據不會因斷電而丟失。
用于數據記錄的非易失性存儲器
在過去的幾十年中，關鍵數據一直保存在電池供電的 SRAM 中。但是，這種方法有很多缺點：
需要幾個組件（電池，電源管理控制器），占用更多的 PCB 空間以及增加故障點的數量。
為避免電池受熱，通常需要在回流工藝之后安裝電池，從而增加了制造成本。
工業機器人經常暴露在振動中，這可能導致將電池固定到位的連接器出現機械故障，從而降低整體可靠性。
電池需要進行維護和更換。
電池不符合 RoHS 要求，給廠商帶來了處置問題。
由于這些原因和其他原因，OEM 已轉向非易失性存儲設備來替代電池供電的 SRAM。該表顯示了可供 OEM 使用的一系列非易失性存儲器技術。
由于 EEPROM 的耐用性較低，因此大多數應用都可以將其排除在外。工業機器人 24/7 全天候運行，并且必須記錄大量實時數據。由于這些機器人可能會連續運行多年，EEPROM 最終會磨損，因此不是一個可行的選擇。
Flash 的續航能力也有限。但是，閃存的耐用性問題通常可以使用在主機處理器上的磨損均衡軟件技術來解決。當一個塊開始出現超過設定閾值的錯誤時，磨損均衡算法會將數據移動到一個可靠執行的塊中。
磨損均衡通過將磨損均勻地分布在閃存中，有效地延長了內存的使用壽命。但是，在整個內存中跟蹤和移動數據的過程會增加主機 CPU 負載并引入寫入操作延遲。
使用閃存進行數據記錄時，最重要的考慮因素可能是它以塊的形式寫入數據。日志數據必須收集在緩沖區中，直到整個塊準備好寫入。磨損均衡算法可能涉及在大表中進行基于軟件的查找，然后選擇應寫入數據的塊。最后，閃存必須先擦除塊才能寫入。
只有完成這些任務后，才能最終寫入日志數據。所有這些因素都會導致實際數據采集與寫入直接的長延遲。
實時可靠性
如前所述，數據記錄的兩個主要原因是隨時間推移的性能分析和電源事件恢復。對于這兩個功能，可以說最重要的信息都是在發生故障時收集的數據。
在電源故障的情況下，數據將用于恢復和恢復工業機器人停止運行的確切位置。對于性能分析，此“最后時刻”數據對于了解故障前發生的情況以及可能導致故障發生的原因至關重要。
當系統發生故障或發生電源問題時，幾乎沒有時間做出反應。使用閃存和 EEPROM，緩沖區中的任何內容都將丟失。然而，這是最重要的數據。寫入內存所需的時間越長，丟失關鍵數據的風險就越大。考慮一個在昂貴部件上運行的高精度機器人。如果機器人遇到電源故障，系統需要能夠以高精度復位到中斷的位置。否則，此次加工的零件可能要報廢。
為了保持具有高可靠性的操作參數和數據日志，必須連續捕獲數據并將其存儲在非易失性存儲器中。出于這個原因，機器人開發者正在轉向鐵電隨機存取存儲器 (F-RAM)。從表中可以看出，F-RAM 具有許多優勢，使其成為存儲關鍵操作參數和數據記錄的首選。
F-RAM 具有 10的14 次方寫入周期的耐用性，對數據記錄應用程序具有無限耐用性。此外，F-RAM不需要磨損均衡，從而簡化并降低了寫入內存的延遲。
F-RAM 是一種不需要刷新周期的隨機存取存儲器。無需緩沖數據塊，因為數據可以立即存儲在非易失性存儲器中。此外，F-RAM 的隨機存取特性消除了內存分頁帶來的延遲。當數據被捕獲時，它會被立即存儲。
數據記錄市場趨勢
開發人員必須決定是在主控制器內集中記錄數據，還是在每個電機的邊緣記錄數據。如今，在電機邊緣側的數據記錄需要高達 1 Mb 的容量，而控制器則需要高達 16 Mb 的容量。
對于六軸機器人控制器等高速應用，英飛凌最新一代的非易失性存儲器 Excelon F-RAM 提供更高密度的存儲器和四通道 SPI 接口，以幫助提高吞吐量。對于數據記錄要求較小的應用，則有密度較低單通道SPI的產品。
然而，隨著工業機器人中軸和傳感器數量的不斷增長，數據記錄的要求只會擴大（圖 3）。同時，基于人工智能的性能和預測性維護算法將需要以更高的精細度訪問更廣泛的參數，從而增加必須收集和存儲的數據總量。
3. 隨著工業機器人軸數和傳感器數量的不斷增加，數據記錄要求將隨著時間的推移而增長。
影響非易失性存儲器密度的另一個趨勢是將記錄功能移到更靠近網絡邊緣的位置。在每個電機中的高可靠性和功能安全的邊緣計算與存儲，可以消除將數據發送回主控制器的延遲。
許多制造商在每個電機上都使用微型控制器，其動作由主六軸控制器協調。因此，每個電機都會跟蹤自己的參數和傳感器。反過來，這將使更先進的人工智能和機器學習 (ML) 能力轉移到邊緣以及單個電機成為可能。
工業機器人中的其他存儲器
除了數據記錄存儲器外，工業機器人還在系統中采用了許多其他存儲器技術，包括將引導代碼存儲為擴展存儲器。隨著工業 4.0 的出現，保護系統免受網絡威脅的需求激增。
黑客的主要目標之一是閃存設備，它存儲啟動代碼、安全密鑰和其他對系統正常功能至關重要的關鍵數據。在這方面，英飛凌開發了符合功能安全標準的 SEMPER Secure NOR 閃存，并集成了安全功能以保護代碼免遭黑客攻擊。
機器人控制器的日益復雜性導致許多機器人控制器還擁有自己的TFT顯示器，以支持與技術人員的直接交互以及遠程控制。對于緩沖數據、音頻、圖像和視頻，或用作數學和數據密集型運算的暫存器，HyperRAM則非常適合作為工業顯示器的擴展存儲器。它在低引腳數串行 HyperBus 接口上具有高達 800MB/s 的傳輸率。
結論
數據記錄是工業機器人的基本功能，可以從故障和電源事件中恢復，而不會對生產產生負面影響。通過提供將推動這些應用程序創新的數據，數據記錄在啟用新興 AI 和 ML 功能（例如預測性維護）方面也發揮著重要作用。
F-RAM 的無限耐用性與其實時性、非易失性、高吞吐量和可靠的數據捕獲相結合，使其成為針對工業機器人中高性能數據記錄的非易失性存儲器的強大選擇。由于F-RAM可以保證在電源事故期間數據丟失最少，因此可以執行高精度恢復，機器人可以在復位或故障之前停止的位置繼續操作。
F-RAM 有低密度和高密度可供選擇，以滿足不同應用的要求。這也使開發人員能夠靈活地滿足下一代機器人不斷變化的需求，因為 AI 和 ML 功能越來越接近邊緣。
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