在越来越复杂的工业机器人系统中，以数据日志的形式采集操作数据，面临着哪些挑战？本文将阐述如何进行海量数据采集，以及非易失性存储器发挥的关键作用。内容概览：
本文作者为英飞凌技术专家Karthik Rangarajan和Girija Chougala，中文版由英飞凌中国团队译审。
工业4.0的重要愿景之一，是将智能传感器与工业设备相结合，从而提高生产力、增强可靠性和降低运营成本。许多传感器将通过网状网络（mesh）配置等在相互之间实现无线连接，或通过传感器网关进行无线连接。然后，这个传感器网络将连接到云端，以便在云端进行数据采集、分析和处理。工业物联网（IIoT）与物联网的不同之处在于，终端必须实时运行，并符合工业可靠性标准。
工业机器人是一类特殊的工业设备，它们能够高效、准确地重复执行手动任务。自20世纪60年代开始，工业机器人逐渐在工厂得到商业化应用。随着工业4.0的问世，这些机器人越来越智能，不断实现新的功能，这为打造智能工厂铺平了道路。
除了能够更加灵活地执行任务之外，工业机器人还能采集和分析关于其自身的数据，以提高生产力、服务质量和可靠性，同时降低总拥有成本。当连接到云端时，可以识别出所有机器人的操作模式和趋势。
譬如，可以通过故障分析，创建预测性维护算法，以便在机器人的操作趋势与类似机器人曾在发生问题之前出现过的趋势相似时，触发告警。这样就能防患未然，在问题真正造成设备故障和停工之前加以解决，从而将生产损失降至最低。
随着越来越多的工业自动化设备制造商大力投资机器人技术，工业机器人行业蓬勃发展，方兴未艾。自2016年以来，尽管新冠肺炎疫情横扫全球造成了产量下降，但机器人行业的年增长率仍然高达7.6%（CAGR）（图1）。
图1
今后几年，工业机器人开发人员将面临一系列问题。随着这些系统日益复杂，保证可靠性变得越来越重要。本文将探讨以数据日志的形式采集工业机器人操作数据所面临的挑战，包括如何应对采集数据与日俱增的问题，以及如何在发生系统故障时最大限度地减少数据丢失。
工业机器人的复杂度
最基础的工业机器人由操作机和控制器构成。操作机通常被称为机械臂，可以移动、旋转和执行动作。控制器驱动并控制操作机（图2）。
图2
机器人操作机的各个部分由机械关节连接，每个关节具备一个运动轴。典型操作机具备6个可移动关节，即6个运动轴。
每个轴均由高精度伺服电机或步进电机驱动，仅可在规定范围内运动。此外，每个轴的运动速度各不相同，数据表通常列出其角速度。运动范围越大，关节的最大速度越快，所需的运动控制精度也越高。为了加强协调并提高精度，负责跟踪操作机的传感器需要记录更多操作数据。
就可靠性而言，工业机器人必须能够在发生诸如断电等多种不同的电源事件后恢复运行。理想情况下，电源事件一经解决，机器人就能从其中断之处恢复操作，哪怕系统被重启也不受影响。
要做到这一点，每台电机必须保存关键参数和数据状态，包括机械臂的旋转角度和位置。同样地，控制器也必须保存详尽的控制日志，记录每个轴的操作参数，包括其命令位置、编码器值和有效载荷。
除此之外，控制器必须保存其自有伺服电机日志，以跟踪速度、扭矩、电机反馈回路传感器输出（即，电流、位置、速度）和运动角度等。可靠地记录所有这些数据需要使用某种形式的非易失性存储器，以便确保断电不会造成数据丢失。
用于数据记录的非易失性存储器
过去几十年，一直采用电池供电的SRAM来储存关键数据。然而，这种方法有许多缺点：
出于这些原因及其他原因，设备制造商已经转而使用非易失性存储器件来取代电池供电的SRAM。表中列出了部分可供设备制造商选用非易失性存储器技术。
由于耐久性不长，EEPROM不适用于大多数应用。工业机器人全天候工作，并且必须记录大量实时数据。这些机器人可能连续工作许多年，而EEPROM终将磨损，因此并非可行之选。
闪存的耐久性也短。然而，一般可以通过在主处理器软件中实现均衡磨损机制，来解决闪存的耐久性问题。当某个存储块发生的错误超过设定阈值时，均衡磨损算法会将数据转移到能够可靠运行的存储块。
均衡磨损机制可使磨损均匀地分布于整个闪存，从而有效延长存储器使用寿命。然而，在整个存储器内跟踪和转移数据的代价是加剧复杂度，这会增加主CPU载荷，并造成写操作时延。
在将闪存用于数据记录应用时，最重要的考虑因素或许是它将数据写入存储块。在整个存储块准备就绪可以进行写入之前，必须在缓冲区保存日志数据。均衡磨损算法可以通过运行软件来查找大型表，再选择用于写入数据的存储块。最后，闪存必须先将存储块擦除，然后才能写入。
仅当完成这些任务之后，方可最终写入日志数据。在所有这些因素的综合作用下，从捕获存储块中的第一个数据位，到实际将其存入非易失性存储器，中间存在相对较长的延迟。
F-RAM确保数据实时可靠性
如前所述，数据记录应用的两个主要目的是分析性能随时间而变化的情况和在发生电源事件后恢复操作。对于这两个功能，可以说最重要的信息就是故障发生之时采集的数据。
当发生电源故障时，将利用这些数据，使工业机器人从其中断之处恢复操作。在性能分析方面，这些“最后时刻”数据对于理解故障前夕发生的情况以及导致故障的潜在原因至关重要。
当系统出现故障时或发生电源事件时，几乎没有时间做出反应。对于闪存和EEPROM，缓冲区中的所有数据都将丢失。但这些却是最为重要的数据。写入存储器所需时间越长，丢失关键数据的风险就越大。不妨设想，一台高精度机器人正在对一个昂贵的零件执行操作。如果这台机器人发生电源故障，那么，系统必须能够以很高精确度重新回到中断之处。否则，零件可能报废。
为了高度可靠地保存操作参数和数据日志，必须不间断地捕获数据并将其存储到非易失性存储器中。为此，机器人设计人员纷纷改为使用铁电随机存取存储器（F-RAM）。从表中可以看出，F-RAM具有许多优点，这使它成为用于存储关键操作参数和数据记录应用的首选。
F-RAM具备1014个写入周期耐久性，可为数据记录应用提供近乎无限的耐久性。此外，它无需进行磨损均衡，因而简化了存储器写入操作并缩短了时延。
F-RAM是一种不需要擦除周期的随机存取存储器，这也有利于加快写入速度。可以立即将数据保存到非易失性存储器中，不再需要数据缓冲块。此外，作为随机存取存储器，F-RAM避免了分页存储器存在的延时问题。数据一经捕获便立即保存到存储器中。
数据记录应用趋势
开发人员必须决定是在主控制器内集中进行数据记录，还是在每台电机的边缘记录数据。目前，在电机实现数据记录应用需要最多1MB存储空间，而控制器数据记录应用则需要高达16MB存储空间。
对于像六轴机器人控制器这样的高速应用，英飞凌最新一代非易失性存储器Excelon F-RAM可提供高密度存储器型号，其四SPI接口有助于提高吞吐量。对于数据记录需求较小的应用，Excelon F-RAM可提供带串行外围接口（SPI）的低密度型号。
然而，随着工业机器人配备的轴和传感器数量持续增加，数据记录需求只会不断增长（图3）。与此同时，基于人工智能的性能算法和预测性维护算法需要获取范围更广、粒度更高的参数，因此，必须采集和存储的数据总量亦随之增长。
图3
对非易失性存储器密度造成影响的另一个趋势，是将功能转移到更靠近网络边缘的位置。在每台电机上实现可靠性和功能安全特性，可消除在作出响应之前必须将数据发送回主控制器造成的延迟。
许多制造商都在每台电机上部署了微型控制器，电机动作则由主六轴控制器协调。这样一来，每台电机都能跟踪自己的参数和传感器。这进而为在网络边缘以及各台电机上实现更先进的人工智能和机器学习（ML）功能创造了条件。
工业机器人中的其他存储级内存
除数据记录存储器之外，工业机器人系统还采用了许多其他存储技术，包括利用扩展存储器来保存引导代码。随着工业4.0的问世，保护系统不受网络威胁影响的需求激增。
黑客的主要目标之一是闪存器件，这种存储器负责保存引导代码、安全密钥以及其他对于系统功能正常作用至关重要的关键数据。在这方面，英飞凌开发了符合功能安全标准的SEMPER Secure NOR Flash，该产品集成了安全功能，可保护代码免受黑客攻击。
由于机器人控制器日益复杂，许多机器人还配备了薄膜晶体管（TFT）显示屏，以便技术人员除进行远程控制之外，也可以直接与机器人交互。对于缓冲数据、音频、图像和视频，或者用作便笺存储器以支持数学和数据密集型运算，HyperRAM非常适于用作工业显示器的扩展内存。其低引脚数串行HyperBus接口可提供最高800MB/s吞吐量。
数据记录是工业机器人的基本特性，这个特性能让机器人在发生故障和电源事件后恢复运行，不对生产造成负面影响。数据记录应用在实现新兴AI和ML功能（如，预测性维护）方面也发挥着重要作用，它们提供的数据将推动这些应用不断创新。
F-RAM拥有近乎无限的耐久性，并且可以实现即时非易失性、高吞吐量和可靠捕获数据，得益于此，它在面向工业机器人高性能数据记录应用的诸多非易失性存储器中堪称佼佼者。发生电源事件时，F-RAM可将数据丢失减至最少，这有助于机器人以很高精度恢复运行，从重启或故障之前的中断之处开始继续操作。
F-RAM包括低密度型号和高密度型号，可满足不同应用的要求。这也有利于开发人员灵活地满足新一代机器人不断发展的需求，支持在越来越靠近边缘的位置实现AI和ML功能。 |
