從云計(jì)算到大數(shù)據(jù)，從人工智能到工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，這些先進(jìn)技術(shù)為工業(yè)制造帶來(lái)了前所未有的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。隨著技術(shù)的發(fā)展，眾多工業(yè)設(shè)備需要進(jìn)行數(shù)據(jù)交互和實(shí)時(shí)控制，對(duì)控制設(shè)備的計(jì)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(tǒng)開(kāi)發(fā)、運(yùn)動(dòng)控制算法和人工智能算法等領(lǐng)域擁有強(qiáng)大技術(shù)優(yōu)勢(shì)的企業(yè)，中科時(shí)代致力于為工業(yè)場(chǎng)景提供高效、穩(wěn)定、可靠的工業(yè)自動(dòng)化和智能化解決方案。中科時(shí)代嵌入式與操作系統(tǒng)產(chǎn)品專(zhuān)家宋健瑋在接受gongkong采訪時(shí)表示，自成立以來(lái)，中科時(shí)代始終致力于基于PC架構(gòu)研發(fā)算控一體的工智機(jī)產(chǎn)品，不僅為用戶(hù)提供了多樣化的功能選擇和擴(kuò)展可能性，同時(shí)還將PC控制性能提升至新的高度，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)資源的高效利用。

圖：中科時(shí)代嵌入式與操作系統(tǒng)產(chǎn)品專(zhuān)家宋健瑋

訪談中，宋健瑋詳細(xì)分享了中科時(shí)代在工智機(jī)產(chǎn)品創(chuàng)新與突破方面的努力。他指出，中科時(shí)代在工智機(jī)產(chǎn)品的研發(fā)上始終堅(jiān)持創(chuàng)新，并不斷尋求突破。這種創(chuàng)新與突破不僅體現(xiàn)在產(chǎn)品的硬件設(shè)計(jì)上，更體現(xiàn)在軟件的優(yōu)化與功能的拓展上。

顛覆傳統(tǒng)控制架構(gòu)，算控一體釋放工業(yè)潛能

在傳統(tǒng)的分體式架構(gòu)中，控制系統(tǒng)分為上位機(jī)和下位機(jī)兩個(gè)主要部分，主要由工控機(jī)和多種PLC控制器組成，不僅體積龐大，系統(tǒng)實(shí)時(shí)性很難隨工控機(jī)算力而提升，無(wú)法滿(mǎn)足處理大量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，部署多控制器造成系統(tǒng)復(fù)雜度幾何上升。相較于傳統(tǒng)的工控機(jī)和PLC組合，中科時(shí)代的工智機(jī)產(chǎn)品，將邊緣計(jì)算與控制相結(jié)合，通過(guò)一套控制器搭配一套軟件和一套程序，可同時(shí)具備運(yùn)動(dòng)控制、邏輯控制、機(jī)器視覺(jué)、組態(tài)顯示等功能，能夠使工業(yè)控制設(shè)備更好地適應(yīng)復(fù)雜和多變的生產(chǎn)環(huán)境，并具有更高的實(shí)時(shí)性和算力可伸縮性。

圖：主要產(chǎn)品

“傳統(tǒng)架構(gòu)在處理大量伺服電機(jī)所涉及的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性要求時(shí)，很難實(shí)現(xiàn)有效的突破。當(dāng)軸數(shù)超過(guò)32軸時(shí)，傳統(tǒng)架構(gòu)的復(fù)雜性將翻倍提升。工智機(jī)通過(guò)簡(jiǎn)化架構(gòu)，能夠輕松應(yīng)對(duì)256軸的大場(chǎng)景。”宋健瑋補(bǔ)充道。此外，傳統(tǒng)的上位下位機(jī)通訊被工智機(jī)跨域共享內(nèi)存所替代，數(shù)據(jù)吞吐量比傳統(tǒng)以太網(wǎng)通訊快2-3個(gè)量級(jí)。相比傳統(tǒng)架構(gòu)，由于沒(méi)有過(guò)度的通訊配置、線路維護(hù)，AI編程與IEC標(biāo)準(zhǔn)工藝編程融合，工智機(jī)的應(yīng)用還可以降低部署成本，減少人員要求和相應(yīng)成本。

軟件方面，中科時(shí)代推出了基于Xenomai的雙域操作系統(tǒng)MetaOS和MetaHypervisor虛擬化管理軟件，可實(shí)現(xiàn)高效的資源管理和精確的任務(wù)調(diào)度。通過(guò)軟件定義，中科時(shí)代實(shí)現(xiàn)了硬件算力上的伸縮，并通過(guò)操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)域和非實(shí)時(shí)域的隔離，以及MetaHypervisor的配置，將算力依據(jù)客戶(hù)的現(xiàn)場(chǎng)需求合理分配，靈活伸縮，真正做到通過(guò)軟件定義，將算力應(yīng)用在客戶(hù)現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)需要的關(guān)鍵點(diǎn)上。此外，無(wú)縫整合了Codesys PLC平臺(tái)，中科時(shí)代還推出了MetaFacture/MetaRTE軟件，不僅支持IEC61131-3編程、編譯、下裝、運(yùn)行等功能，支持EtherCAT、Profinet、EthernetIP、DeviceNet、CANOpen、Modbus、OPC等常見(jiàn)工業(yè)通訊，還集成了幾百種中科時(shí)代自研的視覺(jué)算法功能塊，例如形狀識(shí)別、顏色識(shí)別、測(cè)量、文字識(shí)別等。

借助Xenomai框架，在非實(shí)時(shí)域CPU、GPU壓力滿(mǎn)載的情況下，工智機(jī)達(dá)到EtherCAT 128軸1毫秒DC同步的穩(wěn)定輸出能力，且抖動(dòng)小于30微秒的高實(shí)時(shí)性能，中科時(shí)代的工智機(jī)產(chǎn)品在控制方面展現(xiàn)出了顯著優(yōu)勢(shì)，能夠滿(mǎn)足嚴(yán)格的控制精度要求。此外，工智機(jī)產(chǎn)品還具備強(qiáng)大的算力。這主要得益于與Intel、海光、英偉達(dá)、寒武紀(jì)等硬件的緊密合作，這些合作伙伴的強(qiáng)大計(jì)算能力賦予了工智機(jī)在人工智能應(yīng)用上的卓越表現(xiàn)，從而為用戶(hù)帶來(lái)了全新的計(jì)算機(jī)化自動(dòng)化體驗(yàn)。

憑借穩(wěn)定的表現(xiàn)，采用Xenomai框架的工智機(jī)已經(jīng)在眾多行業(yè)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。例如，中科時(shí)代為多晶硅頭部企業(yè)提供的控制和生產(chǎn)決策系統(tǒng)，已實(shí)現(xiàn)連續(xù)15個(gè)月穩(wěn)定運(yùn)行。通過(guò)部署多晶硅還原爐智控系統(tǒng)MesPV，可實(shí)現(xiàn)還原爐管理、批次管理、曲線查看、控制參數(shù)及下發(fā)等功能，實(shí)時(shí)判斷爐內(nèi)反應(yīng)情況，識(shí)別爐內(nèi)霧化狀態(tài)，同時(shí)降低電單耗，每個(gè)批次可節(jié)約26000-52000度電。工智機(jī)出色的表現(xiàn)正是源自中科時(shí)代優(yōu)秀的研發(fā)團(tuán)隊(duì)和專(zhuān)業(yè)服務(wù)團(tuán)隊(duì)的共同努力，以及采用經(jīng)過(guò)IT和OT廣泛驗(yàn)證和認(rèn)可的開(kāi)源Xenomai框架和開(kāi)源Linux基礎(chǔ)，這些因素確保了工智機(jī)產(chǎn)品在各種設(shè)備、現(xiàn)場(chǎng)等環(huán)境中的穩(wěn)定性和可靠性。

圖：中科時(shí)代為多晶硅頭部企業(yè)提供控制和生產(chǎn)決策系統(tǒng)

雙域操作系統(tǒng)，打造高效穩(wěn)定的系統(tǒng)環(huán)境

工智機(jī)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(wèn)題以及高成本和可靠性不足等關(guān)鍵問(wèn)題的能力。但是在復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境下，不同的控制需求需要由一臺(tái)工智機(jī)同時(shí)處理，如何能夠?qū)崿F(xiàn)高效地分配和管理資源，并確保實(shí)時(shí)任務(wù)和非實(shí)時(shí)任務(wù)之間的相互隔離？

“在開(kāi)發(fā)過(guò)程中，主要難點(diǎn)集中在如何在一臺(tái)設(shè)備上實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)域和非實(shí)時(shí)域的隔離。”宋健瑋說(shuō)道。實(shí)時(shí)域主要負(fù)責(zé)運(yùn)動(dòng)控制算法和與電機(jī)伺服通訊等需要實(shí)時(shí)響應(yīng)的任務(wù)，運(yùn)控插補(bǔ)算法、電子凸輪等算法的執(zhí)行也需要大量的計(jì)算資源。非實(shí)時(shí)域則主要用于處理圖像識(shí)別、視頻流處理和人工智能推理等任務(wù)，這些任務(wù)對(duì)實(shí)時(shí)性要求不太高，但對(duì)數(shù)據(jù)吞吐量和計(jì)算資源的需求很大。

中科時(shí)代的MetaOS基于Xenomai + MetaHypervisor，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)域與非實(shí)時(shí)域完全隔離，桌面資源可通過(guò)MetaHypervisor分配，即使桌面系統(tǒng)出現(xiàn)更新、重啟或者藍(lán)屏等現(xiàn)象時(shí)，實(shí)時(shí)域內(nèi)工藝控制任務(wù)都不會(huì)因此受到影響。就像手機(jī)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(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)工作資源。根據(jù)工作性質(zhì)的不同，對(duì)于時(shí)間敏感度高的任務(wù)，可以將其放在實(shí)時(shí)域中進(jìn)行處理；對(duì)時(shí)間敏感度較低的任務(wù)，則可以放在非實(shí)時(shí)域中進(jìn)行處理。通過(guò)這種方式，實(shí)時(shí)與非實(shí)時(shí)任務(wù)之間能夠避免相互干擾。

持續(xù)優(yōu)化軟件，加深行業(yè)需求挖掘

先進(jìn)的軟件、可靠的硬件和強(qiáng)大的計(jì)算力緊密結(jié)合正開(kāi)啟軟件定義的新序章。目前，中科時(shí)代正在不斷優(yōu)化其雙域操作系統(tǒng)MetaOS，致力于提供更加高效、穩(wěn)定的系統(tǒng)解決方案，以滿(mǎn)足不斷發(fā)展的工業(yè)控制需求。宋健瑋介紹說(shuō)，中科時(shí)代擁有北京和上海兩大研發(fā)中心。北京團(tuán)隊(duì)主要負(fù)責(zé)完善操作系統(tǒng)，包括虛擬化相關(guān)的管理軟件和實(shí)時(shí)域的運(yùn)行軟件等更新升級(jí)。上海團(tuán)隊(duì)主要負(fù)責(zé)與垂直行業(yè)客戶(hù)緊密合作，完成定制項(xiàng)目，并基于定制開(kāi)發(fā)成果總結(jié)提煉出適合各垂直行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品。

未來(lái)，針對(duì)一些安全性要求非常高的場(chǎng)合，中科時(shí)代將引入自己的運(yùn)行時(shí)（Runtime），并采用符合內(nèi)存安全要求的編程語(yǔ)言，如Rust，以確保其安全性能達(dá)到與Linux內(nèi)核相同的水平。除了使用Rust來(lái)提高安全性，中科時(shí)代還計(jì)劃在傳統(tǒng)的IEC61131-3編程語(yǔ)言基礎(chǔ)上，加入對(duì)人工智能芯片廠家的支持。通過(guò)融入中科時(shí)代自己的編譯器。用戶(hù)無(wú)需關(guān)心其應(yīng)用是在海光CPU還是英偉達(dá)的推理芯片上運(yùn)行，僅需關(guān)注自己的工藝流程，能夠極大地簡(jiǎn)化編程過(guò)程。

當(dāng)前，以工智機(jī)為核心的工業(yè)設(shè)備，正在越來(lái)越多的新興行業(yè)中發(fā)揮著重要的作用。中科時(shí)代加速布局半導(dǎo)體、光伏、新能源等新興行業(yè)。在這些行業(yè)中，存在著對(duì)EtherCAT軸的大量需求，以及實(shí)時(shí)性、圖像識(shí)別和AI推理等高標(biāo)準(zhǔn)要求，而傳統(tǒng)的工控機(jī)和PLC組合已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的性能和智能化需求。宋健瑋表示：“相較于傳統(tǒng)行業(yè)，新興行業(yè)的發(fā)展空間更大，技術(shù)接受度更高，將為工智機(jī)的技術(shù)創(chuàng)新和市場(chǎng)拓展提供良好的發(fā)展環(huán)境。”未來(lái)，中科時(shí)代將繼續(xù)加強(qiáng)技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)品研發(fā)能力，以提升工智機(jī)在復(fù)雜工業(yè)環(huán)境下的適應(yīng)性與性能表現(xiàn)，著力破解關(guān)鍵領(lǐng)域核心技術(shù)的“卡脖子”難題，助力工業(yè)發(fā)展邁向新高度。