工业边缘实时自动化

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作者:Joseph Byrne

某新建机场曾斥资2亿多美元建设行李处理系统,但因为系统故障,最终不得不彻底废弃重建。当时,业内传言称,出现故障的原因是该系统采用了适用于计算的高级操作系统(OS),而不是适用于工业自动化的实时操作系统(RTOS)。

最终结果表明,故障由其他决定性因素造成,但操作系统故障的假设仍然成立。高级操作系统的作用是最大限度地提高计算吞吐量,而实时操作系统(RTOS)是为了减少延迟。在机场环境中,重要的不是行李系统每小时能计算多少件行李,而是能否在行李到达传送带末端之前将其切换到正确的行李转盘上,因此任务的时效性至关重要。高级操作系统适用于计算,而实时操作系统则适用于时效。

既要求高级操作系统提供的丰富操作环境,又要求实时操作系统的时效性时,系统搭建的挑战性较高。工业企业逐渐将实时系统的运营技术(OT)与计算系统的信息技术(IT)融合。恩智浦之前曾发表过一篇关于时间敏感网络(TSN)和Layerscape LS1028A处理器中内置TSN以太网支持方案的博文,其中讨论过这种融合。恩智浦随后在i.MX应用处理器添加了TSN支持。为了解决类似的处理融合问题,恩智浦提供了实时边缘软件,为Linux®内核增加了实时扩展及Jailhouse管理程序等选项。该软件是OpenIL的下一代(曾在之前的博文中介绍过)。

恩智浦Real-Time边缘软件

如上所述,工业自动化系统可能需要在执行时效性任务的同时执行其他任务。不同的硬件(如微处理器和微控制器)可分别用于处理这两类任务。然而比较理想的情况是,在同一个处理器上同时进行,并且不降低实时性能。商用软件可满足这些要求,然而工业系统开发人员希望在跨界兼容平台上部署控制系统,以降低成本、简化维护并利用不断扩展的开源代码市场来满足未来的需求,因此企业愈加希望采用开放、灵活、安全和可扩展的系统架构。

我们矢志不渝地满足工业客户日益增长的需求,为此我们日前宣布将大规模供应real-time边缘软件。通过这款软件,我们的客户能够在实时开源Linux®操作系统上构建实时应用程序。原始设备制造商(OEM)对Linux操作系统青睐有加,出于多种考量:一方面,该操作系统是开放性的,拥有广泛的社区支持;另一方面,企业希望减少技术专有性。恩智浦实时边缘软件让开发人员能够根据自己的需求进行选择,从而灵活地实现这些目标,同时保持应用程序正常工作所需的低延迟与高可靠性。

恩智浦的实时边缘软件为需要确定性延迟和高可靠性的应用提供了安全的开源实时Linux环境,以实现高效且容错的自动化工业控制系统。典型应用包括应用于工业、运动控制、楼宇自动化、专业音频和汽车/航空信息娱乐系统等领域的工业物联网(IIoT)或工业4.0系统。

恩智浦实时边缘软件包含3个重要组件:real-time系统、通信协议和TSN,具体如图1所示。该软件支持许多开箱即用的恩智浦i.MX和Layerscape参考设计板。这些参考设计板集成了工业设备所使用的多种接口,从而可以直接有效地评估恩智浦SoC和软件支持工具(software enablement)的功能。恩智浦技术还有助于开发符合IEEE/IEC60802或其他规范的系统。恩智浦以OpenIL为基础,在Yocto构建系统中提供实时边缘软件版本,Yocto构建系统与恩智浦基于Yocto的标准Linux SDK配套使用。

图1:实时边缘软件系统框图

Real-time系统

Real time系统是一种灵活的异构架构,允许用户选择使用Linux实时操作系统、Jailhouse(允许不同的操作系统同时在不同的内核上运行)、在裸机上运行应用程序(例如在类u-boot框架中),或综合使用上述多种方式。采用该架构,用户可以继续在Jailhouse中运行自己选择的实时操作系统(RTOS)版本及其应用程序,并在不中断其当前部署计划的情况下,规划向Linux实时操作系统或裸机框架的过渡。

通信协议

实时边缘软件支持常用的工业通信协议,如EtherCAT®、FlexCAN®、CANopen®、OPC UA和Modbus。这些协议有助于在工业控制系统中互连各种节点,如系统、接口和仪表。这些协议带来了独特的优势,可在网络上执行确定性和有时限的实时任务,并使控制系统能够高效、低成本地运行。

恩智浦的实时边缘软件还支持低功耗无线通信协议(如Zigbee®、BLE、NFC以及最新的Wi-Fi标准),为用户提供广泛的连接选择,满足其各种终端应用需求。此外,恩智浦还提供广泛的无线产品组合,作为我们的微处理器和微控制器产品组合的补充,详细信息请访问nxp.com/wireless。

时间敏感网络

IEEE定义了时间敏感网络,用于提供面向工业应用的确定性以太网网络。恩智浦支持TSN的SoC可帮助客户构建符合IEEE/IEC60802或其他TSN规范的系统。实时边缘软件集成了TSN协议,能够为各种遵循TSN规范的实时应用提供高可靠性、低冗余、确定性低延迟和资源管理能力。

下面的图2展示了TSN如何与精确时间协议(PTP/IEEE1588v2)一起,为网络上的每个节点预留时间窗口,消除以太网上的带宽争用,从而发送时间敏感数据。

图2:以太网TSN 红色实线表示每个节点在不争用带宽的情况下进行通信的预留时间窗口

结束语

总而言之,恩智浦的real-time边缘软件支持异构操作系统架构、一系列工业协议和以太网TSN。它为用户提供了更多选择,可灵活地以经济高效的方式实施开放、安全、可靠和可扩展的工业自动化控制系统。该软件基于恩智浦的Linux SDK构建,很好地补充了恩智浦广泛的微控制器、微处理器和无线产品组合。企业如果希望参与工业4.0,并计划通过工业设备智能化以及IT和OT融合来实现工厂现代化,该软件将带来诸多好处。另外,专业机场行李运输企业也能够从中获益。

如需了解更多信息,请访问恩智浦Real-Time边缘软件。


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