面向工业4.0的四项技术

shuszhao · 发表于 2017-12-14 10:27:38

最简单的物联网概念就是通过嵌入式系统连接更广阔的世界，但就更广泛的层面而言，它还涉及数据分析(通常在云中进行)、人机交互和安全性。其挑战在于，制造商需要充分整合四项必不可少的工业物联网技术：网络技术、处理技术、用户界面技术和安全性技术。

在“工业4.0”的转型浪潮之下，富有远见的制造商正忙于筹划和打造未来的智能工业企业。他们将信息技术(IT)域和操作技术(OT)域融为一体，构建新一代智能系统，从而促进生产、改善运营、增强客户支持，还可以分析工业物联网提供的实时数据。最简单的物联网(IoT)概念就是通过嵌入式系统连接更广阔的世界。就更广泛的层面而言，它还涉及数据分析(通常在云中进行)、人机交互和安全性。其挑战在于，制造商需要充分整合四项必不可少的工业物联网技术：网络技术、处理技术、用户界面技术和安全性技术。

时间敏感型网络

只有通过调整连接IT域和OT域的网络，才能实现二者的融合。域的功能千差万别，其网络也截然不同。IT域包含将数据转换为有用信息的系统。对于制造商而言，它不但包含通用系统，如财务、电子邮件及客户关系管理系统，还包括制造业特需的管理规划和物流系统。这些系统都以计算机为基础，没有硬实时要求，因此IT网络可以采用“尽力而为”的普通以太网技术。
OT域则包含将物料转化为产品的系统，以及用于实施流程控制、工作流管理和流程监控的实时嵌入式系统。工厂可使用工业以太网技术，利用标准以太网提供实时响应，并使用旧式的工业通信协议执行操作。遗憾的是，许多工业以太网协议既不能彼此互用，也不能与标准以太网互用，因此限制了技术供应商的大规模发展，减缓了创新的步伐。工厂中的单台机器可能连接不同的工业以太网网络，每种网络运行特定的协议，具备不同的控制功能，如图1所示。制造商必须部署网关，在不同网络之间传输数据，或将数据传输至IT系统。

图1：现代设备框图。(来源：AVNU)
由于传统的工业以太网协议具有以上互联互通的限制，所以不能很好地支持工业4.0。此外，以IT为导向的标准以太网也不能提供控制系统所需的实时性能。不过，IEEE在2004年成立了一支团队，负责制定消费类应用的音频/视频流传输标准，之后又拓展到了专业应用的标准制定。这支团队制定了一套音频/视频桥接(AVB)标准，内容涉及网络设备时间同步(借鉴IEEE 1588)、流量整形及准入控制。虽然不能完全满足工业应用的需求，但这些标准为更精确的以太网流量管理提供了一个框架。
这支IEEE团队在认识到将AVB用于工业用途的潜在可能性之后，将其更名为时间敏感型网络(TSN)，并且开始修订802标准系列，致力于满足工业和汽车应用需求，同时改善专业音视频应用的性能。新标准定义了时间敏感型流量整形和关键流量调度策略。
为了便于调度，新标准增加了非关键性帧可抢占的调度策略，针对冗余网络路径的新标准提升了网络的可靠性。现在，工业企业可以只部署一种IEEE标准以太网网络，既能传输OT系统中对实时型要求较高的控制流量，又能传输IT系统中尽力而为的普通以太网流量。在工业物联网的关键网络技术已经确定的情况下，工业企业可以着重关注OT-IT融合和工业4.0带来的战略效益。图2显示的是部分新规范，这些规范属于TSN规范，具有工业应用案例。

图2：TSN规范。

处理

正如网络必须支持时间关键型功能一样，处理过程也必须如此。采用实时操作系统(RTOS)有助于确保控制数据包到达支持TSN的端口时，CPU可以接收这些数据包并予以处理。对控制数据包的响应能力也有助于CPU处理来自其他输入的处理器事件，并执行控制处理器所属系统的环路。这些环路可能需要以不到30微秒的周期运行——这是传统IT衍生操作系统无法满足的精度。若要提高自动化程度则必需提升嵌入式控制器的处理能力。可以使用更高性能的处理操作来减少控制环路定时，从而更快速地移动机械臂和装配线并提高工厂产出。它还可以增加由单个运动控制器管理的轴的数量，使机器人具有更多关节，从而可以在更紧密的空间中工作，或执行上一代工厂机器人无法解决的任务。可以学习模仿人类操作过程的机器人还需要图像处理功能以及新的机器学习算法。
商用RTOS包括Wind River的VxWorks和Mentor Graphics的Nucleus。这些供应商长久以来一直为恩智浦QorIQ系列及其前代产品提供有力支持。随着工业级Linux的出现，开源方案成为另一种选择。工业企业和OEM厂商凭借这些方案能够灵活地为其系统增加新功能。
与注重IT的非实时嵌入式Linux发行版不同，工业级Linux可提供OT所需的可确定性、可管理性、工业网络和安全性。有一种向Linux添加实时功能的方法是将PREEMPT_RT补丁应用于内核，以消除某一软件进程一直受阻于另一进程的情况。在这种方案中，应用程序被编码为常规Linux API。Xenomai采取的另一种方法是将经典的RTOS API添加到Linux系统，这样便于将传统RTOS应用程序移植到Linux。Xenomai还提供设备驱动程序实时响应外设的机制，进一步保障Linux的实时功能。为了降低从传统RTOS转换到Linux的难度，恩智浦正在与工业Linux社区展开Linux发行版方面的合作，在保留标准Linux功能的同时，整合各种实时增强功能和TSN协议栈。
处理功能还必须可用于分析。物联网不仅涉及网络嵌入式系统，还涉及从传感器捕获数据，分析这些数据以及指导系统的响应。我们通常认为是云中的远程服务器执行分析。然而，需要传输和分析的数据量、及时决策的能力以及数据的秘密性都会促使制造商在本地处理制造数据。只要处理器功能足够强大，分析过程不仅可以在工厂的计算机上进行，甚至可以在生产设备中进行。除此之外，还可以使用工业4.0规范中的处理功能实现远程操作管理，使机器之间实现自主协调，并且通过连接生产数据和IT系统(例如企业资源规划系统)来获得更高效率。

人机界面

另一个要求处理能力的功能是人机界面(HMI)。智能手机式界面将越来越多地渗透到相对保守的工业设备领域。易于使用的可视化界面带多点触控平板，可嵌入任何工业设备，简化了操作员对机器的控制。通过高分辨率屏幕可以查看高清(或清晰度更好的)摄像头的输出，以检查货物的生产情况。这类屏幕将采用与智能手机相同类型的图形处理单元(GPU)。尽管为降低成本和功耗，这些GPU的3D性能较之智能手机有所下调，但仍将支持大型高分辨率屏幕；可同时显示图形、视频和文本；并采用美观的用户界面。
HMI完美印证了现代数字工厂中所寻求的IT系统和OT系统融合。HMI应用程序通常使用Java SDK或使用基于Web的工具包构建。这既加快了应用程序的开发，也使厂商能够轻松实现整个工厂的流程升级。这需要连接到典型的IT网络，支持HMI软件更新，或提供与Web服务器的不间断连接。但这些HMI用于控制工业设备，通常会提供安全控制，因此也必须连接OT域。

图3：HMI面板示例。

安全性

OT与IT的融合使网络增加了遭受安全威胁的风险。过去，操作受到隔离保护——几乎与外界完全隔绝。黑客需要使用物理链路来攻击设备。融合后的工业环境削弱了操作隔离屏障，系统之间可以共享信息以提高效率。因此，必须建立新的屏障来确保系统的完整性，同时保持数据流动共享。设备制造商首先要保障设备中处理平台的安全性。他们必须确保自己的系统只执行许可的软件，并且与其他系统实现安全连接。这些系统必须进行安全调试和定期更新，并能防止对其硬件和软件的篡改。最近发布的有关物联网安全的《恩智浦白皮书》详细论述了安全性和信任考虑因素。虽然白皮书所述背景是消费者物联网，但同样的考虑因素也适用于工业物联网。工业环境中的财务和安全风险更高，对安全系统的需求也更为迫切。

结论和行动措施

恩智浦助力工业4.0设备制造商，通过新款QorIQ Layerscape LS1028A处理器，实现一流的网络环境、处理性能、人机界面和安全设计。该SoC整合了新一代工业系统所需的技术：时间敏感型网络、高性能处理、硬件加速的用户界面以及高安全性。LS1028集成四端口千兆以太网交换机以及另外两个运行速度高达2.5Gbps的以太网端口，都支持TSN协议。两个功能强大的64位ARM CPU为现代工业应用和RTOS(如具有抢占式实时补丁的Linux、Xenomai Linux、Mentor Graphics的Nucleus以及Wind River的VxWorks)提供所需的计算性能。该处理器的GPU和LCD接口支持高分辨率显示和触摸屏输入。适用于LS1028A的恩智浦软件中包含一个开源工业Linux SDK，能够提供实时性能，并且支持TSN标准。重要的是，该处理器集成了恩智浦的可信平台架构，有助于实现可靠的物联网安全性。