在“工業(yè)4.0”的轉型浪潮之下，富有遠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（IT）域和操作技術（OT）域融為一體，構建新一代智能系統(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：網(wǎng)絡技術、處理技術、用戶界面技術和安全性技術。恩智浦全新的QorIQ Layerscape LS1028A處理器可輕松應對上述挑戰(zhàn)。

1、時間敏感型網(wǎng)絡

只有通過調整連接IT域和OT域的網(wǎng)絡，才能實現(xiàn)二者的融合。域的功能千差萬別，其網(wǎng)絡也截然不同。IT域包含將數(shù)據(jù)轉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、電子郵件及客戶關系管理系統(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，沒有硬實時要求，因此IT網(wǎng)絡可以采用“盡力而為”的普通以太網(wǎng)技術。

OT域則包含將物料轉化為產(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，利用標準以太網(wǎng)提供實時響應，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，也不能與標準以太網(wǎng)互用，因此限制了技術供應商的大規(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，每種網(wǎng)絡運行特定的協(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，在不同網(wǎng)絡之間傳輸數(shù)據(jù)，或將數(shù)據(jù)傳輸至IT系統(tǒng)。

圖1：現(xiàn)代設備框圖（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為導向的標準以太網(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，負責制定消費類應用的音頻/視頻流傳輸標準，之后又拓展到了專業(yè)應用的標準制定。這支團隊制定了一套音頻/視頻橋接（AVB）標準，內容涉及網(wǎng)絡設備時間同步（借鑒IEEE 1588）、流量整形及準入控制。雖然不能完全滿足工業(yè)應用的需求，但這些標準為更精確的以太網(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（TSN），并且開始修訂802標準系列，致力于滿足工業(yè)和汽車應用需求，同時改善專業(yè)音視頻應用的性能。新標準定義了時間敏感型流量整形和關鍵流量調度策略。為了便于調度，新標準增加了非關鍵性幀可搶占的調度策略，針對冗余網(wǎng)絡路徑的新標準提升了網(wǎng)絡的可靠性?，F(xiàn)在，工業(yè)企業(yè)可以只部署一種IEEE標準以太網(wǎng)網(wǎng)絡，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)的關鍵網(wǎng)絡技術已經(jīng)確定的情況下，工業(yè)企業(yè)可以著重關注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)應用案例。

圖2：TSN規(guī)范

2、處理

正如網(wǎng)絡必須支持時間關鍵型功能一樣，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。可以使用更高性能的處理操作來減少控制環(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。可以學習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習算法。

商用RTOS包括Wind River的VxWorks和Mentor Graphics的Nucleus。這些供應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補丁應用于內核，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應用程序移植到Linux。Xenomai還提供設備驅動程序實時響應外設的機制，進一步保障Linux的實時功能。為了降低從傳統(tǒng)RTOS轉換到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，在保留標準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)以及指導系統(tǒng)的響應。我們通常認為是云中的遠程服務器執(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)遠程操作管理，使機器之間實現(xiàn)自主協(xié)調，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)設備領域。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，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應用程序通常使用Java SDK或使用基于Web的工具包構建。這既加快了應用程序的開發(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，支持HMI軟件更新，或提供與Web服務器的不間斷連接。但這些HMI用于控制工業(yè)設備，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)絡增加了遭受安全威脅的風險。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，同時保持數(shù)據(jù)流動共享。

設備制造商首先要保障設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)布的有關物聯(lián)網(wǎng)安全的《恩智浦白皮書》詳細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)境中的財務和安全風險更高，對安全系統(tǒng)的需求也更為迫切。

結論與行動

恩智浦助力工業(yè)4.0設備制造商，通過新款QorIQ Layerscape LS1028A處理器，實現(xiàn)一流的網(wǎng)絡環(huán)境、處理性能、人機界面和安全設計，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：時間敏感型網(wǎng)絡、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標準。重要的是，該處理器集成了恩智浦的可信平臺架構，有助于實現(xiàn)可靠的物聯(lián)網(wǎng)安全性。