构建适用于工业 4.0 的 PLC

 

可编程逻辑控制器 (PLC) 是工厂控制网络的核心。它们围绕应用处理器进行配置,这些处理器运行工厂控制软件以及所有主机通信协议堆栈。除了处理器,PLC 体系结构需要支持多种专用外设、背板和通常采用 FPGA 实现的其他自定义接口。

Altera SoC 提供了独特的平台,支持您在一个器件中同时实现应用处理器和 FPGA。

使用 Altera SoC 驱动片上 PLC

您可以通过将处理器、FPGA 和外设等其他所需的功能集成在 Altera SoC 中,从而降低了系统功耗和成本,减小了电路板面积。为帮助您在一个芯片中迅速开发集成了人机界面 (HMI) 设计的完整 PLC,Altera 与以下公司合作:

  • 3S-Smart Software Solutions GmbH — 领先的 PLC 软件开发商
  • EXOR International — HMI 开发领导者
  • Barco-Silex — 安全和加密 IP 领导者

该解决方案是 PLC 的一种单芯片实现,使用集成的 HMI 和通过 OPC-UA 建立的安全企业连接,包括 FPGA 架构的 SSL 加密(与基于处理器的实现相比,速度提高了 4 倍)。

 

在一个芯片上,Altera SoC 作为 PLC 来实现

一片 Altera SoC 能够:
  • 通过同步多重处理 (SMP) 或异步多重处理 (AMP) 模式的 SoC 双核 ARM® Cortex®-A9 处理器,运行 PLC 应用软件、以太网主机协议堆栈和运动控制软件
  • 使用 SoC 的硬核处理器系统 (HPS),实现 PLC 系统处理器需要的大部分外设,包括 USB、CAN、以太网、定时器和 UART
  • 使用 FPGA 架构,实现多端口以太网交换机和 TCP/IP 卸载等特殊外设
  • 实现 FPGA 架构的人机界面 (HMI)
  • 在通过 OPC-UA 连接到企业的 SoC 上实现 IoT 云服务器
  • 为 FPGA 架构的 Open SSL 实现 Crypto 加速引擎


适用于工业 4.0 基于云的单芯片 PLC

丰富的人机界面 (HMI)(包括 3-D 图形用户界面 (GUI) 以及触摸屏)普遍存在于现今的 PLC 设计中,方便操作和维护、培训操作人员、提供信息和确保安全。设计用于 HMI 操作的单独应用处理器具有高昂的组件成本,并且在芯片到芯片数据通信方面存在浪费,导致 HMI 处理器和 PLC 处理器之间产生延迟。使用 SoC 的硬核处理器系统 (HPS) 可以缓解这些问题,但是在处理器周期方面存在浪费,需要执行高性能图形。

FPGA 架构的 HMI 减轻硬核处理器系统的负载

Altera HMI 解决方案利用独一无二的 FPGA 架构硬核处理器系统。该方法不仅可将 HMI 集成与 PLC 相同的 SoC 中,而且还可以通过完全在 FPGA 架构中执行图形加速和触摸屏功能将 HPS 从 HMI 相关的图形计算中释放。

使用 CODESYS 集成的拖放符号库

Exor International 以 JMobile Studio Graphics Editor 形式为 Altera Cyclone V SoC 提供的 Altera HMI 解决方案直接与 3S Software GmbH 的 CODESYS PLC 集成,并提供了丰富的符号库,实现拖放 HMI,构建高效的图形界面,从而有效地表达信息,便于使用集成的 CODESYS PLC 和 HMI 开发过程控制应用程序。

此外,以 FPGA 架构实现的 Altera HMI 解决方案还支持以下功能:

  • 主动矩阵型显示屏刷新(TFT、Plasma、AMOLED)
  • 显示屏通电顺序控制
  • 32x32 至 8192x4096 显示分辨率,高达 16,777,216 色
  • 8、16 或 24 位数据输出
  • 多帧缓冲区
  • 内部像素时钟发生器
  • RGB8、RGB16、RGB32、ARGB32 帧缓冲区格式
  • 多层窗口和叠加图像程序集
  • 每层的可变帧缓冲区几何形状
  • 使用颜色键透明度的标准叠加
  • 每层衰减的 Alpha 混合
  • 支持 Alpha 蒙板层
  • 支持背光控制和调光

 

OPC 是用于工业自动化领域和其他行业安全、可靠交换数据的互操作性标准。它是独立的平台,可在多个供应商的器件之间确保无缝的信息传输。OPC 基金会负责该标准的开发和维护。OPC 统一架构 (UA) 发布于 2008 年,是独立于平台、面向服务的架构,将单独 OPC Classic 规范的所有功能集成到一个可扩展的框架。

Altera 合作伙伴 Exor International 提供的 Altera 单芯片 PLC 设计将 PLC、HMI、网关和云服务器集成在单片 Altera Cyclone V SoC 中,通过 OPC-UA 与企业安全通信。使用 Altera 合作伙伴 Barco-Silex 提供的加密加速 IP 通过 Open SSL 实现安全和加密。

将安全置于您的 PLC 应用程序中,易于集成 Altera 合作伙伴 Barco-Silex 的安全和加密 IP 内核。基于 FPGA 架构的实现提供高性能和增强的安全性,同时可扩展的 IP 内核区域能够实现量身定制,以满足自定义的需求。

适用于 Cyclone V SoC 的 BARCO 安全 SoC 解决方案提供:

  • 适用于自定义操作系统或裸机编程的 API
  • Linux 内核驱动程序
  • OpenSSL 集成
  • 硬件加速
  • 对称:AES、SHA、DES
  • 公钥:RSA、ECC
  • 真随机数发生器
  • 方便集成的 AXI 接口

与基于处理器的加密相比,基于 Altera FPGA 架构的安全 IP 实现使性能提升高达 4 倍,为安全 M2M 和企业通信实现明显更高的带宽利用率。