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從云計算到大數據,從人工智能到工業互聯網,這些先進技術為工業制造帶來了前所未有的機遇和挑戰。隨著技術的發展,眾多工業設備需要進行數據交互和實時控制,對控制設備的計算能力也提出了更高的要求。

       作為一家在PC控制、雙域操作系統開發、運動控制算法和人工智能算法等領域擁有強大技術優勢的企業,中科時代致力于為工業場景提供高效、穩定、可靠的工業自動化和智能化解決方案。中科時代嵌入式軟件和操作系統專家宋健瑋在接受gongkong采訪時表示,自成立以來,中科時代始終致力于基于PC架構研發算控一體的工智機產品,不僅為用戶提供了多樣化的功能選擇和擴展可能性,同時還將PC控制性能提升至新的高度,實現了系統資源的高效利用。

       圖:中科時代嵌入式軟件和操作系統專家宋健瑋接受gongkong采訪

       訪談中,宋健瑋詳細分享了中科時代在工智機產品創新與突破方面的努力。他指出,中科時代在工智機產品的研發上始終堅持創新,并不斷尋求突破。這種創新與突破不僅體現在產品的硬件設計上,更體現在軟件的優化與功能的拓展上。

       顛覆傳統控制架構,算控一體釋放工業潛能

       在傳統的分體式架構中,控制系統分為上位機和下位機兩個主要部分,主要由工控機和多種PLC控制器組成,不僅體積龐大,系統實時性很難隨工控機算力而提升,無法滿足處理大量實時數據,部署多控制器造成系統復雜度幾何上升。相較于傳統的工控機和PLC組合,中科時代的工智機產品,將邊緣計算與控制相結合,通過一套控制器搭配一套軟件和一套程序,可同時具備運動控制、邏輯控制、機器視覺、組態顯示等功能,能夠使工業控制設備更好地適應復雜和多變的生產環境,并具有更高的實時性和算力可伸縮性。

       圖:主要產品

       “傳統架構在處理大量伺服電機所涉及的實時性和穩定性要求時,很難實現有效的突破。當軸數超過32軸時,傳統架構的復雜性將翻倍提升。工智機通過簡化架構,能夠輕松應對256軸的大場景。”宋健瑋補充道。此外,傳統的上位下位機通訊被工智機跨域共享內存所替代,數據吞吐量比傳統以太網通訊快2-3個量級。相比傳統架構,由于沒有過度的通訊配置、線路維護,AI編程與IEC標準工藝編程融合,工智機的應用還可以降低部署成本,減少人員要求和相應成本。

       軟件方面,中科時代推出了基于Xenomai的雙域操作系統MetaOS和MetaHypervisor虛擬化管理軟件,可實現高效的資源管理和精確的任務調度。通過軟件定義,中科時代實現了硬件算力上的伸縮,并通過操作系統實時域和非實時域的隔離,以及MetaHypervisor的配置,將算力依據客戶的現場需求合理分配,靈活伸縮,真正做到通過軟件定義,將算力應用在客戶現場工業需要的關鍵點上。此外,無縫整合了Codesys PLC平臺,中科時代還推出了MetaFacture/MetaRTE軟件,不僅支持IEC61131-3編程、編譯、下裝、運行等功能,支持EtherCAT、Profinet、EthernetIP、DeviceNet、CANOpen、Modbus、OPC等常見工業通訊,還集成了幾百種中科時代自研的視覺算法功能塊,例如形狀識別、顏色識別、測量、文字識別等。

       借助Xenomai框架,在非實時域CPU、GPU壓力滿載的情況下,工智機達到EtherCAT 128軸1毫秒DC同步的穩定輸出能力,且抖動小于30微秒的高實時性能,中科時代的工智機產品在控制方面展現出了顯著優勢,能夠滿足嚴格的控制精度要求。此外,工智機產品還具備強大的算力。這主要得益于與Intel、海光、英偉達、寒武紀等硬件的緊密合作,這些合作伙伴的強大計算能力賦予了工智機在人工智能應用上的卓越表現,從而為用戶帶來了全新的計算機化自動化體驗。

       憑借穩定的表現,采用Xenomai框架的工智機已經在眾多行業中發揮關鍵作用。例如,中科時代為多晶硅頭部企業提供的控制和生產決策系統,已實現連續15個月穩定運行。通過部署多晶硅還原爐智控系統MesPV,可實現還原爐管理、批次管理、曲線查看、控制參數及下發等功能,實時判斷爐內反應情況,識別爐內霧化狀態,同時降低電單耗,每個批次可節約26000-52000度電。工智機出色的表現正是源自中科時代優秀的研發團隊和專業服務團隊的共同努力,以及采用經過IT和OT廣泛驗證和認可的開源Xenomai框架和開源Linux基礎,這些因素確保了工智機產品在各種設備、現場等環境中的穩定性和可靠性。

       圖:中科時代為多晶硅頭部企業提供控制和生產決策系統

       雙域操作系統,打造高效穩定的系統環境

       工智機的推出不僅有效解決了OT與IT之間的融合難題,還具備解決大算力需求、相互干擾問題以及高成本和可靠性不足等關鍵問題的能力。但是在復雜的工業環境下,不同的控制需求需要由一臺工智機同時處理,如何能夠實現高效地分配和管理資源,并確保實時任務和非實時任務之間的相互隔離?

       “在開發過程中,主要難點集中在如何在一臺設備上實現實時域和非實時域的隔離。”宋健瑋說道。實時域主要負責運動控制算法和與電機伺服通訊等需要實時響應的任務,運控插補算法、電子凸輪等算法的執行也需要大量的計算資源。非實時域則主要用于處理圖像識別、視頻流處理和人工智能推理等任務,這些任務對實時性要求不太高,但對數據吞吐量和計算資源的需求很大。

       中科時代的MetaOS基于Xenomai + MetaHypervisor,實現了實時域與非實時域完全隔離,桌面資源可通過MetaHypervisor分配,即使桌面系統出現更新、重啟或者藍屏等現象時,實時域內工藝控制任務都不會因此受到影響。就像手機所具備的智能分身功能,使用MetaHypervisor虛擬化資源管理,能夠靈活劃分物理資源,從而分別處理實時和非實時工作資源。根據工作性質的不同,對于時間敏感度高的任務,可以將其放在實時域中進行處理;對時間敏感度較低的任務,則可以放在非實時域中進行處理。通過這種方式,實時與非實時任務之間能夠避免相互干擾。

       持續優化軟件,加深行業需求挖掘

       先進的軟件、可靠的硬件和強大的計算力緊密結合正開啟軟件定義的新序章。目前,中科時代正在不斷優化其雙域操作系統MetaOS,致力于提供更加高效、穩定的系統解決方案,以滿足不斷發展的工業控制需求。宋健瑋介紹說,中科時代擁有北京和上海兩大研發中心。北京團隊主要負責完善操作系統,包括虛擬化相關的管理軟件和實時域的運行軟件等更新升級。上海團隊主要負責與垂直行業客戶緊密合作,完成定制項目,并基于定制開發成果總結提煉出適合各垂直行業的標準化產品。

       未來,針對一些安全性要求非常高的場合,中科時代將引入自己的運行時(Runtime),并采用符合內存安全要求的編程語言,如Rust,以確保其安全性能達到與Linux內核相同的水平。除了使用Rust來提高安全性,中科時代還計劃在傳統的IEC61131-3編程語言基礎上,加入對人工智能芯片廠家的支持。通過融入中科時代自己的編譯器。用戶無需關心其應用是在海光CPU還是英偉達的推理芯片上運行,僅需關注自己的工藝流程,能夠極大地簡化編程過程。

       當前,以工智機為核心的工業設備,正在越來越多的新興行業中發揮著重要的作用。中科時代加速布局半導體、光伏、新能源等新興行業。在這些行業中,存在著對EtherCAT軸的大量需求,以及實時性、圖像識別和AI推理等高標準要求,而傳統的工控機和PLC組合已經無法滿足日益增長的性能和智能化需求。宋健瑋表示:“相較于傳統行業,新興行業的發展空間更大,技術接受度更高,將為工智機的技術創新和市場拓展提供良好的發展環境。”未來,中科時代將繼續加強技術創新和產品研發能力,以提升工智機在復雜工業環境下的適應性與性能表現,著力破解關鍵領域核心技術的“卡脖子”難題,助力工業發展邁向新高度。