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软件开发人员面临工业自动化发展成熟阶段的全新挑战

WarrenKurisu?? Mentor Graphics公司?? 2015年09月16日 ?? 收藏0
随着物联网 (IoT) 迅猛发展,家庭和工作场所的互联设备实现了无限的可能性。事实上,根据一份行业报告显示,截止 2020 年,可连接到互联网的智能设备将超过 500 亿部。虽然人们关注的焦点是这些互联设备将如何永远地改变我们的生活,但也有一个工业领域必将因为 IoT 和物物相连而经历一场深刻的变革。这个领域就是工业自动化。

欢迎进入“工业 4.0”时代

工业自动化近年来一直在经历快速的技术转型。事实上,自从机器至机器 (M2M) 技术在几十年前问世以来,工业自动化一直处于稳定向上的发展态势,但仍然受制于车间内的基本通信条件。

随着业界掀起了通常称为工业物联网 (IIoT) 或“工业 4.0”的新一波工业自动化浪潮,如西门子和通用电气等主要工业自动化制造商都在致力满足用户的互操作性需求,不仅是设备之间的互操作性,还包括远程的设施和运营机构之间的互操作性。工业 4.0 不仅仅是指将几部独立设备连接到基础设施,它还涉及到这些设备怎样连接。这一波新浪潮带来了工业供应链的各个环节之间的更多的交互和数据交换,从车间的终端节点(传感器、执行器、聚合器等)开始,在整个 IoT 企业中传送数据,最终传送到云数据中心。此外,我们也不要忘记,随着云在工业 4.0 中发挥更加关键的作用,网络安全也变得更加重要。

障碍仍然存在

毋庸置疑,IoT 和工业自动化已经取得了长足的发展,很多公司掌握了大量数据,并且简化了运营流程,从而提高成本效率、缩小外形参数和减少能源消耗。但随着工业 4.0 的到来,嵌入式系统复杂性的日益增加以及更加复杂的片上系统 (SoC) 架构的相继问世,我们现在正处于一个关键的时刻。

为了保持竞争力,工业自动化制造商必须解决以下问题:

·全球市场:全球市场竞争日趋激烈,这促使制造商将注意力放在成本缩减上,包括投资和运营开支

·安全问题:由于设备和局域网 (LAN) 之间的连接增多,所交换数据的价值日益提高,网络恐怖主义成为我们非常担忧的现实问题,这也促使制造商高度重视各种安全问题

·安全要求:在工业自动化环境中,可能出现的人身伤害会产生很高成本,因此必须提高安全要求

应对挑战

可靠的工业自动化系统解决方案不仅要应对上述趋势,还要确保工业自动化制造商能够提升产品竞争力,缩短产品开发时间,当然还要最大程度地减小IIoT系统启动的工作量和成本。实现这些目标最终将有助于制造商更加快速高效地将产品推向市场。此外,在从旧系统迁移到 IIoT 时,公司希望整合当前的嵌入式设计,以优化软件复用,扩大工业产品线,同时缩减产品尺寸以及降低能源消耗。

图 1:当前 IoT 的工业自动化解决方案必须能够在混合操作系统环境中运行,可能包括开源软件(Embedded Linux 和 Android)和商用实时操作系统,或者完全没有操作系统——在裸机上运行。所选的商用 RTOS 必须通过最新安全认证,这一点也非常重要。
图 1:当前 IoT 的工业自动化解决方案必须能够在混合操作系统环境中运行,可能包括开源软件(Embedded Linux 和 Android)和商用实时操作系统,或者完全没有操作系统——在裸机上运行。所选的商用 RTOS 必须通过最新安全认证,这一点也非常重要。

商用 RTOS 的性能和选择标准

如果您的工业自动化解决方案的核心将在商用实时操作系统 (RTOS) 上运行,建议您选择适用于各种工业自动化设备和系统的具有可扩展性并经过完全优化的 RTOS。任何一款性能优良的 RTOS 都应该包括用于应用程序分离的用户空间进程模型,可对需要更高安全性的特定应用程序进行分区。您选择的 RTOS 应该提供各种连接和安全选项,其中包括最新的安全认证。至少必须通过 IEC 61508 认证。除此之外,还建议您的 RTOS 应该兼容其他类型的通信认证,以建立针对网络安全的工业控制。

使用 RTOS 的另一个重要方面是确保您的 RTOS 能够在跨平台开源用户界面 (UI) 开发框架上运行。当前常用的 UI 开发框架是 Qt 平台。Qt 提供了视觉显示项目库,让开发人员能够在最精简的高性能 RTOS 的基础上,构建更加本地化且便于操作人员使用的 UI 图形。

同样还需要开源软件

在选择如Linux 等开源软件 (OSS) 平台时,Linux 内核必须是可提供商业支持的、可扩展且可定制的平台。Yocto 项目就是 Linux 开发社区的一个例子,其可以帮助用户快速启动定制 Linux 项目。借助诸如此类的 Linux 平台,项目团队能够快速高效地扩展 Linux 系统并将其应用于量产。在工业自动化产品中,Linux 应该集成高级工具和支持功能(例如实时补丁 PREEMPT_RT 和 SELinux)以实现安全性,这一点非常重要。您选择的 Linux 平台还应该具备专有功能作为辅助,包括快速启动技术、工具测试和多核支持(它可以实现多核架构的开发)。

多核支持的重要性

对于任何工业自动化解决方案,确保操作系统支持多核开发都是一个关键因素。多核支持让开发人员能够配置、部署及管理异构和同构处理器上的多个操作系统和应用程序。多核开发支持有助于我们管理和应对诸多挑战,如与异构多核环境内部的进程间通信、资源管理/共享、多核管理相关的挑战。可靠性涉及到工业自动化的方方面面;异构架构内部的软件开发人员必须确保如果某个子系统发生故障,整个系统的其他部分不会出现故障或受到影响。

内置连通性和中间件

任何工业自动化解决方案的另一个关键要素是连通性和中间件的可用性。合适的平台应该具有多种连通性和中间件功能,从而方可构建功能丰富的工业自动化系统。该平台还应该采用 IoT 技术以支持 OEM 云战略。这些技术可以支持 CoAP、RESTful API、MQTT 等协议。

图 2:典型的多平台解决方案能够实现工业自动化,从终端节点(供给泵、压力传感器、安全阀等)到企业,最终到云。
图 2:典型的多平台解决方案能够实现工业自动化,从终端节点(供给泵、压力传感器、安全阀等)到企业,最终到云。

结论

对于考虑实施 IIoT 解决方案,对工业软件工程师或公司首席财务官而言意味着什么?首先,通过融合,公司有机会创造更丰厚的利润。适合工业自动化的 IIoT 解决方案包含很多经过测试和验证的技术融合。这会带来很多益处,包括加快系统启动和减少安全漏洞。这种方法让企业能够将更多时间投入到产品或市场差异化方面;公司能够专注于建立战略和竞争差异。最后,如果选择包含多种运行时环境、集成工具和第三方技术的平台,您将能够构建工业自动化解决方案。利用它,您可以轻松添加新产品线或功能、延长产品生命周期、缩小产品外形参数以及降低能源消耗。

对于希望以最低风险利用旧系统的工业自动化系统嵌入式开发人员而言,现在正是充分利用 IoT 和工业 4.0 的良机。


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