Autor: Arno Stock, Renesas Electronics
La necesidad de soluciones industriales escalables
El mercado de la automatización industrial es conocido por ser muy conservador y exigente en términos de longevidad. Sin embargo, los fabricantes de equipos enfrentan constantemente nuevos desafíos para lanzar productos mejorados y optimizados o brindar mantenimiento a los dispositivos durante un largo período de tiempo para mantener su funcionamiento fiable y seguro. Los factores clave para el lanzamiento de nuevos productos son las especificaciones de los clientes finales tales como optimizar el consumo de energía de las instalaciones de producción, mejorar la calidad y el rendimiento de la producción, reducir los costos y cumplir con las regulaciones emergentes de seguridad y ciberseguridad.
La visión comercial de un producto se divide en desarrollo de producto, costo de producción y mantenimiento. En el pasado, la atención se centraba en los costes de producción. Los desarrolladores trabajan duro para minimizar la lista de materiales (BOM) por producto, y estaban dispuestos a adoptar los componentes electrónicos más adecuados para cada producto individual. Pero hoy este enfoque no es el adecuado. La necesidad de acortar los ciclos de desarrollo (para responder rápidamente a los nuevos requisitos del mercado manteniendo la calidad del producto desde el principio hasta el final del ciclo de vida) cambia el equilibrio, poniendo más atención en los esfuerzos de desarrollo y mantenimiento. La solución es un diseño basado en plataforma que utiliza arquitecturas de hardware y software escalables. Mantiene los costos de producción bajo control, acorta el tiempo de desarrollo y mitiga los esfuerzos de mantenimiento.
Diseño basado en plataforma
La clave del éxito del diseño basado en plataformas es la escalabilidad. Simplifica la reutilización de hardware y software de aplicaciones para diferentes productos y al mismo tiempo permite la diferenciación en costos y características de producción. La escalabilidad se logra seleccionando series de chips de silicio, todas basadas en la misma arquitectura y compartiendo bloques de funciones periféricas (IP) para Ethernet, interfaces de memoria, temporizadores, UART, SPI, IIC, etc. Renesas Electronics realizó este concepto para RZ/T y RZ/. Serie MPU industrial N con soporte Ethernet multiprotocolo y procesamiento en tiempo real de alta gama para aplicaciones exigentes como control de servomotores. Los últimos dispositivos lanzados al mercado son RZ/T2M, RZ/T2L y RZ/N2L. La Figura 1 ilustra su relación.
Figura 1: Relación de RZ/T2M, RZ/T2L y RZ/N2L
La serie RZ/T2M es una MPU todo en uno para servocontrol de alta gama. Cuenta con un núcleo de CPU Cortex® R52 para funciones de red y seguridad, un núcleo de CPU Cortex® R52 para control de motor en tiempo real, 2 MB de memoria del sistema, codificador de posición absoluta I/F maestro y varias funciones periféricas bien conocidas de otros productos de Renesas como el Familia RA MCU.
La serie RZ/T2L corresponde al procesamiento de aplicaciones de alta gama para control de motores, pero limita el control de redes industriales a EtherCAT. Esto da como resultado una solución EtherCAT de costo optimizado, mientras que el código de la aplicación se puede transferir fácilmente entre RZ/T2M y RZ/T2L.
El RZ/N2L es un chip complementario de comunicación que conecta varios tipos de aplicaciones con Ethernet industrial. El chip descarga la aplicación de las funciones relacionadas con el protocolo de tiempo real. Dado que RZ/N2L corresponde al subsistema de comunicación de RZ/T2M, las pilas de red y las aplicaciones se pueden intercambiar fácilmente entre ambos dispositivos.
Dado que los chips RZ/T2M y RZ/N2L están disponibles en la misma opción de paquete 225BGA, estos dispositivos se pueden ensamblar opcionalmente en la misma PCB, lo que ofrece otro grado de funciones de hardware escalables.
En lo que respecta al software, la plataforma de software flexible (FSP) admite escalabilidad; consulte la Figura 2. Renesas Electronics introdujo el concepto FSP por primera vez para su serie RA MCU y ahora lo ha ampliado a los nuevos miembros de la familia RZ.
Figura 2: Paquete de software flexible (FSP)
El FSP unifica la API de software con los bloques de funciones periféricos compartidos y agrega soporte de middleware basado en FreeRTOS. Esa compatibilidad amplía aún más la escalabilidad de las soluciones de Renesas desde MCU de gama baja hasta MPU de gama alta, lo que genera importantes ventajas para los fabricantes de equipos industriales que adoptan estas soluciones de plataforma:
– Seleccionar el chip de silicio que mejor se ajuste al caso de uso del producto.
– Fácil reutilización del código de la aplicación del cliente entre diferentes variantes
– Reutilización del know-how de ingeniería en la aplicación de los productos Renesas
– Reutilización de circuitos de aplicación, simplemente reemplazando el componente MPU.
– Refactorizar fácilmente el diseño
– Intercambio de cadenas de herramientas de desarrollo.
La reutilización de circuitos de aplicaciones mitiga los esfuerzos para hacer frente a la obsolescencia, ya que las soluciones pueden replicarse entre las líneas de productos basadas en la misma arquitectura de plataforma.
Debido a la facilidad para compartir el código de la aplicación del cliente gracias al concepto FSP unificado, el mantenimiento del software para solucionar problemas de seguridad o agregar funciones nuevas e innovadoras es altamente eficiente. Las actualizaciones se pueden replicar en todos los productos basados en la misma plataforma. Se minimizan los esfuerzos en cada producto individual.
Ejemplos de aplicaciones para diseños basados en plataformas RZ/T y RZ/N
Supongamos que usted es un desarrollador de servovariadores para aplicaciones de automatización industrial. Su departamento de marketing solicita unidades de bajo consumo de hasta 48 V con soporte multiprotocolo y una variante EtherCAT de costo optimizado. Por último, se necesitan accionamientos de alto voltaje. Si observamos los dispositivos de plataforma RZ lanzados en la Figura 3, se podría aplicar la estrategia de solución que se muestra en la Figura 4.
Figura 3: Productos RZ/T y RZ/N lanzados
Todos estos chips pueden entenderse como variantes simplificadas del RZ/T2M de doble núcleo. Como este dispositivo es una solución todo en uno para aplicaciones de servoaccionamiento de alta gama, el diseño inicial lo utiliza para una aplicación de servoaccionamiento multiprotocolo de 48 V (esquina superior izquierda). Como no se requiere separación de voltaje, todos los componentes operan en el mismo dominio de voltaje.
Una vez finalizado este desarrollo inicial, se puede derivar fácilmente una variante EtherCAT de bajo costo reemplazando el chip RZ/T2M por el RZ/T2L. Si en el caso de l chip RZ/T2M la pila EtherCAT ya se ha implementado en la CPU de control del motor, no se necesitan cambios en el firmware.
Finalmente, se puede derivar un variador de alto voltaje con separación de energía utilizando el RZ/N2L más los dispositivos RZ/T2M de un solo núcleo. El chip RZ/N2L permanece en el lado de bajo voltaje, encargándose de todas las tareas relacionadas con la interfaz de control y comunicación. El RZ/T2M de un solo núcleo se traslada al lado de alto voltaje, donde tiene conectividad directa con la etapa de potencia, minimizando la interfaz con el dominio de bajo voltaje. En cuanto al software, el software de la solución inicial de 48 V se puede reutilizar simplemente agregando un controlador de comunicación de interfaz de host en ambos extremos.
Figura 4: Ejemplo de proceso de desarrollo basado en plataforma
A medida que Renesas Electronics amplía continuamente las series de productos RZ/T y RZ/N, en el futuro estarán disponibles composiciones de soluciones adicionales.
Resumen
Con un alto grado de reutilización, siguiendo el concepto de desarrollo basado en plataforma de los dispositivos MPU Renesas RZ/T y RZ/N, se minimizan el tiempo de comercialización, los costos de desarrollo y mantenimiento del software, mientras se mejora la calidad del producto. La reducción de los costos de desarrollo y mantenimiento contribuye a un alto retorno de la inversión. La rápida implementación de variantes y nuevas soluciones es clave para mantener el ritmo del entorno cambiante del mercado.
