Altera® FPGAs で産業用オートメーションのエッジからクラウドまで革新
Altera FPGAsにより、産業界は安全で信頼性の高い最適化された設計を開発することができます。
Altera® FPGAs で業界の課題を解決
Alteraは、産業用オートメーションにおけるエッジからクラウドまでのイノベーションを実現するソリューションを提供します。当社のFPGAsにより、産業界は安全で信頼性が高く、最適化された設計を開発できます。人工知能、エッジコンピューティング、ロボット工学などの多様なアプリケーションユースケースに対応し、FPGAsおよびARMコア統合SoCデバイス、ツール、IP、リファレンスソリューションなどを幅広く提供しています。
スマートエネルギー
スマートエネルギー・アプリケーションにおける FPGA の使用は、パフォーマンスの向上、フレキシビリティー、リアルタイムプロセシング、エネルギー効率、統合機能、スケーラビリティー、セキュリティーの強化などのメリットをもたらします。これらの利点は、サステナブルで最適化されたエネルギーの生成、分配、消費をサポートできる効率的で信頼性の高いインテリジェントなエネルギーシステムの開発に貢献します。
輸送車両が電化されるにつれて、燃料消費から電気エネルギー消費、電力コンバーターの効率とコストに切り替わります。DC 急速充電 (DCFC) テクノロジーは、ステーション内で充電が完全に実行されるレベル 3 EV 充電ステーションで使用され、DC 電源を使用し、わずか 30 分で完全に EV を充電できます。
FPGA は、非常に高い周波数でカスタムデジタル制御を可能にする点でユニークです。受動コンポーネントのサイズとコストを削減し、AC/DC 電源変換で損失する電力を最小限に抑えるのに役立ちます。
FPGA は、バッテリー管理もサポートします。AC 電源による充電とは異なり、DC の高速充電は EV バッテリーに過負荷をかけるリスクがあり、経時的な劣化や航続距離の損失が発生します。FPGA は、全部のセルに負荷を均等に配分するために必要なコンピューティングを提供し、劣化の可能性を排除し、バッテリーに長寿命を提供することで、バッテリーと BMS をサポートします。
信頼性と効率に優れ、コストを抑えたソーラーまたは太陽光発電 (PV) システムを製造することは、ソーラーエネルギーの競争力を高めるために重要です。この要件を満たすソーラー・インバーター・アーキテクチャーを設計するにあたっては、以下の課題があります。
- 増大する電力ニーズに対処するために、集中発電とともに分散された再生可能エネルギー源を供給するための信頼性と長い耐用年数。
- 3 レベル IGBT や広帯域ギャップ SiC-FET などの高度な制御アルゴリズムと電力トポロジーを利用した効率の向上と単位コストの削減
- 電力品質のモニタリングと制御を含むその地域のグリッドコードへの準拠。
従来の PV インバーター・アーキテクチャーは、MPPT (最大電力点追尾) / DC-DC 制御用の DSP、DC-AC 制御用の FPGA、およびシステム通信処理用の MCU で構成されていました。DSP 制御ループ、DC-DC、DC-AC 変換、および通信をすべて 1 個のデバイスに統合することにより、これら 3 つのシステム・コンポーネントを 1 つの Altera FPGAに集約することができます。
電力の分散化と電力グリッドの管理は変革期を迎え、以下の理由で新しいテクノロジーによるアプローチの焦点となっています。
機器の老朽化。
分散型エネルギー資源 (DER) は、例えば、電力をグリッドにフィードバックし、ガレージで電気自動車を充電するソーラーパネルの数が増えているため、グリッドの不安定化の原因になります。
電力品質のモニタリングと制御を含むその地域のグリッドコードへの準拠。
信頼性、設備投資/運用コストの削減、不動産コストの削減を求める公益事業。
ベンダーロックインを回避するための公益事業による機器標準化。
Altera FPGAsは、新たに変化する電力グリッドに最適です。冗長ネットワークでリアルスイッチング要件を満たします。インテルの FPGAs は、HSR/PRP 冗長化および進化する HSR/PRP 規格による Gbps イーサネット・トラフィック・パフォーマンス要件を満たします。
スタートガイド
三相ブースト双方向 AC/DC コンバーター
このデザイン例は、EV 充電向け 三相ブースト双方向 AC/DC コンバーターの実装を示しています。このリファレンス・デザインのターゲットデバイスは、インテル® MAX® 10 および Cyclone® V SoC FPGA 開発キットです。
MAX® 10 DC-DC コンバーター
デザイン例は、可変電圧制御 (VVC) でハイブリッド DC-DC コンバーターを制御できるデジタルコントローラーを示しています。このデザインでは、DSP Builder for FPGAs (アドバンスト・ブロックセット) を使用して、VHDL 制御のシミュレーションと合成を行います。このデザインは、MAX 10 FPGA 開発ボードを対象としています。
FRS (Flexibilis 冗長スイッチ)
FRS は、HSR/PRP 機能を提供する IP コアで、3~8 ポートレイヤー 2 スイッチを 3 種類の速度 (1Mbps/10Mbps/1Gbps) でサポートします。TTTech から評価キット、ユーザーマニュアル、リファレンス・デザインにアクセスできます。
ロボティクス
FPGA はロボットアプリケーションに、低レイテンシー、機能安全、決定論的コンピューティング、接続などのメリットをもたらします。AMR、AGV、6 軸ロボットアームなどのスタティック・ロボットとモバイル・ロボットをサポートします。いくつかのロボットソリューションを提供しています。
産業現場では、ロボットの普及が進む一方です。超高速産業用ロボットは、組立、溶接、ピックアンドプレースなどの困難で危険なタスクを処理します。協働ロボットまたはコボットは、人間と一緒に作業し、機能的に安全な環境が必要です。自律移動ロボット (AMR) は、多くが視覚誘導型で、個別で、またはクラウド制御された群れとして機能します。
Altera FPGAsは、以下を通じて産業用ロボットのニーズを提供します。
- 決定論コンピューティング: ロボット工学に精度と多軸運動制御のメリットをもたらし、材料費のコストを大幅に削減し、レイテンシーを削減して精度を向上させます。
- 接続性: タイムセンシティブ・ネットワーキング (TSN) は、単一ロボットの複数軸間や複数ロボット間の調整を取ります。
- 機能安全: 機能安全データパッケージ (FSDP) およびテュフ ラインランド認証の CAT3 PLD Safety Conceptは、FuSa機能を提供します。顧客の認証サイクルを圧縮することで、市場投入までの時間を短縮します。
安川電機: ロボットコントローラーにインテル® FPGA を搭載
安川電機の高性能ロボットコントローラにAltera FPGAsを搭載し、サーボ制御や機能安全を実現しています。
Veo Robotics: FreeMove 3D 保護システム
Veo Robotics は Altera FPGAs を使用して、柔軟な人間とロボットのコラボレーションを実現する Veo FreeMove* 3D 防護システムを実現しています。
スタートガイド
Agilex™ 5 FPGA ドライブオンチップデザイン例
DSP Builder モーターモデルを含む、クラス最高の制御 / ループ周波数を備えた多軸モーター制御向けのこの長年の実績あるリファレンス・デザインが、Agilex 5 で利用できるようになりました。
Agilex™ 5 FPGA ドライブオンチップ、機能安全設計例
このデザインは、Agilex™ 5 SoC デバイスを使用して、IEC 61508 SIL 2 および ISO 13849 Cat 3 PLd 安全認証の取得を実証します。この設計は、TÜV Rheinland Cyclone V SoC FPGA Cat 3 PLd および SIL 2 の安全コンセプトに基づいています。
Agilex® 7 FPGA ドライブ・オン・チップのデザイン例
このドライブオンチップ・モーター制御リファレンス・デザインは、Agilex™ 7 デバイス上のインテグレーテッド・ドライブ・システムです。最大2つの三相永久磁石同期モーター(PMSM)またはブラシレスDC(BLDC)モーターの同期制御を示します。この設計は、他のモータータイプに適合させることができます。
Agilex™ 7 FPGA 安全なドライブオンチップのデザイン例
このデザインは、既存の Agilex™ 7 デバイス向けドライブオンチップ・デザイン例を拡張します。これには、Agilex™ 7 SoC デバイスが、TÜV Rheinland が承認した Cyclone V SoC FPGA 安全コンセプトに基づいて、Agilex™ 7 SoC デバイスが IEC 61508 SIL 2 または ISO 13849 Cat 3 PL d 安全認証をどのように達成できるかを示す安全機能が含まれています。
Cyclone® V および MAX® 10 FPGA ドライブ・オン・チップのデザイン例
このドライブ・オン・チップ・モーター制御リファレンス・デザインは、Cyclone V SoC または MAX 10 FPGA 上のインテグレーテッド・ドライブ・システムです。単軸および多軸磁界方向制御 (FOC) を実装し、最大 4 つの永久磁石同期モーターの同時制御をサポートします。
マシンビジョンと AI
FPGA は、確定的な低レイテンシーでデータの直接取り込み、パイプライン化された画像処理、AI 実装を可能にします。
マシンビジョン技術は急速に進化しており、より高い画像解像度、より高いフレームレート、新しいインターフェイスの採用、および AI の採用を達成しています。
マシンビジョンに使用されるカメラやその他の機器は、画像信号処理 (ISP)、ビデオ・トランスポート、フォーマット変換、解析などのさまざまなタスクを実行します。カメラセンサーのテクノロジーは進化のスピードが速く、人工学習やディープラーニングによるビデオ分析が進む中で、Altera FPGAs は次世代のマシンビジョンカメラ、フレームグラバー、ビジョンコントローラーにおいて重要な役割を果たしています。
- 各種画像センサーおよび MV システムデバイスとのインターフェイスを備えた柔軟性。
- 高速処理: 欠陥ピクセル補正、ガンマ補正、ダイナミック・レンジ補正、ノイズ・リダクションなどの機能を備えた完全な画像センサー・パイプライン (ISP) を搭載。
- FPGA ベースの畳み込みニューラル・ネットワーク (CNN) 推論アクセラレーターを実装する AI ディープラーニングのフレームワーク、モデル、トポロジーをサポートします。
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浜松ホトニクス: ハイパフォーマンス産業用カメラ
浜松ホトニクスは、リアルタイムの画像処理機能と高帯域幅インターフェイスにより、高性能 ORCA-Quest* 科学カメラと新しい X 線食品検査システムに Arria® 10 および Cyclone® 10 FPGA を採用しました。
Critical Link LLC: MityCAM
Critical Link LLCはAltera USB3ビジョンインターフェースを備えたキヤノン5MPイメージセンサー用のMityCAMカメラ評価キットにFPGA AIスイートを統合しています。また、Arria® SoC FPGAを使用して、物体検出、画像処理ワークロード、センサー / ディスプレイ・インターフェイスをすべて 1 つのチップで実行します。
画像信号処理 (ISP) デザイン例入門
Altera FPGA IP コアのコレクションで、高度なカメラ製品を作成できます。これらの IP コアは、カスタマイズされたリアルタイム、低レイテンシーの画像およびビデオ処理、豊富なプログラミング・インターフェイス (API) と標準インターフェイスの使いやすさにより、ISP 製品の市場投入までの時間を短縮するプラグアンドプレイ・プロセスを可能にします。
スマート・マニュファクチャリング
FPGA は、センサー、アクチュエータ、マシンラーニング・アルゴリズムなどのさまざまなコンポーネントとシステムのシームレスな統合を可能にし、スマート製造環境におけるインテリジェントな意思決定、予測メンテナンス、適応制御を促進します。
モーターおよびドライブ装置は、製造、組み立て、包装、ロボット工学、CNC (コンピューター数値制御)、工作機械、ポンプ、産業用ファンなど、多種多様な産業プロセスに利用されています。これらのモーターによって駆動される装置は、産業用電力消費量の 3 分の 2 以上を占めており、その運転効率は工場の利益に直結します。
Altera FPGAs と SoC FPGAsを使用してモーター制御およびモーター制御システムを設計すると、以下の特長により、設計資産保有の総コストを大幅に削減できます。
- システム・インテグレーション: 産業用ネットワーキング、機能安全、エンコーダー、電力ステージ・インターフェイス、およびデジタル信号処理 (DSP) 制御アルゴリズムを 1 つのデバイスに統合することで、部品数 (BOM)、消費電力、信頼性の課題を削減します。
- スケーラブルなパフォーマンス: 製品ライン全体で 1 つのスケーラブルなプラットフォームを使用できます。より高速かつ高度な確定的制御ループによってパフォーマンスの向上を実現します。
- 機能安全: 機械指令 IEC61508 安全規格準拠デバイスとツールで、コンプライアンスの時間と労力を削減します。
プログラマブル・ロジック・コントローラー(PLC) は、産業プロセスのオートメーションを制御するために使用される産業コンピューターです。PLC は、過酷な工場条件に耐え、さまざまな産業プロセスのリアルタイムの監視と制御を行うようにデザインされたコンピューターベースのソリッドステート・デバイスです。
PLC は、ほとんどすべての産業プロセスで広く使用されていますが、現在のシステムは通常、クローズド・システムとして特定のドメイン向けに最適化されています。インダストリー 4.0 による、ネットワーク上の複数のドメインにわたるオートメーションのさらなる推進により、ワークロードの統合を可能にするソフトウェア機能として、PLC は、より大きなコンピューティング・プラットフォーム (エッジ・コンピューターなど) に統合されています。
FPGAs は、I/O 拡張、産業用イーサネット、およびフィールドバス通信デバイスに一般的に使用され、PLC の確定的で低レイテンシーな並列計算を可能にします。また、一部の PLC がセーフティクリティカルなアプリケーションに使用されるように、FPGA は機能安全に使用されます。インテルとそのパートナーは、さまざまな IP コア、安全認定 SKU、機能安全データ・パッケージを提供します。
インテルおよび TTTech の TSN ソリューション
IEEE 802.1 TSN は、さまざまなベンダーの産業ハードウェアおよびソフトウェア・ソリューションの混合とマッチングを可能にし、リアルタイムの確定的な接続を提供します。
Altera と TTTech Industrial Automation AG は、ライセンス料金の前払い、ユニットごとのロイヤルティー報告、および長期にわたる交渉を必要としない、すぐに使用可能なソリューションを提供します。
インテル® FPGA 向け TTTech TSN IP ソリューションは、次のサポートを提供します。
3/5 ポート 10/100/1000 Mbit/s スイッチ・エンドポイント
IEEE 802.1 AS、IEEE 802.1 CB、Qbv、Qbu、Qcc
Linux* カーネル 4.14 LTS
- カットスルーと保存と転送
Altera と Softing による産業用イーサネット・ソリューション
Alteraと Softing Industrial Automation 社は、従来の産業用イーサネットを設計にシームレスに統合するために、ライセンス料金の前払い、ユニットごとのロイヤルティー報告、および長期にわたる交渉を必要としない、すぐに使用可能なソリューションを提供します。
このソリューションは、Profibus、Profinet、EtherCAT、EtherNet/IP、Modbus プロトコルを含みます。ライセンスの付与は、ブート時に FPGA にロードされたプロトコル IP のロックを解除する外部セキュリティー CPLD を使用して追跡されます。
Exor エンベデッド SoM (システム・オン・モジュール)
Exor は、堅牢な品質と長いライフサイクルのサポートにより、製造ユースケースでの使用がすでに実証されている TSN およびブラウンフィールドプロトコル向けのAltera FPGAベースの本番環境に導入可能な SoM および RRK を提供しています。
ISO 13849-1 カテゴリー3 PLd
テクニカル・セーフティー・コンセプトが、TÜV Rheinland によるレビューと承認を受け、ISO 13849-1 および IEC 61508 SIL 2 に基づくカテゴリー 3 PL d 相当のリスク低減を実現した方法を説明します。工業プロセスオートメーションおよび機械安全アプリケーション向けの Cyclone® V SoC FPGAと外部セーフティロジック (ESL) デバイスの例を使用して、Altera SoC FPGAに基づくシステムの可能な実装を示します。
機能安全データ・パッケージ (FSDP)
ツールやデバイスの認証と、認定された安全整合性レベル 3 (SIL3) 機能安全データ・パッケージのガイダンスを使用して、開発者は、IEC 61508 の開発時間を短縮し、多くのセーフティクリティカルな産業アプリケーションで認証リスクを削減できます。
さらに、セーフティー・セパレーション・デザイン・フローは、デザイン全体の再認証の必要性を抑えながら、アップグレードとバグ修正を迅速に完了する FPGA の利点を保持します。
NewTec の SafeFlex セーフティーリファレンス・ボード
SIL3 までの IEC 61508 認証および IEC 13849 PLe Cat 4 を必要とするセーフティー・デザインにおけるお客様の設計作業をさらに削減するため、Alteraと NewTec は提携して SafeFlex 機能安全リファレンス・ボードを開発しました。
FPGA で半導体製造装置を機能強化
このホワイトペーパーではAltera FPGAsをマスクライターおよび表面検査ツールに統合して、機械の性能を向上させ、世界中のファウンドリがチップ需要を満たすのを支援することを提案しています。
Flex: スマート・ファクトリーのインテル® FPGA
このホワイトペーパーは、Altera FPGAs に基づくサーフェスマウント技術 (SMT) ラインのインダストリー 4.0 変革を達成するための Flex の革新的なアプローチについて説明します。
V-Sync: V-Sync によるスマート・ベンダー・モーター制御
V-Sync は、リアルタイムの応答性と制御機能を提供する Altera FPGA を使用して、12 個の I2C ポートのモーター制御をスマート自動販売機に実装しています。
ソリューション概要
ホワイトペーパー
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