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工業4.0四大技術之必要
 

【作者: NXP】   2019年07月24日 星期三

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在被稱為工業4.0的轉型下,精明的製造商正忙於構思和創造未來的智慧工業企業。通過整合他們的資訊技術(Iinformation Technology,IT)和營運技術(Operational Technology,OT)領域,構建下一代智慧系統,以優化可製造性,提高營運、增強客戶支援,並分析工業物聯網(IIoT)提供的實時資料數據。


IoT的概念,在其最簡易簡單的形式,是關於將嵌入式系統連接到更廣闊的世界。更廣泛地說,它包含資料分析(通常在雲中)、人工交互和安全性。挑戰則是在一個地方整合四種必要的工業物聯網技術:網路、處理、使用者介面和安全性。恩智浦的QorIQ Layerscape LS1028A處理器可以符合這一挑戰。


時效性網路

只有調整綁定每個領域的網路,才能合併IT和OT。因為每個領域在功能上差異很大,其網路也基本不同。IT領域包含將資料轉換為有用資訊的系統。


對於製造商來說,它包括常見的系統,如會計、電子郵件和客戶關係管理,還包括製造特定的系統,如規劃和物流。這些系統是基於電腦的系統,沒有硬性的即時限制,可以使用常規乙太網存取。


OT領域包括用於將材料轉化為產品的系統、用於程序控制的即時嵌入式系統、工作管理和過程監控。工廠可以使用工業乙太網調整標準乙太網以提供即時回應並與傳統工業技術配合的技術通訊協定。


不幸的是,許多工業乙太網協定既不與相互協同操作或可使用標準乙太網,限制了技術供應商的規模經濟,從而減緩創新。工廠中的一台機器可以連接到不同的工業乙太網網路,每個運行其特定協定,針對不同的控制功能,如圖1所示。製造商必須部署閘道,在不同網路之間傳遞資料或傳遞資料到IT系統。


由於工業乙太網協定的互通性有限,因此不太適合工業4.0。同時,基於IT系統的標準乙太網無法提供控制即時性能系統需求。然而,IEEE在2004年成立了一個小組,為音訊/視頻制定標準流用於消費者應用,隨後擴展其努力以滿足專業標準。此小組開發了一系列音訊/視頻橋接(AVB)標準,用於將網路上的設備同步到同一時間基準(借用IEEE 1588)、流量整形和准入控制。雖然不是完美這適用於工業應用,這些標準提供了一個架構更精確地管理乙太網流量。


現代機器流程架構


圖1 : 現代機器流程圖sourceAVNU
圖1 : 現代機器流程圖sourceAVNU

IEEE協會認識到將AVB用於工業用途的潛力,將其名稱改為時效性網絡(Time-Sensitive Networking,TSN),並開始修訂802標準系列,以滿足工業需求和汽車應用,以及改進專業音訊/視頻使用功能。新標準定義時間感知流量整形和策略,以啟用關鍵流量調度。為了便於調度,新標準啟用優先使用非關鍵幀。冗餘網路路徑的新標準提高了網路可靠性。工業公司現在可以部署單個IEEE標準乙太網網路承載著OT系統的時間關鍵控制流量和IT系統的常規流量。


現在,工業物聯網的關鍵網路技術已經定義,這些公司可以專注於OT-IT融合和工業4.0的戰略優勢。表1展示部分屬於TSN的新規範,以及工業應用案例。


表1:TSN規範

TSN 規範

說明

802.1AS-Rev

計時和同步

802.1Qav

轉發和佇列增強功能

802.1Qbv

增強計畫流量

802.1Qca

路徑控制和預留

802.1Qat

保留協定

802.1Qcc

增強流保留協定

802.1Qci

過濾和策略

802.1CB

幀複製和消除可靠性

802.1Qbu

幀搶佔

802.1Qch

迴圈排隊和轉發


處理

正如網路必須支援時間關鍵函數一樣,處理也必須支援。即時作業系統(RTOS)有助於確保CPU在到達啟用TSN的埠。回應控制資料包的能力還有助於 CPU 解決即將發生的事件處理器從其他輸入執行環路,以控制系統處理器的一部分。這些迴圈可能需要運行到每 30 微秒或更快一次 ,傳統的 IT 衍生作業系統無法滿足。對更多自動化的需求要求增加嵌入式控制器的處理能力。


更高的處理性能可用於減少控制回路定時,更快地移動機械臂和裝配線,並增加工廠產量。它還可以增加由單個運動控制器管理的軸數,使機器人具有更鉸接的接頭,可在更狹小的空間內操作或執行上一代工廠機器人無法解決的任務。能夠從作業人員學習任務的機器人需要影像處理技術,以配合新的機器學習演算法。


商業RTOS包括來自Wind River的VxWorks和Mentor Graphics的Nucleus。這些供應商長期支援恩智浦QorIQ家族及其前身處理器。隨著工業級LinuxR興起,開源替代品是另一種選擇。這些為工業企業提供和 OEM 的敏捷性,可為其系統添加新功能。


與以 IT 為中心和非即時嵌入式 Linux 發行版本不同,工業級發行版本提供確定性、可管理性、工業網路和 OT 所需的安全性。一種在Linux添加即時功能的方法是將 PREEMPT_RT 修補程式應用於內核,以消除軟體進程被另一個進程無限期地阻止。


在此方案中,應用程式被編碼為一般的 Linux API。Xenomai 採取的另一種方法是向 Linux 系統添加經典的 RTOS API,促進將傳統的RTOS應用程式移植到Linux。Xenomai 還提供設備驅動程式即時回應週邊設備,從而鞏固 Linux 可以提供的即時保證。


為了緩解從傳統RTOS過渡到Linux,恩智浦正在與工業Linux社區合作發行集成各種即時增強功能和 TSN 堆疊,同時保持標準 Linux 功能。處理能力也必須可用於分析。物聯網不僅與網路嵌入式有關系統,但有關從感應器捕獲資料,分析資料,並指導系統的回應。


一個常見的概念是雲中的遠端伺服器執行分析。但是,考量到資料傳輸與分析的數量,決策的時間關鍵性,以及資料數據的專有特性,會引導製造商在本地處理製造資料。分析數據不僅可以在工廠現場的電腦進行,但即使在生產機械內部,也有足夠的強大處理器。


除分析外,工業 4.0 系統的處理能力將用於遠端系統管理操作,使機器能夠自主地相互協調,並從連結生產資料和 IT 系統中提高效率,如用於企業資源規劃的系統。


人機介面

另一個要求處理能力的功能是人機介面(HMI)。智慧手機啟發介面日益滲透到工業設備的世界。便於使用的視覺化介面或多點觸控平板可嵌入任何工業設備,簡化了操作員操作機器的過程。高解析度螢幕允許查看高清(或更好的)攝像機檢測輸出貨物。驅動這些螢幕將是在智慧手機中相同類型的圖形處理單元(GPU)。


儘管這些GPU的3D性能在智慧手機中會因降低成本和功耗而性能降低,他們將支援大型高解析度螢幕;圖形疊加,視頻和文本;以及光滑的使用者介面。HMI是現代數位技術中IT和OT系統需要融合的完美示例。



圖2 : HMI面板示例
圖2 : HMI面板示例

HMI應用程式通常使用JAVA SDK或使用基於Web的工具組構建。這加速了開發應用程式,並允許工廠擁有者輕鬆升級整個流程。這需要連接到典型的IT網路,為HMI啟用軟體更新,或提供與 Web 服務器的持續連接。但是,這些HMI用於控制工業機械,因此它們通常還必須與OT領域連接,提供安全控制。


安全

OT和IT的融合增加了安全威脅的風險。過去,操作是孤立的,幾乎 不受外界影響。駭客需要物理連結來攻擊電腦。OT 和 IT 的融合侵蝕隔離操作的障礙,以便在系統之間共用資訊 提高效率。必須設置新的障礙,以確保系統的完整性,同時保持資料流程的滲透性。


設備製造商的第一步是保護其設備。他們必須確保其系統僅執行經批准的軟體,並安全地連接到其他系統。這些系統必須安全調試並定期更新,並防止篡改其硬體和軟體。


恩智浦最近關於物聯網安全的白皮書詳盡地討論了安全性和信任考量因素。同樣考量事項也適用工業物聯網。而且,工業環境中的財務和安全風險較高,從而放大了其需要安全系統的必要性。


結論和行動呼籲

恩智浦新型處理器QorIQ Layerscape LS1028A讓工業4.0設備製造商融入最先進的網路、處理、HMI 和設計安全性。這款SoC將下一代工業系統所需的技術集成在一個位置:時效性網路、高性能處理、硬體加速使用者介面和高安全性。


LS1028集成一個四埠千兆乙太網交換器和兩個附加乙太網埠,運行速度高達2.5Gbps,實現TSN協定。兩個強大的64位ARM CPU提供所需的計算性能適用於現代工業應用和RTOS,如具有即時修補程式的 Linux、Xenomai Linux、來自Mentor Graphics的Nucleus, Wind River的VxWorks。處理器的GPU和LCD介面允許支援高解析度顯示器和觸控式螢幕輸入。


用於LS1028A的恩智浦套裝軟體包括開源工業Linux SDK具有即時性能和對TSN標準的支援。該處理器整合了恩智浦的信任架構,有助於實現防彈物聯網安全性。3製造商正在經歷工廠和企業運營方式的代際變革。恩智浦歡迎領先的設備製造商合作推動這一轉型。


(本文作者Joseph Byrne為恩智浦半導體資深策略行銷經理,Jeff Steinheider為恩智浦半導體資深產品行銷經理)


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