工业4.0下的非易失性数据记录

shuszhao

随着工业4.0的出现，工厂的智能化和互联性正在日益提高。智能工厂中的机械设备就能够采用所连接的无线传感器节点的实时数据，提前预测可能发生的故障，并通知控制系统采取纠正措施，以避免意外的系统停机。累积的数据可以用于改进预测分析，并实现更好的机器预防性维护。
减少停机时间的能力是管理工业设施的重要因素。目前，预测停机时间难度较大且成本非常昂贵。比如，普通汽车制造厂的停机时间可能高达每分钟22,000美元或每小时130万美元（来源：先进技术服务，2006年：“汽车行业停机成本：每分钟22000：调查。”）。
随着工业4.0的出现，工厂的智能化和互联性正在日益提高。智能工厂中的机械设备就能够采用所连接的无线传感器节点的实时数据，提前预测可能发生的故障，并通知控制系统采取纠正措施，以避免意外的系统停机。累积的数据可以用于改进预测分析，并实现更好的机器预防性维护。这些进步旨在提高工厂的运营效率，并缩短整体停机时间。
工业4.0的基础 —— 可操作数据实现了从实时传感到预测分析等各种功能。因此，持续、可靠地记录数据至关重要，尤其是在发生故障时，这是因为这些数据通常是关键信息。此外，需要记录的数据量预计将会继续增加。我们不但需要在传统工业系统上进行连续数据采集，还需要在数千个连接的传感器节点上进行连续的数据采集，这些传感器节点将遍布于未来智能工厂的各个角落。
为了克服这些挑战，下一代工业系统需要高性能非易失性存储器确保“数据零风险”和正常运行与系统故障期间的可靠数据备份。为了保证这一数据记录的可靠性，工业4.0非易失性存储器需要支持快速写入、实时非易失性以及接近100万亿次循环、近乎无限的读/写持久性。
工业数据记录的挑战
工业控制系统包括自动化、能源管理、过程测量和测试测量等各个环节，这些环节都需要高性能非易失性数据记录存储器。在所有这些细分市场中，非易失性存储器被用于连续记录实时系统数据。它们还必须能够在断电或系统故障的情况下即时捕捉实时系统状态数据。工业控制系统和无线传感器节点的非易失性数据记录存储器需要满足不同的需求。我们将通过可编程逻辑控制器和物联网传感器节点这两个例子探讨工业控制系统和无线传感器节点的挑战和独特需求。
图1：可编程逻辑控制器（PLC）模块图
用于工业自动化的可编程逻辑控制器（PLC）在工业控制系统中十分常见。在PLC中，由非易失性数据记录存储器捕捉的实时系统数据被用于检测和修复故障并且防止未来发生故障。此外，非易失性数据记录存储器捕捉断电前的最后系统状态。该数据对于确保PLC和所有连接的机器在恢复供电时以安全的操作模式重新启动至关重要。如果不具备这一能力，其他机器和周边环境中的人员都会面临潜在风险。
在PLC等下一代工业控制系统中，需要减少用于与外部存储器连接的微控制器引脚数量。这一需求推动了从并行到低引脚数串行接口存储器的转换。这就是为什么存储器制造商要为工业应用开发低引脚数存储器。例如，赛普拉斯的Excelon-Ultra专用于工业控制系统并提供低引脚数108-MHz QSPI接口。
由于去除电池而带来的高可靠性，非易失性存储器优于工业控制系统一般使用的电池备份SRAM。此外，非易失性存储器通过用单个芯片取代多组件子系统（SRAM +电池+电源管理控制器）降低物料成本并且避免产生与更换电池所需的相关成本的维护。
图2：物联网传感器节点模块图
无线物联网传感器节点相当于智能工厂的眼睛和耳朵。如上文所述，传感器节点可以连续监测系统和环境参数，然后通知连接的机器或控制系统在需要时采取纠正措施。
无线物联网传感器节点带来了与工业控制系统不同的挑战。传感器节点的外形尺寸很小。此外，它们通常遍布于智能工厂的各处，包括偏远或难以进入的位置。因此，它们通常由电池或者通过能量采集供电。
因此，传感器节点需要外形尺寸很小的非易失性存储器来连续记录实时系统数据。它们必须能够在传感器节点的整个生命周期内可靠地完成这一任务，并且尽可能降低功耗。例如，赛普拉斯的Excelon-LP采用约10平方毫米GQFN小型封装，提供多种省电模式，包括休眠、深度节点和待机，使开发人员可以最大限度地延长电池使用时间。
为了进一步减小无线IoT传感器节点的尺寸，可以使用非易失性存储器来实现代码存储和数据记录的单芯片方法。在传感器节点中，与存储数据所需的内存量相比，测量和收集数据所需的代码大小通常较小。因此，具有单独的代码存储器可能会导致存储器使用率不足，而单芯片方法会更有效。
关键的难点在于，足够灵活的非易失性数据记录存储器以根据应用需求对代码和数据的存储进行分区。用于存储代码的存储器必须确保系统不会意外写入用于执行代码的存储区域。因此，为了满足单芯片工艺的要求，非易失性数据记录存储器需要具备存储器保护功能。例如，块保护防止意外写入开发人员定义的一系列地址。这使一个存储器在存储和保护代码的同时支持实时数据记录。
铁电体技术
非易失性数据记录存储器的关键是铁电技术。铁电技术将RAM的高性能和字节寻址能力与非易失性数据存储相结合。用于非易失性存储器的铁电技术带有使用锆钛酸铅（PZT）薄膜的存储单元。当施加电场时，PZT晶体中的中心原子改变位置。中心原子的两个位置作为存储器的二进制状态存储一个数位。当电源中断时，原子位置被保留，从而保护数据。其数据可靠性也很高，无需任何备用电源就能安全保存数据100年之久。
非易失性数据记录存储器非常高效。其能耗比串行EEPROM低200倍，比NOR闪存低3000倍。这项技术还提供高数据可靠性，读/写耐久性达100万亿次（1014）。相比之下，闪存和EEPROM等浮栅技术最短在106个周期内就会损坏，因此它们不适合频繁的系统数据捕捉。
非易失性数据记录存储器还可确保工业系统“数据零风险”运行。即时存储数据能力可在系统断电时保护系统不丢失数据。EEPROM等技术通常具有5-10毫秒的页面写入延迟，从而使重要的最后时刻系统数据产生风险。

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