工業(yè)4.0的四項關(guān)鍵技術(shù)，你知道幾個？ - 全文

在“工業(yè)4.0”的轉(zhuǎn)型浪潮之下，富有遠(yuǎn)見的制造商正忙于籌劃和打造未來的智能工業(yè)企業(yè)。他們將信息技術(shù)（IT）域和操作技術(shù)（OT）域融為一體，構(gòu)建新一代智能系統(tǒng)，從而促進生產(chǎn)、改善運營、增強客戶支持，還可以分析工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)提供的實時數(shù)據(jù)。最簡單的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）概念就是通過嵌入式系統(tǒng)連接更廣闊的世界。就更廣泛的層面而言，它還涉及數(shù)據(jù)分析（通常在云中進行）、人機交互和安全性。挑戰(zhàn)在于，制造商需要充分整合四項必不可少的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)：網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、處理技術(shù)、用戶界面技術(shù)和安全性技術(shù)。恩智浦全新的QorIQ Layerscape LS1028A處理器可輕松應(yīng)對上述挑戰(zhàn)。

1、時間敏感型網(wǎng)絡(luò)

只有通過調(diào)整連接IT域和OT域的網(wǎng)絡(luò)，才能實現(xiàn)二者的融合。域的功能千差萬別，其網(wǎng)絡(luò)也截然不同。IT域包含將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為有用信息的系統(tǒng)。對于制造商而言，它不但包含通用系統(tǒng)，如財務(wù)、電子郵件及客戶關(guān)系管理系統(tǒng)，還包括制造業(yè)特需的管理規(guī)劃和物流系統(tǒng)。這些系統(tǒng)都以計算機為基礎(chǔ)，沒有硬實時要求，因此IT網(wǎng)絡(luò)可以采用“盡力而為”的普通以太網(wǎng)技術(shù)。

OT域則包含將物料轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品的系統(tǒng)，以及用于實施流程控制、工作流管理和流程監(jiān)控的實時嵌入式系統(tǒng)。工廠可使用工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)，利用標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)提供實時響應(yīng)，并使用舊式的工業(yè)通信協(xié)議執(zhí)行操作。遺憾的是，許多工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議既不能彼此互用，也不能與標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)互用，因此限制了技術(shù)供應(yīng)商的大規(guī)模發(fā)展，減緩了創(chuàng)新的步伐。工廠中的單臺機器可能連接不同的工業(yè)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，每種網(wǎng)絡(luò)運行特定的協(xié)議，具備不同的控制功能，如圖1所示。制造商必須部署網(wǎng)關(guān)，在不同網(wǎng)絡(luò)之間傳輸數(shù)據(jù)，或?qū)?shù)據(jù)傳輸至IT系統(tǒng)。

圖1：現(xiàn)代設(shè)備框圖（來源：AVNU）

由于傳統(tǒng)的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議具有以上互聯(lián)互通的限制，所以不能很好地支持工業(yè)4.0。此外，以IT為導(dǎo)向的標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)也不能提供控制系統(tǒng)所需的實時性能。不過，IEEE在2004年成立了一支團隊，負(fù)責(zé)制定消費類應(yīng)用的音頻/視頻流傳輸標(biāo)準(zhǔn)，之后又拓展到了專業(yè)應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)制定。這支團隊制定了一套音頻/視頻橋接（AVB）標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)容涉及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備時間同步（借鑒IEEE 1588）、流量整形及準(zhǔn)入控制。雖然不能完全滿足工業(yè)應(yīng)用的需求，但這些標(biāo)準(zhǔn)為更精確的以太網(wǎng)流量管理提供了一個框架。

這支IEEE團隊在認(rèn)識到將AVB用于工業(yè)用途的潛在可能性之后，將其更名為時間敏感型網(wǎng)絡(luò)（TSN），并且開始修訂802標(biāo)準(zhǔn)系列，致力于滿足工業(yè)和汽車應(yīng)用需求，同時改善專業(yè)音視頻應(yīng)用的性能。新標(biāo)準(zhǔn)定義了時間敏感型流量整形和關(guān)鍵流量調(diào)度策略。為了便于調(diào)度，新標(biāo)準(zhǔn)增加了非關(guān)鍵性幀可搶占的調(diào)度策略，針對冗余網(wǎng)絡(luò)路徑的新標(biāo)準(zhǔn)提升了網(wǎng)絡(luò)的可靠性。現(xiàn)在，工業(yè)企業(yè)可以只部署一種IEEE標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，既能傳輸OT系統(tǒng)中對實時型要求較高的控制流量，又能傳輸IT系統(tǒng)中盡力而為的普通以太網(wǎng)流量。在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已經(jīng)確定的情況下，工業(yè)企業(yè)可以著重關(guān)注OT-IT融合和工業(yè)4.0帶來的戰(zhàn)略效益。圖2顯示的是部分新規(guī)范，這些規(guī)范屬于TSN規(guī)范，具有工業(yè)應(yīng)用案例。

圖2：TSN規(guī)范

2、處理

正如網(wǎng)絡(luò)必須支持時間關(guān)鍵型功能一樣，處理過程也必須如此。采用實時操作系統(tǒng)（RTOS）有助于確?？刂茢?shù)據(jù)包到達(dá)支持TSN的端口時，CPU可以接收這些數(shù)據(jù)包并予以處理。對控制數(shù)據(jù)包的響應(yīng)能力也有助于CPU處理來自其他輸入的處理器事件，并執(zhí)行控制處理器所屬系統(tǒng)的環(huán)路。這些環(huán)路可能需要以不到30微秒的周期運行——這是傳統(tǒng)IT衍生操作系統(tǒng)無法滿足的精度。

若要提高自動化程度則必需提升嵌入式控制器的處理能力?？梢允褂酶咝阅艿奶幚聿僮鱽頊p少控制環(huán)路定時，從而更快速地移動機械臂和裝配線并提高工廠產(chǎn)出。它還可以增加由單個運動控制器管理的軸的數(shù)量，使機器人具有更多關(guān)節(jié)，從而可以在更緊密的空間中工作，或執(zhí)行上一代工廠機器人無法解決的任務(wù)。可以學(xué)習(xí)模仿人類操作過程的機器人還需要圖像處理功能以及新的機器學(xué)習(xí)算法。

商用RTOS包括Wind River的VxWorks和Mentor Graphics的Nucleus。這些供應(yīng)商長久以來一直為恩智浦QorIQ系列及其前代產(chǎn)品提供有力支持。隨著工業(yè)級Linux的出現(xiàn)，開源方案成為另一種選擇。工業(yè)企業(yè)和OEM廠商憑借這些方案能夠靈活地為其系統(tǒng)增加新功能。

與注重IT的非實時嵌入式Linux發(fā)行版不同，工業(yè)級Linux可提供OT所需的可確定性、可管理性、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)和安全性。有一種向Linux添加實時功能的方法是將PREEMPT_RT補丁應(yīng)用于內(nèi)核，以消除某一軟件進程一直受阻于另一進程的情況。在這種方案中，應(yīng)用程序被編碼為常規(guī)Linux API。Xenomai采取的另一種方法是將經(jīng)典的RTOS API添加到Linux系統(tǒng)，這樣便于將傳統(tǒng)RTOS應(yīng)用程序移植到Linux。Xenomai還提供設(shè)備驅(qū)動程序?qū)崟r響應(yīng)外設(shè)的機制，進一步保障Linux的實時功能。為了降低從傳統(tǒng)RTOS轉(zhuǎn)換到Linux的難度，恩智浦正在與工業(yè)Linux社區(qū)展開Linux發(fā)行版方面的合作，在保留標(biāo)準(zhǔn)Linux功能的同時，整合各種實時增強功能和TSN協(xié)議棧。

處理功能還必須可用于分析。物聯(lián)網(wǎng)不僅涉及網(wǎng)絡(luò)嵌入式系統(tǒng)，還涉及從傳感器捕獲數(shù)據(jù)，分析這些數(shù)據(jù)以及指導(dǎo)系統(tǒng)的響應(yīng)。我們通常認(rèn)為是云中的遠(yuǎn)程服務(wù)器執(zhí)行分析。然而，需要傳輸和分析的數(shù)據(jù)量、及時決策的能力以及數(shù)據(jù)的秘密性都會促使制造商在本地處理制造數(shù)據(jù)。只要處理器功能足夠強大，分析過程不僅可以在工廠的計算機上進行，甚至可以在生產(chǎn)設(shè)備中進行。除此之外，還可以使用工業(yè)4.0規(guī)范中的處理功能實現(xiàn)遠(yuǎn)程操作管理，使機器之間實現(xiàn)自主協(xié)調(diào)，并且通過連接生產(chǎn)數(shù)據(jù)和IT系統(tǒng)（例如企業(yè)資源規(guī)劃系統(tǒng)）來獲得更高效率。

3、人機界面

另一個要求處理能力的功能是人機界面（HMI）。智能手機式界面將越來越多地滲透到相對保守的工業(yè)設(shè)備領(lǐng)域。易于使用的可視化界面帶多點觸控平板，可嵌入任何工業(yè)設(shè)備，簡化了操作員對機器的控制。通過高分辨率屏幕可以查看高清（或清晰度更好的）攝像頭的輸出，以檢查貨物的生產(chǎn)情況。這類屏幕將采用與智能手機相同類型的圖形處理單元（GPU）。盡管為降低成本和功耗，這些GPU的3D性能較之智能手機有所下調(diào)，但仍將支持大型高分辨率屏幕；可同時顯示圖形、視頻和文本；并采用美觀的用戶界面。

HMI完美印證了現(xiàn)代數(shù)字工廠中所尋求的IT系統(tǒng)和OT系統(tǒng)融合。HMI應(yīng)用程序通常使用Java SDK或使用基于Web的工具包構(gòu)建。這既加快了應(yīng)用程序的開發(fā)，也使廠商能夠輕松實現(xiàn)整個工廠的流程升級。這需要連接到典型的IT網(wǎng)絡(luò)，支持HMI軟件更新，或提供與Web服務(wù)器的不間斷連接。但這些HMI用于控制工業(yè)設(shè)備，通常會提供安全控制，因此也必須連接OT域。

圖3：人機界面（HMI）面板示例

4、安全性

OT與IT的融合使網(wǎng)絡(luò)增加了遭受安全威脅的風(fēng)險。過去，操作受到隔離保護——幾乎與外界完全隔絕。黑客需要使用物理鏈路來攻擊設(shè)備。融合后的工業(yè)環(huán)境削弱了操作隔離屏障，系統(tǒng)之間可以共享信息以提高效率。因此，必須建立新的屏障來確保系統(tǒng)的完整性，同時保持?jǐn)?shù)據(jù)流動共享。

設(shè)備制造商首先要保障設(shè)備中處理平臺的安全性。他們必須確保自己的系統(tǒng)只執(zhí)行許可的軟件，并且與其他系統(tǒng)實現(xiàn)安全連接。這些系統(tǒng)必須進行安全調(diào)試和定期更新，并能防止對其硬件和軟件的篡改。最近發(fā)布的有關(guān)物聯(lián)網(wǎng)安全的《恩智浦白皮書》詳細(xì)論述了安全性和信任考慮因素。雖然白皮書所述背景是消費者物聯(lián)網(wǎng)，但同樣的考慮因素也適用于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)。工業(yè)環(huán)境中的財務(wù)和安全風(fēng)險更高，對安全系統(tǒng)的需求也更為迫切。

結(jié)論與行動

恩智浦助力工業(yè)4.0設(shè)備制造商，通過新款QorIQ Layerscape LS1028A處理器，實現(xiàn)一流的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、處理性能、人機界面和安全設(shè)計，我們對此倍感自豪。該SoC整合了新一代工業(yè)系統(tǒng)所需的技術(shù)：時間敏感型網(wǎng)絡(luò)、高性能處理、硬件加速的用戶界面，以及高安全性。

LS1028集成四端口千兆以太網(wǎng)交換機以及另外兩個運行速度高達(dá)2.5Gbps的以太網(wǎng)端口，都支持TSN協(xié)議。兩個功能強大的64位ARM CPU為現(xiàn)代工業(yè)應(yīng)用和RTOS（如具有搶占式實時補丁的Linux、Xenomai Linux、Mentor Graphics的Nucleus，以及Wind River的VxWorks）提供所需的計算性能。該處理器的GPU和LCD接口支持高分辨率顯示和觸摸屏輸入。適用于LS1028A的恩智浦軟件中包含一個開源工業(yè)Linux SDK，能夠提供實時性能，并且支持TSN標(biāo)準(zhǔn)。重要的是，該處理器集成了恩智浦的可信平臺架構(gòu)，有助于實現(xiàn)可靠的物聯(lián)網(wǎng)安全性。