インテル® FPGA による産業オートメーションでエッジツークラウドまで革新を
インテル® FPGA により、産業界は安全で信頼性の高い最適化されたデザインを開発することができます。
インテル® FPGA で業界の課題を解決
インテルは、産業オートメーションでエッジツークラウドまで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。インテル® FPGA により、産業界は安全で信頼性の高い最適化されたデザインを開発することができます。インテルは、FPGA 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、人工知能、エッジ・コンピューティング、ロボティクスを含めた幅広いアプリケーション・ユースケースに対応しています。
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。これらの 3 つの別々のシステムコンポーネント DSP 制御ループ、DC-DC、DC-AC 変換および通信は、すべて単一デバイスであるインテル® FPGA に統合できます。
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、Capex /Opex の削減と不動産コスト削減を探る公益事業。
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。
インテル® FPGA は、新しく変革する電源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® FPGA は、HSR/PRP の冗長性と進化する HSR/PRP 規格で、Gbps イーサネット・トラフィック性能要件を満たします。
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 Intel FPGAs (アドバンスト・ブロックセット) を使用して制御回路のシミュレーションと VHDL 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。
インテル® FPGA は、産業ロボットのニーズを満たします。
- 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: Functional Safety Data Package (FSDP) と TÜV Rheinland 認定 CAT3 PLD セーフティコンセプトは、顧客の認証サイクルを圧縮することで、FuSa の機能を提供し、市場投入までの時間を短縮します。
インテル® FPGA ビデオおよびビジョン処理 IP スイート、OpenVino™ ツールキット、インテル® FPGA AI スイートと組み合わせることで、安全ハザード検出やオブジェクト認識 / 分類などの色や形状検査を超えたビジョン機能を実現できます。
Veo Robotics: FreeMove 3D 保護システム
Veo Robotics は Veo FreeMove* 3D 防護システムにインテル® FPGA を採用し、人間とロボットとの間の柔軟なコラボレーションを実現します。
スタートガイド
Agilex™ 7 FPGA ドライブ・オン・チップのデザイン例
インテルのドライブ・オン・チップ運動制御リファレンス・デザインは、Agilex® 7 デバイス上の統合ドライブ・システムです。このデザインは、最大 2 つの三相永久磁石同期モーター (PMS) またはブラシレス DC (BLDC) モーターの同期制御を示しています。他のモータータイプにもデザインを適応できます。
Cyclone® V および MAX® 10 FPGA ドライブ・オン・チップのデザイン例
インテル® 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 上のインテグレーテッド・ドライブ・システムです。このデザインは、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する単軸および多軸フィールド指向制御 (FOC) を実装しています。
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・テクノロジーは、画像の解像度の向上、フレームレートの向上、新しいインターフェイスの採用、AI の採用のために急速に進化しています。
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・テクノロジーの日進月歩の発展、人工学習やディープラーニングベースのビデオ分析の進歩により、インテル® FPGA は次世代マシンビジョンカメラ、フレームグラバー、ビジョン・コントローラーで重要な役割を果たします。
- 各種画像センサーおよび MV システムデバイスに対応する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。
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、インテル® FPGA AI スイート (USB3 Vision インターフェイス搭載) のキャノン 5MP イメージセンサー向け MityCAM カメラ評価キットにインテル® FPGA AI スイートを統合します。また、Arria® SoC FPGA を使用して、オブジェクトの検出、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
インテル® FPGA IP コアのコレクションで、高度なカメラ製品を制作しましょう。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、そして使いやすいリッチなプログラミング・インターフェイス (API) や標準インターフェイスを備えたこれらの IP コアにより、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・プロセスを実現できます。
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。
インテル® FPGA & SoC FPGA を使用してモーター制御とモーター制御システムをデザインすると、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、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。
FPGA は、I/O 拡張、産業イーサネット、フィールドバス通信デバイスに一般的に使用され、PLC の確定的な低レイテンシーのパラレル・コンピューティングを可能にします。また、FPGA は、安全性に重要なアプリケーションに PLC を使用するため、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。
インテルと TTTech Industrial Automation AG は、先行ライセンス料やユニットごとのロイヤリティーレポート、長期の交渉なしで、すぐに使える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
インテルと Softing の産業イーサネット・ソリューション
産業用インテル® FPGA ベースは、レガシー産業イーサネットのシームレス統合のための接続を提供します。
インテルと Softing Industrial Automation 社は、デザインへの産業用イーサネットの追加を容易にするために、ライセンス料金の前払い、出荷に際してのロイヤルティー報告、および使用条件などの交渉が一切不要で、すぐに使用可能なソリューション (AccessIP プログラム) を提供しています。
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、TSN およびブラウンフィールド・プロトコル向けインテル® FPGA ベースの本番環境導入可能な SoM および RRK を提供します。これは、堅牢な品質と長いライフサイクルサポートから製造におけるユースケースで既に実証されています。
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。Cyclone® V SoC FPGA と産業プロセス・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外部セーフティ・ロジック (ESL) デバイスの例を使用して、インテル® SoC FPGA に基づくシステムの実装の可能性を示しています。
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 および IEC 13849 PLe Cat 4 までの IEC 61508 認証を必要とする安全デザインの顧客における設計努力の削減を実現するため、インテルと NewTec は、SafeFlex 機能安全リファレンス・ボードを開発に向け提携しました。
FPGA で半導体製造装置を機能アップ強化
このホワイトペーパーは、マスクライターと表面検査ツールにインテル® FPGA を統合して、機会の性能を向上させ、世界中のファウンドリーのチップ需要に対応することを提案するものです。
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、インテル® FPGA を用いてサーフェスマウント技術 (SMT) 製品をインダストリー 4.0 へ移行させた Flex の画期的なアプローチを解説します。
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インテル® FPGA を使用して、12 個の I2C ポートのモーター制御を同社のスマート自動販売機に実装させています。
ソリューション概要
ホワイトペーパー
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