设计新一代智能互联安全工业器件不再困难

作者：Felipe Fernandez

为了跟上工业4.0快速发展的步伐，工业物联网系统开发人员需要依托智能、安全、互联的器件来实现工厂及楼宇自动化。特别值得一提的是，电机是当今工厂和自动化流程的基石，而电机控制设备已成为自动化市场的一个重要细分领域。

多轴工业驱动器、基于以太网的时间敏感网络（TSN）通信和工业自动化控制系统（IACS）安全是自动化应用的关键技术。这些工业应用具有复杂的电机驱动、通信和安全要求，如果没有优化的处理平台，应用开发可能会困难重重。智能工业物联网（IIoT）系统必须与用户和其他设备进行通信、共享数据和交互，并安全地处理所有这些任务。

为了满足这些工业4.0应用的需求，恩智浦宣布推出i.MX RT工业驱动开发平台，使系统设计人员能够在单一、全面的平台上开发和测试工业用例，加快产品上市速度，同时采用安全的设计方法。恩智浦的i.MX RT工业驱动器开发平台提供了全面的模块化解决方案，汇集了多种关键技术，将重新定义下一代安全IIoT器件并推动向真正智能工厂的转型。

电机——智能工厂和楼宇自动化应用的基石。在您的下一个项目中使用灵活的模块化平台。

该平台旨在简化IIoT开发，支持多轴电机控制、确定性TSN通信、人机接口（HMI）、机器对机器（M2M）接口以及工业4.0所需的网络弹性工业安全。目标应用包括机械臂、移动工业机器人、3D打印机、电机驱动、多轴机械以及交流和伺服驱动。虽然该平台针对工业应用进行了优化，但也可用于楼宇自动化（例如暖通空调和电梯/自动扶梯电机控制），以及消费应用（例如白色家电，即带有电机的大型家电，包括冰箱、洗衣机和烘干机）。

i.MX RT工业驱动开发平台简介

恩智浦将最新的工业4.0技术整合到一个全面的硬件和软件平台中，助力开发智能、安全的工业物联网应用。灵活的模块化i.MX RT工业驱动开发平台支持多电机控制和确定性TSN通信，同时为符合标准的工业网络安全奠定了坚实的基础。该平台硬件依托i.MX RT1170跨界MCU系列和EdgeLock^® SE05x安全元件构建。

利用工业级i.MX RT1170跨界MCU的800 MHz性能，展示了i.MX RT1170 MCU同时控制4个永磁同步电机（PMSM）的能力。除了处理先进的电机控制算法外，i.MX RT1170器件还具有备用带宽，可支持显示器、确定性以太网TSN、数据记录、故障检测，采用的安全方法将通过认证符合ISA/IEC 62443-4 SL3标准。该平台与板载EdgeLock SE05x安全元件一起，提供了随时可用的多电路板解决方案，加快了对当今工业应用的评估和验证。

灵活的多电路板方法

工业驱动开发平台由三块主板组成：一块集成了单个i.MX RT1170跨界MCU器件的子卡，一块用作子卡扩展外设板的数字板，以及可处理200W输出功率来控制有传感器和无传感器电机的一块功率级电路板。根据不同的应用规格，开发人员可以在系统中添加1到4块功率级电路板，这可为独特的设计要求提供更大的灵活性。

i.MX RT工业驱动开发平台

让我们详细了解使用该开发平台可探索的一些关键特性和功能：

多轴电机控制

工厂车间多轴系统采用的典型方法是使用通过实时通信协议连接的多个单电机驱动器。最新的平台为多轴应用提供了更高效的方法。使用单个MCU器件控制4台电机，有助于减少工厂自动化应用所需的驱动器、电缆和网络组件数量。该平台演示并指导如何利用MCU外设和栅极驱动器进行单电机、双电机、三电机或四电机控制。

工业确定性通信

如今，工业设备以独立模式部署（即未连接到网络）的情况非常罕见。确定性通信对支持向工业4.0演进至关重要，而以太网TSN正在成为这种通信的支柱。对于终端节点设备，特别是那些控制电机等执行器的设备，支持TSN并与操作技术（OT）网络无缝集成是一项关键要求。

故障检测

现场的每台工业设备都应该能够检测到各种系统故障并对此做出反应。从电流尖峰、异常电压、高温或来自其他传感器的外部信号，这些设备必须能够进入故障安全模式，直到排除了故障。该功能包含在工业驱动器开发平台中，在其全面的软件架构中可充分利用即时中断服务。

数据记录

生产数据、用户访问、告警、误差和故障对于监测、分析和审计工厂或楼宇的正常运行非常重要。现场工程师需要确定如何使工业系统处于最佳状态，对他们来说，记录全面的日志是一项关键能力。该工业驱动开发平台可以为开发人员提供参考点，让他们在IIoT设备中设计和集成自己的数据记录子系统。

远程监测

物联网革命为我们带来了超级互联的住房、楼宇和工厂。从全“数字孪生”到SCADA系统，传输的大多数数据都有监测目的。只有确保对现场物联网设备进行可靠地远程监测，才能实现这些示例。i.MX RT工业驱动开发平台指导开发人员如何在终端设备和监测系统（如笔记本电脑、服务器或其他现场设备）之间建立安全通道。

安全的用户交互

工业设备只能与可信任的用户或其他设备进行交互。此工业驱动开发平台利用恩智浦设计安全方法，实施管理关键基础设施的工厂所需的安全策略。只有在正确的身份验证和验证之后，此平台才支持可信的用户和机器对机器交互。该平台演示了设计人员如何利用凭证指配功能来启用此功能。

具有网络弹性的工业安全

虽然为网络物理攻击做好准备是一项必要的策略，但同时还需要了解如果攻击成功，受影响的IIoT设备可以恢复到以前可信状态。这就是网络弹性原则。此工业驱动开发平台集成了嵌入式EdgeLock SE05x安全元件，使设备能够检测其是否已受到攻击（例如，恶意代码注入），然后自动启动至可信映像，确保删除不可信代码，从而实现网络弹性。

ISA/IEC 62443-4参考

i.MX RT工业驱动器开发平台提供有意义的指导和辅助信息，帮助开发人员借助恩智浦产品轻松完成工业安全认证流程。尽管该平台为ISA/IEC 62443-4-1/2合规性提供了有价值的参考，但目前它不会向其最终产品授予自动认证。恩智浦计划在2022年底之前实现该平台的IEC 62443-4-1/2认证。

i.MX RT工业驱动开发平台系统图

核心平台技术

i.MX RT工业驱动开发平台为开发人员提供了创建智能、安全和互联工业设备所需的基本技术。开发板支持以下恩智浦技术：

• i.MX RT1170跨界MCU系列：此MCU系列是EdgeVerse™边缘计算平台的一部分，它采用融合了Arm^® Cortex^®-M7和Cortex-M4内核的双核架构，具有实时功能和卓越的MCU可用性，且性价比较高。
• 带有软件可配置模拟输入的NAFE新一代模拟前端（AFE）平台，适用于高精度数据采集和状态监测系统
• PF5020：多通道PMIC专为具有集成功能安全选项的高性能工业和汽车应用而设计。
• GD3000：场效应晶体管（FET）预驱动器，专为3相12-48V电机控制而设计。
• TJA115x：具有硬件防火墙、入侵检测和入侵防御支持的CAN收发器为CAN网络上的分层安全提供了基于硬件的非加密基础。
• TJA146x：具有待机模式的CAN信号提升功能收发器，以5 Mbps速度实现CAN FD通信。
• PN7462 NFC读卡器：NFC Cortex-M0是一款多功能一体化MCU，带有可选接触式接口，可用于访问控制。
• EdgeLock SE05x：经认证的EdgeLock安全元件系列，具备适合多行业物联网用例的扩展加密功能。

简化工业设计流程

今年下半年，恩智浦将推出工业驱动开发板，并通过恩智浦分销渠道销售。此应用软件包包括示例代码和设计文件，以及全面的技术文档。

如需了解i.MX RT工业驱动开发平台的更多详细信息，请访问nxp.com/iMXRTIndustrialDrive

作者：


Felipe Fernandez
恩智浦半导体业务拓展专家

Felipe Fernández是恩智浦德国汉堡工业系统创新小组的业务拓展专家。他在网络安全和工厂自动化领域拥有10年的经验，曾在拉丁美洲和欧洲等多个地区工作。他拥有机电一体化工程硕士和学士学位，以及德国北方技术管理学院的工商管理硕士学位。在LinkedIn上关注他，网址为www.linkedin.com/in/jfelipefg。