蓝图:工业物联网分析架构层级

September 24, 2019 Brandon Lewis

物聯網,物聯網,人工智能,邊緣計算,虛擬化

ITU 将“触觉互联网”定义为以极低的延迟提供高可用性、可靠性和安全性的网络。现代网络工程师将这些特性与 5G 通信相关联。但是多年以来,运维技术人员一直在使用各种工业以太网来部署触觉互联网络。

与过去不同,联网的工业设备现在必须直接与企业应用进行交互。寻求对车间运维有更深入了解的组织甚至直接将其中一些应用部署到工业设备上。

无论该软件是由分析引擎组成,还是由成熟的人工智能算法组成,如果设计不当,都会迅速损害实时设备的完整性。

当今的工业工程师需要将 IT 和 OT 技术集成到一台机械中的蓝图。这些系统必须集成 IT 网络和处理功能,同时保持确定性、安全性和可靠性。

幸运的是,为这些系统架构提供概述的概念验证 (PoC) 系统设计现在已经公开。这些系统基于工作负载整合与以太网时间敏感网络(以太网 TSN)的原理。

工业以太网升级

传统上,工业工程师使用诸如 EtherCAT、PROFINET 和 POWERLINK 之类的协议来创建 IP 网络的确定性版本。这些基于以太网的技术将 IP 数据包传送到网络控制层的设备,例如可编程逻辑控制器 (PLC)。除此之外,还需要传统的现场总线通信协议。

现在,TSN 将以太网数据包扩展到具有亚毫秒级延迟的子系统,例如 I/O 模块、传感器和执行器(图 1)。

TSN 将以太网数据包传送到工业传感器和执行器进行边缘计算
图 1. 时间敏感网络 (TSN) 将以太网数据包传送到工业传感器和执行器。(资料来源:Control Engineering)

以太网 TSN 和工作负载整合

以太网 TSN 基于 IEEE 1588 精确时间协议 (PTP) 标准,该标准根据网络端点的设备时钟为数据包加上时间戳。一个集中的主资源则作为保持网络同步的参考来使用。

PTP 网络能够实现亚毫秒级的延迟。但同样重要的是,PTP 数据包可以封装在 IP 中。因此,运维设备实质上可以成为企业网络的一部分。有关 TSN 的更多信息,请阅读时间敏感网络:是夸大其辞?还是名副其实?

同时,企业需要工业设备吸纳诸如实时边缘分析之类的功能。

传统上,执行固定功能的工业边缘系统称为工作负载整合,现在正在围绕多核处理器进行设计。虚拟化技术允许单个内核执行诸如数据分析之类的过程,其他内核则可备用处理数据采集或控制任务。

通过使用功能更强大、更灵活的系统,组织可以降低成本,尽量减少故障点,甚至可以使用企业软件升级来延长部署生命周期。(阅读嵌入式虚拟化技术助力混合关键型物联网系统了解详情)。

工作负载整合与 TSN 的融合可以释放多层实时数据分析架构的真正潜力。通过在网络的每一层使用确定性、低延迟的企业通信和多功能计算平台,工厂运营商可以部署人工智能来监督各种域和子域(图 2)。

以太网 TSN 和工作负载整合可以实现复杂的分层数据分析
图 2。以太网 TSN 和工作负载整合可以实现复杂的分层数据分析。(资料来源:RTInsights

人工智能和分析引擎会根据所需的响应时间和可用的计算资源在每一层做出决策。但是,端到端的信息和决策层次结构通过一个统一的时间敏感通信协议来连接。这样的架构促进了技术重用、可互操作的网络设备和服务以及通用的数据交换格式。

将分层的工业数据分析架构变为现实

congatecReal-Time Systems 的实时工业控制服务器 PoC 中,可以看到这一架构的缩影(图 3)。PoC 建立在以下基础之上:

  • 搭载六核英特尔® 至强® 处理器的 35W conga-TS370 Type 6 COM Express 模块
  • 基于英特尔® Arria® 10 的 PCIe FPGA 卡
  • Basler 机器视觉摄像头
  • RTS 管理程序
congatec 和 Real-Time Systems PoC 人工智能视觉、电机控制、物联网连接
图 3. congatec 和 Real-Time Systems PoC 将非确定性人工智能视觉、电机控制和物联网连接工作负载整合到同一硬件平台上。(资料来源:congatec

为了演示工作负载整合,RTS 管理程序将至强处理器内核划分为多个虚拟机 (VM)。

第一个虚拟机占用三个内核并运行 Linux 操作系统。操作系统支持 300 fps Basler 工业摄像头和 Arria 10 FPGA 卡。使用英特尔® OpenVINO 工具包开发的人工智能算法在 FPGA 卡上执行,以进行设备上的对象检测和识别。

另外两个虚拟机则托管实时 Linux 操作系统。这些控制伺服电机使倒立摆保持平衡直立。最后一个虚拟机则托管第三个操作系统类型,用于处理企业安全性和返回云的通信。

所有这些应用均在同一硬件平台上同时运行。但是使用管理程序,可以在不中断实时分区的情况下重新引导非实时虚拟机。这意味着可以在控制任务继续执行的同时进行软件更新。而安全漏洞可以抑制在企业虚拟机中,不会影响嵌入式系统。

在(视频 1)中,可以观看实时系统展示。

 

视频 1。来自 2019 年嵌入式世界的概念证明演示

 

conga-TS370 的另一个关键功能是它包括一个英特尔® i219-LM GbE LAN 控制器。该独立网络芯片本身支持 IEEE 1588 PTP。

在诸如 congatec/Real-Time Systems PoC 之类的平台中,i219 确定 PTP 数据包的源和目的地,并使用集成计时器对其进行同步。控制器与操作系统协同工作,以在专用于 TSN 流量的传输窗口期间调度数据包。

Linux 内核 4.20 版增加了对时间感知优先级调度程序 (TAPRIO) 和最早发送时间优先 (ETF) 的支持。开发人员可以使用这些模块配置系统,使以太网 TSN 数据包获得优先级,与所在传输队列的位置无关。

RTS 管理程序还提供了特权模式,方便访客操作系统在短短几微秒内访问系统网络资源。因此,来自访客虚拟机的 TSN 数据包会收到相同的低延迟优先级调度。

以标准为依托的工业物联网分析

关于 PoC 的一个突出特征是,所有核心功能均基于开源技术和行业标准。Linux 和 OpenVINO 是开源软件技术。IEEE 1588 PTP 和以太网 TSN 旗下的标准是行业驱动的成果,可降低成本、提高互操作性并确保使用寿命。

COM Express 是最流行的嵌入式硬件规范之一,可支持服务器模块、网关控制器和传感器处理使用案例。它为新的分层工业数据分析架构提供了经济实惠的、长生命周期稳定部署平台。

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作者简介

Brandon Lewis

Brandon is responsible for Embedded Computing Design’s IoT Design, Automotive Embedded Systems, Security by Design, and Industrial Embedded Systems brands, where he drives content strategy, positioning, and community engagement. He is also Embedded Computing Design’s IoT Insider columnist, and enjoys covering topics that range from development kits and tools to cyber security and technology business models. Brandon received a BA in English Literature from Arizona State University, where he graduated cum laude.

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