FPGA在工控系统解决方案与应用
- 阚大成
-
虽然目前的工控系统大多数仍是以DSP为主流，但茂纶产品应用副理张永政认为，FPGA未来在工控系统领域，仍是大有可为。如在智能电网方面，虽然早在十几年前就已推出，但因应目前的市场需求，必须设法变得更智能，许多个别的装置要走自主智能的设计路线，许多设备设计方面的要求，就让FPGA有相当大的发挥空间。
为了因应智能化趋势，所可能衍生的传输带宽需求，依照目前10M/100M Ethernet带宽势必不敷使用，欧洲目前针对变电所自动化，也制定IEC 61850的规范，希望能藉由标准的统一，达到不同厂牌设备间能相互的通讯，以达到更智能的效果，其中除了设备要求必须有高可靠度外，还需要有冗余的功能，IEC 62439-3规范就制定了冗余的方案之一，Altera与Flexibilis公司针对IEC 62439-3需求，提出相对应HSR/PRP解决方案，并且能支持10M/100M/1G Ethernet。
此外，产品生命周期必须要很长，而目前Altera FPGA有些超过10年以上的产品，都还在出货，除此业者也需要设备商能有很强的服务能力，提供相对应的方案。而目前的变电所设计，有些设备是在室外的环境，所以针对机壳温度都有一定要求，此时产品的能耗要低，才不会产生过多的热能，而导致当机，而影响变电站运作。
目前最大的挑战在于，业者必须提供兼顾节能及高效的产品，但成本同时还要降低；此外，设计还要灵活有弹性，因应通讯协定的多样化，产品生命周期要长等，以上都是FPGA产品的强项。
目前针对智能电网变电站的自动化，设备需求高可靠性无缝冗余(HSR)和平行冗余通讯协定(PRP)参考设计等，也正是FPGA产品能发挥功能的强项。
Altera与Flexibilis 提出HSR/PRP解决方案有多种的型态，针对底层的智能电子装置有HSR End-Node，也可藉由HSR RedBox 将非HSR node连结到HSR网络中，HSR QuadBox则可以将两个HSR的网络相互连结，此外也支持 PRP RedBox与DANP，可以在不用担心一方断线的前提下，数据依旧不会中断，送回主站做处理。
值得注意的是，很多有意导入PRP/HSR交换器解决方案的业者，所在意的成本，Altera已经将Flexibilis的专利费用加以摊提的方式，客户初步开发此方案时，不须立即负出大笔的IP License费用，一方面可以减轻客户的开发成本，另一方面可以大幅降低业者开发的风险，可望提升导入意愿。
另一个FPGA较有优势的领域，则是针对Industrial Ethernet 应用。目前FPGA的方案主要应用在Slave端，因为工厂自动化需求快速上扬，就算一开始就采用Ethernet的通讯方式，许多不同业者推出的自有产品，往往会搭配自家的通讯协定，导致厂商针对从站设备往往需要能支持多种的通讯协定，才能与不同主站达成沟通，所以往往相同的从站却因为通讯的协定，而制定多种的板卡以达到解决方案，也造成管理上的困扰。
Altera目前已将七种Ethernet协定整合在一起，包含Profinet RT/IRT，EtherCAT，Ethernet Powerlink，ModBus/TCP，Ethernet/IP(soft/hard DLR) and Profibus DP，因为FPGA可以采用程序化逻辑，所以可以在产品出厂时，再将产品板卡上的FPGA决定是要支持哪一种工业用Ethernet解决方案再进行烧录而达到一卡支持多种通讯协议的解决方案。
最后一个FPGA可以发挥的领域，则是Drive On Chip，其中又比较偏重在Motor Control。张永政指出，Motor Control目前还是比较常放到DSP，但目前已有客户考虑采用FPGA，除了开发自有的演算法，增进产品效能外，对于公司智财的保护则是更重要的一环，未来市场的消长状况，还有待观察。
