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工业4.0四大技术之必要
 

【作者: NXP】2019年07月24日 星期三

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在被称为工业4.0的转型下,精明的制造商正忙於构思和创造未来的智慧工业企业。通过整合他们的资讯技术(Iinformation Technology,IT)和营运技术(Operational Technology,OT)领域,构建下一代智慧系统,以优化可制造性,提高营运、增强客户支援,并分析工业物联网(IIoT)提供的实时资料数据。


IoT的概念,在其最简易简单的形式,是关於将嵌入式系统连接到更广阔的世界。更广泛地说,它包含资料分析(通常在云中)、人工交互和安全性。挑战则是在一个地方整合四种必要的工业物联网技术:网路、处理、使用者介面和安全性。恩智浦的QorIQ Layerscape LS1028A处理器可以符合这一挑战。


时效性网路

只有调整绑定每个领域的网路,才能合并IT和OT。因为每个领域在功能上差异很大,其网路也基本不同。IT领域包含将资料转换为有用资讯的系统。


对於制造商来说,它包括常见的系统,如会计、电子邮件和客户关系管理,还包括制造特定的系统,如规划和物流。这些系统是基於电脑的系统,没有硬性的即时限制,可以使用常规乙太网存取。


OT领域包括用於将材料转化为产品的系统、用於程序控制的即时嵌入式系统、工作管理和过程监控。工厂可以使用工业乙太网调整标准乙太网以提供即时回应并与传统工业技术配合的技术通讯协定。


不幸的是,许多工业乙太网协定既不与相互协同操作或可使用标准乙太网,限制了技术供应商的规模经济,从而减缓创新。工厂中的一台机器可以连接到不同的工业乙太网网路,每个运行其特定协定,针对不同的控制功能,如图1所示。制造商必须部署闸道,在不同网路之间传递资料或传递资料到IT系统。


由於工业乙太网协定的互通性有限,因此不太适合工业4.0。同时,基於IT系统的标准乙太网无法提供控制即时性能系统需求。然而,IEEE在2004年成立了一个小组,为音讯/视频制定标准流用於消费者应用,随後扩展其努力以满足专业标准。此小组开发了一系列音讯/视频桥接(AVB)标准,用於将网路上的设备同步到同一时间基准(借用IEEE 1588)、流量整形和准入控制。虽然不是完美这适用於工业应用,这些标准提供了一个架构更精确地管理乙太网流量。


现代机器流程架构


图1 : 现代机器流程图sourceAVNU
图1 : 现代机器流程图sourceAVNU

IEEE协会认识到将AVB用於工业用途的潜力,将其名称改为时效性网络(Time-Sensitive Networking,TSN),并开始修订802标准系列,以满足工业需求和汽车应用,以及改进专业音讯/视频使用功能。新标准定义时间感知流量整形和策略,以启用关键流量调度。为了便於调度,新标准启用优先使用非关键帧。冗馀网路路径的新标准提高了网路可靠性。工业公司现在可以部署单个IEEE标准乙太网网路承载着OT系统的时间关键控制流量和IT系统的常规流量。


现在,工业物联网的关键网路技术已经定义,这些公司可以专注於OT-IT融合和工业4.0的战略优势。表1展示部分属於TSN的新规范,以及工业应用案例。


表1:TSN规范 table border="1" cellspacing="0" class="MsoTableGrid" style="border-collapse:collapse; border:solid windowtext 1.0pt">

TSN 规范

说明

802.1AS-Rev

计时和同步

802.1Qav

转发和伫列增强功能

802.1Qbv

增强计画流量

802.1Qca

路径控制和预留

802.1Qat

保留协定

802.1Qcc

增强流保留协定

802.1Qci

过滤和策略

802.1CB

帧复制和消除可靠性

802.1Qbu

帧抢占

802.1Qch

??圈排队和转发


处理

正如网路必须支援时间关键函数一样,处理也必须支援。即时作业系统(RTOS)有助於确保CPU在到达启用TSN的埠。回应控制资料包的能力还有助於 CPU 解决即将发生的事件处理器从其他输入执行环路,以控制系统处理器的一部分。这些??圈可能需要运行到每 30 微秒或更快一次 ,传统的 IT 衍生作业系统无法满足。对更多自动化的需求要求增加嵌入式控制器的处理能力。更高的处理性能可用於减少控制回路定时,更快地移动机械臂和装配线,并增加工厂产量。它还可以增加由单个运动控制器管理的轴数,使机器人具有更铰接的接头,可在更狭小的空间内操作或执行上一代工厂机器人无法解决的任务。能够从作业人员学习任务的机器人需要影像处理技术,以配合新的机器学习演算法。


商业RTOS包括来自Wind River的VxWorks和Mentor Graphics的Nucleus。这些供应商长期支援恩智浦QorIQ家族及其前身处理器。随着工业级LinuxR兴起,开源替代品是另一种选择。这些为工业企业提供和 OEM 的敏捷性,可为其系统添加新功能。与以 IT 为中心和非即时嵌入式 Linux 发行版本不同,工业级发行版本提供确定性、可管理性、工业网路和 OT 所需的安全性。一种在Linux添加即时功能的方法是将 PREEMPT_RT 修补程式应用於内核,以消除软体进程被另一个进程无限期地阻止。在此方案中,应用程式被编码为一般的 Linux API。Xenomai 采取的另一种方法是向 Linux 系统添加经典的 RTOS API,促进将传统的RTOS应用程式移植到Linux。Xenomai 还提供设备驱动程式即时回应周边设备,从而巩固 Linux 可以提供的即时保证。为了缓解从传统RTOS过渡到Linux,恩智浦正在与工业Linux社区合作发行集成各种即时增强功能和 TSN 堆叠,同时保持标准 Linux 功能。处理能力也必须可用於分析。物联网不仅与网路嵌入式有关系统,但有关从感应器捕获资料,分析资料,并指导系统的回应。


一个常见的概念是云中的远端伺服器执行分析。但是,考量到资料传输与分析的数量,决策的时间关键性,以及资料数据的专有特性,会引导制造商在本地处理制造资料。分析数据不仅可以在工厂现场的电脑进行,但即使在生产机械内部,也有足够的强大处理器。除分析外,工业 4.0 系统的处理能力将用於远端系统管理操作,使机器能够自主地相互协调,并从连结生产资料和 IT 系统中提高效率,如用於企业资源规划的系统。


人机介面

另一个要求处理能力的功能是人机介面(HMI)。智慧手机启发介面日益渗透到工业设备的世界。便於使用的视觉化介面或多点触控平板可嵌入任何工业设备,简化了操作员操作机器的过程。高解析度萤幕允许查看高清(或更好的)摄像机检测输出货物。驱动这些萤幕将是在智慧手机中相同类型的图形处理单元(GPU)。


尽管这些GPU的3D性能在智慧手机中会因降低成本和功耗而性能降低,他们将支援大型高解析度萤幕;图形叠加,视频和文本;以及光滑的使用者介面。HMI是现代数位技术中IT和OT系统需要融合的完美示例。



图2 : HMI面板示例
图2 : HMI面板示例

HMI应用程式通常使用JAVA SDK或使用基於Web的工具组构建。这加速了开发应用程式,并允许工厂拥有者轻松升级整个流程。这需要连接到典型的IT网路,为HMI启用软体更新,或提供与 Web 服务器的持续连接。但是,这些HMI用於控制工业机械,因此它们通常还必须与OT领域连接,提供安全控制。


安全

OT和IT的融合增加了安全威胁的风险。过去,操作是孤立的,几?? 不受外界影响。骇客需要物理连结来攻击电脑。OT 和 IT 的融合侵蚀隔离操作的障碍,以便在系统之间共用资讯 提高效率。必须设置新的障碍,以确保系统的完整性,同时保持资料流程的渗透性。


设备制造商的第一步是保护其设备。他们必须确保其系统仅执行经批准的软体,并安全地连接到其他系统。这些系统必须安全调试并定期更新,并防止篡改其硬体和软体。


恩智浦最近关於物联网安全的白皮书详尽地讨论了安全性和信任考量因素。同样考量事项也适用工业物联网。而且,工业环境中的财务和安全风险较高,从而放大了其需要安全系统的必要性。


结论和行动呼吁

恩智浦新型处理器QorIQ Layerscape LS1028A让工业4.0设备制造商融入最先进的网路、处理、HMI 和设计安全性。这款SoC将下一代工业系统所需的技术集成在一个位置:时效性网路、高性能处理、硬体加速使用者介面和高安全性。


LS1028集成一个四埠千兆乙太网交换器和两个附加乙太网埠,运行速度高达2.5Gbps,实现TSN协定。两个强大的64位ARM CPU提供所需的计算性能适用於现代工业应用和RTOS,如具有即时修补程式的 Linux、Xenomai Linux、来自Mentor Graphics的Nucleus, Wind River的VxWorks。处理器的GPU和LCD介面允许支援高解析度显示器和触控式萤幕输入。用於LS1028A的恩智浦套装软体包括开源工业Linux SDK具有即时性能和对TSN标准的支援。该处理器集成了恩智浦的信任架构,有助於实现防弹物联网安全性。3制造商正在经历工厂和企业运营方式的代际变革。恩智浦欢迎领先的设备制造商合作推动这一转型。


(本文作者Joseph Byrne为恩智浦半导体资深策略行销经理,Jeff Steinheider为恩智浦半导体资深产品行销经理)


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