中科时代：以算控一体为设计理念破解工业控制难题
时间: 2024-04-18 23:04:32 | 作者: 驱动器
从云计算到大数据，从AI到工业互联网，这些先进的技术为工业制造带来了前所未有的机遇和挑战。随技术的发展，众多工业设施有必要进行数据交互和实时控制，对控制设备的计算能力也提出了更高的要求。
作为一家在PC控制、双域操作系统开发、运动控制算法和AI算法等领域拥有强大技术优势的企业，中科时代致力于为工业场景提供高效、稳定、可靠的工业自动化和智能化解决方案。中科时代嵌入式软件和操作系统专家宋健玮在接受gongkong采访时表示，自成立以来，中科时代始终致力于基于PC架构研发算控一体的工智机产品，不仅为用户更好的提供了多样化的功能选择和扩展可能性，同时还将PC控制性能提升至新的高度，实现了系统资源的高效利用。
访谈中，宋健玮详细分享了中科时代在工智机产品创新与突破方面的努力。他指出，中科时代在工智机产品的研发上从始至终坚持创新，并不断寻求突破。这种创新与突破不仅体现在产品的硬件设计上，更体现在软件的优化与功能的拓展上。
在传统的分体式架构中，控制管理系统分为上位机和下位机两个主要部分，主要由工控机和多种PLC控制器组成，不仅体积非常庞大，系统实时性很难随工控机算力而提升，不足以满足处理大量实时数据，部署多控制器造成系统复杂度几何上升。相较于传统的工控机和PLC组合，中科时代的工智机产品，将边缘计算与控制相结合，通过一套控制器搭配一套软件和一套程序，可同时具备运动控制、逻辑控制、机器视觉、组态显示等功能，能够使工业控制设备更好地适应复杂和多变的生产环境，并具有更高的实时性和算力可伸缩性。
“传统架构在处理大量伺服电机所涉及的实时性和稳定能力要求时，很难实现有效的突破。当轴数超过32轴时，传统架构的复杂性将翻倍提升。工智机通过简化架构，能够轻松应对256轴的大场景。”宋健玮补充道。此外，传统的上位下位机通讯被工智机跨域共享内存所替代，数据吞吐量比传统以太网通讯快2-3个量级。相比传统架构，由于没过度的通讯配置、线路维护，AI编程与IEC标准工艺编程融合，工智机的应用还能够更好的降低部署成本，减少人员要求和相应成本。
软件方面，中科时代推出了基于Xenomai的双域操作系统MetaOS和MetaHypervisor虚拟化管理软件，可实现高效的资源管理和精确的任务调度。通过软件定义，中科时代实现了硬件算力上的伸缩，并通过操作系统实时域和非实时域的隔离，以及MetaHypervisor的配置，将算力依照客户的现场需求合理分配，灵活伸缩，实际做到通过软件定义，将算力应用在客户现场工业需要的关键点上。此外，无缝整合了Codesys PLC平台，中科时代还推出了MetaFacture/MetaRTE软件，不仅支持IEC61131-3编程、编译、下装、运行等功能，支持EtherCAT、Profinet、EthernetIP、DeviceNet、CANOpen、Modbus、OPC等常见工业通讯，还集成了几百种中科时代自研的视觉算法功能块，例如形状识别、颜色识别、测量、文字识别等。
借助Xenomai框架，在非实时域CPU、GPU压力满载的情况下，工智机达到EtherCAT 128轴1毫秒DC同步的稳定输出能力，且抖动小于30微秒的高实时性能，中科时代的工智机产品在控制方面展现出了显著优势，能够很好的满足严格的控制精度要求。此外，工智机产品还具备强大的算力。这主要得益于与Intel、海光、英伟达、寒武纪等硬件的紧密合作，这些合作伙伴的强大计算能力赋予了工智机在AI应用上的卓越表现，从而为用户所带来了全新的计算机化自动化体验。
凭借稳定的表现，采用Xenomai框架的工智机已经在众多行业中发挥关键作用。例如，中科时代为多晶硅头部公司可以提供的控制和生产决策系统，已实现连续15个月稳定运行。通过部署多晶硅还原炉智控系统MesPV，可实现还原炉管理、批次管理、曲线查看、控制参数及下发等功能，实时判断炉内反应情况，识别炉内雾化状态，同时降低电单耗，每个批次可节约26000-52000度电。工智机出色的表现正是源自中科时代优秀的开发团队和专业服务团队的共同努力，以及采用经过IT和OT广泛验证和认可的开源Xenomai框架和开源Linux基础，这一些因素确保了工智机产品在各种设备、现场等环境中的稳定性和可靠性。
工智机的推出不仅有效解决了OT与IT之间的融合难题，还具备解决大算力需求、相互干扰问题以及高成本和可靠性不足等核心问题的能力。但是在复杂的工业环境下，不同的控制需求需要由一台工智机同时处理，如何可以在一定程度上完成高效地分配和管理资源，并确保实时任务和非实时任务之间的相互隔离？
“在开发过程中，主要难点集中在如何在一台设备上实现实时域和非实时域的隔离。”宋健玮说道。实时域主要负责运动控制算法和与电机伺服通讯等需要实时响应的任务，运控插补算法、电子凸轮等算法的执行也需要大量的计算资源。非实时域则大多数都用在处理图像识别、视频流处理和人工智能推理等任务，这些任务对实时性要求不太高，但对数据吞吐量和计算资源的需求很大。
中科时代的MetaOS基于Xenomai + MetaHypervisor，实现了实时域与非实时域完全隔离，桌面资源可通过MetaHypervisor分配，即使桌面系统出现更新、重启或者蓝屏等现象时，实时域内工艺控制任务都不会因此受一定的影响。就像手机所具备的智能分身功能，使用MetaHypervisor虚拟化资源管理，能够灵活划分物理资源，从而分别处理实时和非实时工作资源。根据工作性质的不同，对于时间敏感度高的任务，可以将其放在实时域中做处理；对时间敏感度较低的任务，则可以放在非实时域中做处理。通过这一种方式，实时与非实时任务之间可避开相互干扰。
先进的软件、可靠的硬件和强大的计算力紧密结合正开启软件定义的新序章。目前，中科时代正在一直在优化其双域操作系统MetaOS，致力于提供更高效、稳定的系统解决方案，以满足持续不断的发展的工业控制需求。宋健玮介绍说，中科时代拥有北京和上海两大研发中心。北京团队主要负责完善操作系统，包括虚拟化相关的管理软件和实时域的运行软件等更新升级。上海团队主要负责与垂直行业客户紧密合作，完成定制项目，并基于定制开发成果总结提炼出适合各垂直行业的标准化产品。
未来，针对一些安全性要求非常高的场合，中科时代将引入自己的运行时（Runtime），并采用符合内存安全要求的编程语言，如Rust，以确保其安全性能达到与Linux内核相同的水平。除了使用Rust来提高安全性，中科时代还计划在传统的IEC61131-3编程语言基础上，加入对AI芯片厂家的支持。通过融入中科时代自己的编译器。用户无需关心其应用是在海光CPU还是英伟达的推理芯片上运行，仅需关注自己的工艺流程，能够极大地简化编程过程。
当前，以工智机为核心的工业设施，正在慢慢的变多的新兴行业中发挥着重要的作用。中科时代加速布局半导体、光伏、新能源等新兴行业。在这一些行业中，存在着对EtherCAT轴的大量需求，以及实时性、图像识别和AI推理等高标准要求，而传统的工控机和PLC组合已经没办法满足日益增长的性能和智能化需求。宋健玮表示：“相较于传统行业，新兴行业的发展空间更大，技术接受度更高，将为工智机的技术创新和市场拓展提供良好的发展环境。”未来，中科时代将继续加强技术创新和产品研制能力，以提升工智机在复杂工业环境下的适应性与性能表现，着力破解关键领域核心技术的“卡脖子”难题，助力工业发展迈向新高度。
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