FPGA在工控系統解決方案與應用
- 闞大成
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雖然目前的工控系統大多數仍是以DSP為主流，但茂綸產品應用副理張永政認為，FPGA未來在工控系統領域，仍是大有可為。如在智慧電網方面，雖然早在十幾年前就已推出，但因應目前的市場需求，必須設法變得更智能，許多個別的裝置要走自主智慧的設計路線，許多設備設計方面的要求，就讓FPGA有相當大的發揮空間。
為了因應智慧化趨勢，所可能衍生的傳輸頻寬需求，依照目前10M/100M Ethernet頻寬勢必不敷使用，歐洲目前針對變電所自動化，也制定IEC 61850的規範，希望能藉由標準的統一，達到不同廠牌設備間能相互的通訊，以達到更智能的效果，其中除了設備要求必須有高可靠度外，還需要有冗餘的功能，IEC 62439-3規範就制定了冗餘的方案之一，Altera與Flexibilis公司針對IEC 62439-3需求，提出相對應HSR/PRP解決方案，並且能支援10M/100M/1G Ethernet。
此外，產品生命週期必須要很長，而目前Altera FPGA有些超過10年以上的產品，都還在出貨，除此業者也需要設備商能有很強的服務能力，提供相對應的方案。而目前的變電所設計，有些設備是在室外的環境，所以針對機殼溫度都有一定要求，此時產品的能耗要低，才不會產生過多的熱能，而導致當機，而影響變電站運作。
目前最大的挑戰在於，業者必須提供兼顧節能及高效的產品，但成本同時還要降低；此外，設計還要靈活有彈性，因應通訊協定的多樣化，產品生命週期要長等，以上都是FPGA產品的強項。
目前針對智慧電網變電站的自動化，設備需求高可靠性無縫冗餘(HSR)和平行冗餘通訊協定(PRP)參考設計等，也正是FPGA產品能發揮功能的強項。
Altera與Flexibilis 提出HSR/PRP解決方案有多種的型態，針對底層的智慧型電子裝置有HSR End-Node，也可藉由HSR RedBox 將非HSR node連結到HSR網絡中，HSR QuadBox則可以將兩個HSR的網絡相互連結，此外也支援 PRP RedBox與DANP，可以在不用擔心一方斷線的前提下，資料依舊不會中斷，送回主站做處理。
值得注意的是，很多有意導入PRP/HSR交換器解決方案的業者，所在意的成本，Altera已經將Flexibilis的專利費用加以攤提的方式，客戶初步開發此方案時，不須立即負出大筆的IP License費用，一方面可以減輕客戶的開發成本，另一方面可以大幅降低業者開發的風險，可望提升導入意願。
另一個FPGA較有優勢的領域，則是針對Industrial Ethernet 應用。目前FPGA的方案主要應用在Slave端，因為工廠自動化需求快速上揚，就算一開始就採用Ethernet的通訊方式，許多不同業者推出的自有產品，往往會搭配自家的通訊協定，導致廠商針對從站設備往往需要能支持多種的通訊協定，才能與不同主站達成溝通，所以往往相同的從站卻因為通訊的協定，而制定多種的板卡以達到解決方案，也造成管理上的困擾。
Altera目前已將七種Ethernet協定整合在一起，包含Profinet RT/IRT，EtherCAT，Ethernet Powerlink，ModBus/TCP，Ethernet/IP(soft/hard DLR) and Profibus DP，因為FPGA可以採用程式化邏輯，所以可以在產品出廠時，再將產品板卡上的FPGA決定是要支援哪一種工業用Ethernet解決方案再進行燒錄而達到一卡支持多種通訊協議的解決方案。
最後一個FPGA可以發揮的領域，則是Drive On Chip，其中又比較偏重在Motor Control。張永政指出，Motor Control目前還是比較常放到DSP，但目前已有客戶考慮採用FPGA，除了開發自有的演算法，增進產品效能外，對於公司智財的保護則是更重要的一環，未來市場的消長狀況，還有待觀察。
