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淺談F-RAM存儲器在（zài）工業機器人市場的作用

2022-2-17 來源：- 作者：-

工業 4.0 的願景是將智（zhì）能傳感器與工業設備相結合，以提高生產力、提高可（kě）靠性並降低運營成本。這其中許多傳感器將通過無（wú）線方式相互連接（jiē）（例如，通過（guò）網狀配置）或通過傳感器網（wǎng）關。然後（hòu），該網絡將連接到（dào）可以收集、分析和處理數據的雲（yún）。工業物聯網 (IIoT) 與（yǔ）物聯網的不同之處在於設備必須實時執行操作並滿（mǎn）足工業可靠性標準。

　　工業機（jī）器人是一類特殊的工業（yè）設備（bèi），可以高效、準確（què）且可（kě）重複地執行手動任務。自 1960 年代以來（lái），它們一直用於工廠及商（shāng）業設施中。隨著工業 4.0 的到來，這些機器人正在整合智（zhì）能（néng）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（kào）性，同時（shí）降低（dī）總體總擁有成本。當連接（jiē）到雲端時，可以（yǐ）識別所有機器人的操作模（mó）式和趨勢。

　　例如，可以分析故障以創建預測性（xìng）維護算法，當機（jī）器人的操作配（pèi）置記錄文件有錯誤時會觸（chù）發警報（bào）。使得問題能夠在導（dǎo）致設備故障和停機之前（qián）得到解決，從而（ér）最大限度地減少損失。

　　隨著越來越多的工業自動化 OEM 對機（jī）器人技（jì）術進行投資，工業機器人的（de）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 繼續投資於工業機器人（rén）技術，自 2016 年（nián）以來機（jī）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麵臨一係列的問題。隨著這些係統變得越來越複雜，可靠性變得越來越重要。本文將探討以數據日誌的形式從工業機器人收集運行數據的挑戰，包括如何（hé）處理必須收集的數據以及如何在係統故障期間最大限度地減少數據丟失。

　　工業（yè）機器人的複雜性

　　在最基本的形式中，工業（yè）機器人由機械手和控製器組（zǔ）成。機械手，通常被稱為機械臂，可以移動、旋轉和執行（háng）動作。

2. 工業機器人（rén）框圖。

　　每個機器人機械手的（de）各個部分通過機械關節連接，每個關節都（dōu）提供（gòng）一個（gè）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（jīng）度伺（sì）服或步進電機負責的每個軸都（dōu）被限製在（zài）特定的運動範圍內。此外，每個軸以不同的（de）速（sù）度移（yí）動，通常在數據表中以每秒移動的度數列出（chū）。運動範圍越大，關節的最高速度越快（kuài），控製（zhì）運動所需（xū）的精度就越高。對更高協調性（xìng）和精度的需求也增加了需要從（cóng）跟蹤機械手（shǒu）的每個傳感器記（jì）錄的操（cāo）作數據量。

　　從（cóng）可靠性來看，工（gōng）業機器人必須能夠從各種電源事件中恢複（fù），例如斷電。理想情況下，一旦電（diàn）源故障排除，即使係統已重置，機器人也可以從停止的位置立（lì）即恢複操作（zuò）。

　　為此，每台電機都必須（xū）能夠保存關鍵參數和數據狀態，包括機械臂的旋轉角（jiǎo）度和位置（zhì）。同樣，控製器需要維護詳細的控製日誌（zhì），記錄每個軸的操作（zuò）參數，包括（kuò）其命令位置、編碼器值和有效載荷。

　　此外，控（kòng）製器必須保持伺服電機（jī）記錄跟蹤速度、扭矩、電機反饋傳感（即電（diàn）流（liú）、位置、速度）和（hé）運動角度。可（kě）靠地記錄所有這些數據需要某種形式的（de）非易失性存儲器，以便數據不會（huì）因斷電（diàn）而丟失。

　　用於（yú）數據（jù）記錄的非易失（shī）性存儲器

　　在過去的（de）幾十年中，關鍵數據一（yī）直保存在電（diàn）池供電的 SRAM 中。但是，這種方法有很多缺點（diǎn）：

　　需要幾個組件（電池，電源管理控製器），占用更多的 PCB 空間以及增加故障點的數量（liàng）。

　　為避免電池受熱，通常需要在回流工藝之後安裝電池（chí），從而增加了製造成（chéng）本。

　　工業機器人經常暴（bào）露在（zài）振動中（zhōng），這可能導致將電池固定到位（wèi）的連接器（qì）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（gèng）換。

　　電池不符合 RoHS 要求，給廠商帶來了處置問題。

　　由於這些（xiē）原因和其（qí）他原因（yīn），OEM 已（yǐ）轉向非易失性存儲設備（bèi）來替代電池（chí）供電的 SRAM。該表顯示了（le）可供 OEM 使用的一係列（liè）非易失（shī）性存儲器技術。

　　由於 EEPROM 的耐（nài）用性較低，因此大多數應用都可以將其排除在外。工（gōng）業機器人 24/7 全天候（hòu）運行，並且必須記錄大量實時數據。由於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（lì）也有限。但是（shì），閃存的耐用性問題通常（cháng）可以使（shǐ）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（xiàn）超過設定閾值的錯誤時，磨損均衡算（suàn）法會將數據（jù）移（yí）動（dòng）到一個（gè）可靠執行的塊中。

　　磨損均衡通（tōng）過將磨損均勻地分布在閃存中（zhōng），有效地延長了內存的使用壽命。但是，在（zài）整個內存中跟蹤和移動數（shù）據的過程會增加主機 CPU 負（fù）載並引入（rù）寫入操作延遲。

　　使用閃存進行（háng）數據記錄時（shí），最重要的考慮因素可能是它以塊的形式寫入（rù）數據。日誌數據必須收集在緩衝區中，直到（dào）整個塊準備好寫入。磨損均衡算法可能（néng）涉及（jí）在大表中進行基於軟件的查找，然後選擇應寫入數（shù）據的塊。最後，閃存必須（xū）先擦除塊才能寫（xiě）入。

　　隻有完成這些任務後，才能最（zuì）終寫入日誌數據。所有這些因素都會導致實際數據采集與寫（xiě）入直接的長延遲。

　　實時可（kě）靠性

　　如前所述，數據記錄的兩個主要原因是隨時間（jiān）推移的性能分（fèn）析和電源事件恢複。對於這兩個功能，可以說最重要的信（xìn）息都是在發生故障時收集的數據。

　　在電源故障的（de）情況下，數據將用（yòng）於（yú）恢複和恢複工業機器人停止運行的確切位置。對於性（xìng）能（néng）分析，此“最後時刻”數據對於了解故（gù）障（zhàng）前發（fā）生的情況以（yǐ）及可能導致故障發生的原因至關重要（yào）。

　　當係統發生故障或發生電（diàn）源問（wèn）題時，幾乎（hū）沒有時間做出反應（yīng）。使用閃存和 EEPROM，緩衝區中的（de）任何內容都將丟失。然而，這是最重要的（de）數據。寫（xiě）入內存（cún）所需（xū）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（dào）電源故障，係統（tǒng）需要能夠以高精度複位到中斷的位置。否則，此次（cì）加（jiā）工的零件可能要報廢。

　　為了保（bǎo）持具有高可靠性的操作參數和數（shù）據日誌，必（bì）須連續捕獲數據並將其存儲在非易失性存儲器中。出於這個原因，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（yǐ）看出，F-RAM 具有許多優勢（shì），使其成為存儲關鍵操作參數和數據（jù）記錄的（de）首選。

F-RAM 具有 10的14 次（cì）方寫入（rù）周期的耐用性，對（duì）數據記錄應用程序具有無限耐用性。此外，F-RAM不需（xū）要磨損均衡，從（cóng）而（ér）簡化並降低了寫入內存的延遲。

　　F-RAM 是一種不（bú）需要刷新周期的隨機存取存儲器。無需緩衝數（shù）據（jù）塊，因為數據可以立即存儲在非易（yì）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（shí），它會被立即存（cún）儲。

　　數據記錄市場趨勢

　　開發人員必須決定是在主（zhǔ）控製器內集（jí）中記錄數據，還是在每個電機的邊緣記錄數據。如（rú）今，在（zài）電機邊緣側的數據記錄需要高達 1 Mb 的容量，而控製器則需要高達 16 Mb 的容量。

　　對於六軸機器人（rén）控製器（qì）等高（gāo）速應用，英飛（fēi）淩最新一代的非易失性存儲器 Excelon F-RAM 提供更高（gāo）密度的存（cún）儲器和四通道 SPI 接口，以幫助（zhù）提高（gāo）吞吐量。對於數據記錄要求較小的應用，則有（yǒu）密度較低單通（tōng）道SPI的產（chǎn）品。

　　然而，隨（suí）著工業機（jī）器人中軸和傳感器數量的不斷增長，數據記錄的要求隻會擴大（圖 3）。同時，基於（yú）人工智能的性能和（hé）預測性維護算法將需（xū）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（zhe）工業機器人軸數和（hé）傳感器數量的（de）不斷增加，數據（jù）記錄要求將隨著時間的推（tuī）移而增長。

　　影響非（fēi）易失性存儲（chǔ）器密度的另一個趨勢是將（jiāng）記錄功（gōng）能移（yí）到更（gèng）靠近網絡邊緣的位置（zhì）。在每個電機中的高可靠（kào）性和功能安（ān）全的邊緣計算與存儲（chǔ），可以消除將數據發送回主控製器的延遲。

　　許多製（zhì）造商在每個電機上都（dōu）使用微型控製器，其動（dòng）作由主六軸控製器協（xié）調。因此，每個電機都會跟蹤自（zì）己的參數和傳感器。反過來，這（zhè）將使更先進的人工智能和機器學習 (ML) 能力轉移到（dào）邊緣以及單個電機成（chéng）為可能。

　　工業機器人中的其他存儲器

　　除（chú）了數據記（jì）錄存儲器外，工業機器人還在係統中采用了許多其（qí）他存儲（chǔ）器技術，包括將引導代碼存儲（chǔ）為擴展存儲器。隨著工業 4.0 的出現，保（bǎo）護係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（tā）存（cún）儲啟動代（dài）碼、安全密鑰（yào）和（hé）其他對係統正常（cháng）功能（néng）至關重要的關鍵數據。在這方麵，英飛（fēi）淩開發了符合功能安全標準的（de） SEMPER Secure NOR 閃存，並集成了安全功（gōng）能以保護代碼免遭黑客攻擊。

　　機（jī）器人控（kòng）製器的日益複雜性導致許（xǔ）多機器人（rén）控製器（qì）還擁（yōng）有自己的（de）TFT顯示器，以支（zhī）持與技術人員的直接交（jiāo）互以及（jí）遠程控製。對於緩衝數據、音（yīn）頻、圖像和視（shì）頻，或用（yòng）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（yǐn）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（shì）工（gōng）業機器人的基本（běn）功能，可以從故（gù）障和電源事件中恢複，而不會對生產產生負麵影響。通過提供將推動（dòng）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）方麵（miàn）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（wéi）針（zhēn）對工業機器人中（zhōng）高性能數據記錄的非易失性存儲器的強大選（xuǎn）擇。由於F-RAM可（kě）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複，機（jī）器人（rén）可以在複位或故（gù）障之前停止的（de）位置繼（jì）續操作（zuò）。

　　F-RAM 有低密度和高密（mì）度可供選擇，以滿足（zú）不（bú）同應用的要求。這也使開發人員能夠靈活地滿足（zú）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（yuán）。

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