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在被称为工业 4.0 的转型下，精明的制造商正忙于构思和创造未来的智慧工业企业。通过整合他们的信息技术 (IT) 和运营技术 (OT) 领域构建下一代智能系统，以优化可制造性，提高运营、增强客户支持并分析工业物联网 (IIoT) 提供的实时数据。物联网最简易的形式，是将嵌入式系统连接到更广阔的世界；更广泛地说，它包含资料分析、人工交互和安全性。
IIoT 最大麻烦：无法兼容协作，亦无法使用标准以太网
其挑战在于：将四种必要的工业物联网技术——网络、处理、用户接口 (UI) 和安全性，整合在一处。恩智浦 (NXP) 的QorIQ Layerscape LS1028A 处理器可满足此需求。只有调整绑定每个领域的网络，才能顺利合并 IT 和 OT。因为每个领域在功能上差异很大，网络架构也不尽相同。IT 领域包含将数据转换为有用信息的系统，对于制造商来说，包括：会计、电子邮件和客户关系管理 (CRM)，还包括制造特定的系统，例如，企业资源规划 (ERP) 和物流这些基于电脑的系统。
其挑战在于：将四种必要的工业物联网技术——网络、处理、用户接口 (UI) 和安全性，整合在一处。恩智浦 (NXP) 的QorIQ Layerscape LS1028A 处理器可满足此需求。只有调整绑定每个领域的网络，才能顺利合并 IT 和 OT。因为每个领域在功能上差异很大，网络架构也不尽相同。IT 领域包含将数据转换为有用信息的系统，对于制造商来说，包括：会计、电子邮件和客户关系管理 (CRM)，还包括制造特定的系统，例如，企业资源规划 (ERP) 和物流这些基于电脑的系统。
它们无硬性实时限制，可使用常规以太网存取；而 OT 领域包括用于将材料转化为产品的系统，用于程控的实时嵌入式系统、工作管理和过程监控，工厂可使用工业以太网做适度调整，以提供实时响应并与传统工业技术配合的技术通信协议。不幸的是，许多工业以太网协议既不能相互协作、亦无法使用标准以太网，这限制了技术供货商的规模经济，不利创新。通常，一台机器可连到不同的工业以太网，且每台机器会针对不同控制功能运行特定协议 (如图 1 所示)。
图 1：现代机器流程框图
资料来源：AVNU 联盟
TSN 让网络设备同步，流量整形＆准入控制也靠它
制造商必须部署网关，才能在不同网络之间传递数据、或将数据传送到 IT 系统。由于工业以太网协议的互操作性有限，并不十分适合工业 4.0；另一方面，基于 IT 系统的标准以太网亦无法满足控制实时性能的系统需求。然而，IEEE 在 2004 年成立一个小组，专为消费者应用制订音频／视频专业标准而设。此小组开发了一系列音频／视频桥接 (AVB) 标准，供网络设备同步至同一时间基准 (借用 IEEE 1588 协议)、流量整形和准入控制之用。
制造商必须部署网关，才能在不同网络之间传递数据、或将数据传送到 IT 系统。由于工业以太网协议的互操作性有限，并不十分适合工业 4.0；另一方面，基于 IT 系统的标准以太网亦无法满足控制实时性能的系统需求。然而，IEEE 在 2004 年成立一个小组，专为消费者应用制订音频／视频专业标准而设。此小组开发了一系列音频／视频桥接 (AVB) 标准，供网络设备同步至同一时间基准 (借用 IEEE 1588 协议)、流量整形和准入控制之用。
这些标准虽非完美适用于工业应用，但仍为精确管理以太网流量提供框架依据。IEEE 协会意识到将 AVB 用于工业用途的潜力，将其名称改为＂时间敏感网络＂(Time-Sensitive Networking ,TSN；或称：时效性网络)，并开始修订 802 标准系列，以符合工业需求和汽车应用，同时改进专业音频／视频使用功能。新标准定义时间感知流量整形和策略，以启用关键流量调度。为便于调度，新标准启用＂优先使用非关键帧＂。冗余网络路径的新标准提高了网络可靠性。
工业公司现在可部署单个 IEEE 标准以太网网络，以承载 OT 系统的时间关键控制流量和 IT 系统的常规流量。现在，工业物联网的关键网络技术已有明确定义，企业可专注于 OT-IT 融合、以获取工业 4.0 的战略优势。此外，正如网络必须支持时间关键函数一样，数据处理亦然；实时操作系统 (RTOS) 有助于确保 CPU 在到达启用 TSN 的通信端口。响应控制数据报的能力还有助于 CPU 解决即将发生的事件处理器从其他输入执行环路，以控制系统处理器的一部分。
表：TSN 新规范及工业应用案例
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TSN 规范 |
说明 |
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802.1AS-Rev |
计时和同步 |
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802.1Qav |
转发和队列增强功能 |
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802.1Qbv |
增强计划流量 |
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802.1Qca |
路径控制和预留 |
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802.1Qat |
保留协定 |
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802.1Qcc |
增强流保留协定 |
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802.1Qci |
过滤和策略 |
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802.1CB |
帧复制和消除可靠性 |
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802.1Qbu |
帧抢占 |
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802.1Qch |
循环排队和转发 |
数据处理亦要实时跟上脚步
这些循环每次运行约 30 微秒或更快，传统的 IT 衍生操作系统无法支应自动化须增加嵌入式控制器之处理能力。更高的处理性能可减少控制回路定时、更快地移动机械臂和装配线并增加工厂产量。它还可增加由单个运动控制器管理的轴数，使机器人具有更铰接的接头，可在更狭小的空间内操作、或执行上一代工厂机器人无法解决的任务——能从作业人员学习任务的机器人，需要图像处理技术以配合新的机器学习算法。
商业 RTOS 包括来自风河 (Wind River) 的 VxWorks 和明导 (Mentor Graphics) 的 Nucleus。这些供货商长期支持恩智浦 QorIQ 家族及其前身处理器。随着工业级 Linux 兴起，开源是另一种选择，便于企业更敏捷地为系统添加新功能。有别于以 IT 为中心和非实时嵌入式 Linux 版本，工业级版本提供确定性、可管理性、工业网络和 OT 所需的安全性。一种在 Linux 添加实时功能的方法是将 PREEMPT_RT 修补程序应用于内核，以消除软件进程被另一进程无限期地阻碍。
此时，应用程序被编码为一般的 Linux API。Xenomai 采取另一种方法是向 Linux 系统添加经典的 RTOS API，有助于将传统 RTOS 应用程序移植到 Linux，并提供设备驱动程序以实时响应外围设备，为 Linux 的实时性多一分保障。为缓解从传统 RTOS 过渡到 Linux，恩智浦正与工业 Linux 社群合作集成各种实时增强功能和 TSN 堆栈，并保持标准 Linux 功能。处理能力也必须用于分析，物联网不仅关系到嵌入式系统，亦与传感器撷取、分析数据及指导系统响应密不可分。
人机接口是 IT 和 OT 融合的完美示例
虽然在云端服务器执行分析已属平常，但考虑到数据传输与分析的数量、决策时间及数据专有性，制造业者往往会在本地处理制程数据。分析数据不仅可在工厂现场的电脑进行，生产机械内部也有足够强大的处理器。除分析外，工业 4.0 系统的处理能力将用于远程管理操作，使机器能自主相互协调并从链接生产数据和 IT 系统中提高效率。另一个要求处理能力的功能是人机接口 (HMI)。受到智能手机启发，接口日益渗透到工业设备的世界。
虽然在云端服务器执行分析已属平常，但考虑到数据传输与分析的数量、决策时间及数据专有性，制造业者往往会在本地处理制程数据。分析数据不仅可在工厂现场的电脑进行，生产机械内部也有足够强大的处理器。除分析外，工业 4.0 系统的处理能力将用于远程管理操作，使机器能自主相互协调并从链接生产数据和 IT 系统中提高效率。另一个要求处理能力的功能是人机接口 (HMI)。受到智能手机启发，接口日益渗透到工业设备的世界。
便于使用的可视化接口或多点触控平板可嵌入任何工业设备，简化了操作机器的过程。高分辨率屏幕允许查看高清 (或更好的) 摄影机检测输出货物。驱动这些屏幕将是在智能手机中相同类型的图形处理单元 (GPU)。尽管这些 GPU 的 3D 性能在智能手机中会因成本和功耗考虑而降低性能，但仍将支持大型高分辨率屏幕、图形迭加、视频、文本和顺畅的用户接口。HMI 是现代数字技术中，IT 和 OT 系统需要融合的完美示例。
图2：HMI 面板示例
HMI 应用程序普遍使用 JAVA SDK 或基于 Web 的工具组建，可加速开发并允许工厂拥有者轻松升级整个流程；惟需连接到典型 IT 网络，为 HMI 启用软件更新或提供与 Web 服务器的持续连接。值得留意的是，这些用于控制工业机械的 HMI，还必须与 OT 领域连接提供安全控制。过去，操作是孤立的、几乎不受外界影响，但 OT 和 IT 的融合亦增加安全风险。黑客需要物理链接来攻击电脑，OT 和 IT 的融合将侵蚀隔离操作的障碍，以便在系统之间共享信息、提高效率。
设置黑客障碍，却不能丢失数据流的渗透性
这种情况下，必须设置新的障碍以确保系统完整性，并保持数据流的渗透性。设备制造商的第一步是保护其设备，他们必须确保其系统仅执行经批准的软件，并安全地连接到其他系统。这些系统必须安全调试并定期更新，防止硬件或软件被篡改。尤其工业环境中的财务和安全风险较高，进而放大了安全系统的必要性。恩智浦新型单芯片处理器 QorIQ Layerscape LS1028A，让工业 4.0 设备制造商可尽快融入最先进的网络、处理、HMI 和设计安全性。
这种情况下，必须设置新的障碍以确保系统完整性，并保持数据流的渗透性。设备制造商的第一步是保护其设备，他们必须确保其系统仅执行经批准的软件，并安全地连接到其他系统。这些系统必须安全调试并定期更新，防止硬件或软件被篡改。尤其工业环境中的财务和安全风险较高，进而放大了安全系统的必要性。恩智浦新型单芯片处理器 QorIQ Layerscape LS1028A，让工业 4.0 设备制造商可尽快融入最先进的网络、处理、HMI 和设计安全性。
LS1028 集成一个四端口千兆以太网交换器和两个附加以太网端口，运行速度高达 2.5Gbps，可实现 TSN 协议；另内建两个强大的 64 位 ARM CPU 提供所需的运算性能，适用于现代工业应用和 RTOS。处理器的 GPU 和 LCD 接口允许支持高分辨率显示器和触摸屏输入。该处理器集成了恩智浦的信任架构，有助于实现物联网安全性；而用于 LS1028A 的恩智浦软件包包括开源工业 Linux SDK，亦具备实时性并支持 TSN 标准。
