中科時代：以算控一體為設(shè)計理念，破解工業(yè)控制難題

從云計算到大數(shù)據(jù)，從人工智能到工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，這些先進技術(shù)為工業(yè)制造帶來了前所未有的機遇和挑戰(zhàn)。隨著技術(shù)的發(fā)展，眾多工業(yè)設(shè)備需要進行數(shù)據(jù)交互和實時控制，對控制設(shè)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(tǒng)開發(fā)、運動控制算法和人工智能算法等領(lǐng)域擁有強大技術(shù)優(yōu)勢的企業(yè)，中科時代致力于為工業(yè)場景提供高效、穩(wěn)定、可靠的工業(yè)自動化和智能化解決方案。中科時代嵌入式與操作系統(tǒng)產(chǎn)品專家宋健瑋在接受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(gòu)研發(fā)算控一體的工智機產(chǎn)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(xiàn)了系統(tǒng)資源的高效利用。

圖：中科時代嵌入式與操作系統(tǒng)產(chǎn)品專家宋健瑋

訪談中，宋健瑋詳細分享了中科時代在工智機產(chǎn)品創(chuàng)新與突破方面的努力。他指出，中科時代在工智機產(chǎn)品的研發(fā)上始終堅持創(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(tǒng)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(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)的工控機和PLC組合，中科時代的工智機產(chǎn)品，將邊緣計算與控制相結(jié)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(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，并具有更高的實時性和算力可伸縮性。

圖：主要產(chǎn)品

“傳統(tǒng)架構(gòu)在處理大量伺服電機所涉及的實時性和穩(wěn)定性要求時，很難實現(xiàn)有效的突破。當(dāng)軸數(shù)超過32軸時，傳統(tǒng)架構(gòu)的復(fù)雜性將翻倍提升。工智機通過簡化架構(gòu)，能夠輕松應(yīng)對256軸的大場景?！彼谓‖|補充道。此外，傳統(tǒng)的上位下位機通訊被工智機跨域共享內(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個量級。相比傳統(tǒng)架構(gòu)，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(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，可實現(xiàn)高效的資源管理和精確的任務(wù)調(diào)度。通過軟件定義，中科時代實現(xiàn)了硬件算力上的伸縮，并通過操作系統(tǒng)實時域和非實時域的隔離，以及MetaHypervisor的配置，將算力依據(jù)客戶的現(xiàn)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(yīng)用在客戶現(xiàn)場工業(yè)需要的關(guān)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(yè)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(wěn)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(chǎn)品在控制方面展現(xiàn)出了顯著優(yōu)勢，能夠滿足嚴格的控制精度要求。此外，工智機產(chǎn)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(yīng)用上的卓越表現(xiàn)，從而為用戶帶來了全新的計算機化自動化體驗。

憑借穩(wěn)定的表現(xiàn)，采用Xenomai框架的工智機已經(jīng)在眾多行業(yè)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。例如，中科時代為多晶硅頭部企業(yè)提供的控制和生產(chǎn)決策系統(tǒng)，已實現(xiàn)連續(xù)15個月穩(wěn)定運行。通過部署多晶硅還原爐智控系統(tǒng)MesPV，可實現(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，實時判斷爐內(nèi)反應(yīng)情況，識別爐內(nèi)霧化狀態(tài)，同時降低電單耗，每個批次可節(jié)約26000-52000度電。工智機出色的表現(xiàn)正是源自中科時代優(yōu)秀的研發(fā)團隊和專業(yè)服務(wù)團隊的共同努力，以及采用經(jīng)過IT和OT廣泛驗證和認可的開源Xenomai框架和開源Linux基礎(chǔ)，這些因素確保了工智機產(chǎn)品在各種設(shè)備、現(xiàn)場等環(huán)境中的穩(wěn)定性和可靠性。

圖：中科時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(guān)鍵問題的能力。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工智機同時處理，如何能夠?qū)崿F(xiàn)高效地分配和管理資源，并確保實時任務(wù)和非實時任務(wù)之間的相互隔離？

“在開發(fā)過程中，主要難點集中在如何在一臺設(shè)備上實現(xiàn)實時域和非實時域的隔離?！彼谓‖|說道。實時域主要負責(zé)運動控制算法和與電機伺服通訊等需要實時響應(yīng)的任務(wù)，運控插補算法、電子凸輪等算法的執(zhí)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(wù)，這些任務(wù)對實時性要求不太高，但對數(shù)據(jù)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(xiàn)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(tǒng)出現(xiàn)更新、重啟或者藍屏等現(xiàn)象時，實時域內(nèi)工藝控制任務(wù)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(jù)工作性質(zhì)的不同，對于時間敏感度高的任務(wù)，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(wù)，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(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

先進的軟件、可靠的硬件和強大的計算力緊密結(jié)合正開啟軟件定義的新序章。目前，中科時代正在不斷優(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，以滿足不斷發(fā)展的工業(yè)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(fā)中心。北京團隊主要負責(zé)完善操作系統(tǒng)，包括虛擬化相關(guān)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(zé)與垂直行業(yè)客戶緊密合作，完成定制項目，并基于定制開發(fā)成果總結(jié)提煉出適合各垂直行業(yè)的標準化產(chǎn)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(nèi)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(nèi)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(tǒng)的IEC61131-3編程語言基礎(chǔ)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(guān)心其應(yīng)用是在海光CPU還是英偉達的推理芯片上運行，僅需關(guān)注自己的工藝流程，能夠極大地簡化編程過程。

當(dāng)前，以工智機為核心的工業(yè)設(shè)備，正在越來越多的新興行業(yè)中發(fā)揮著重要的作用。中科時代加速布局半導(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(tǒng)的工控機和PLC組合已經(jīng)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(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，將為工智機的技術(shù)創(chuàng)新和市場拓展提供良好的發(fā)展環(huán)境?！蔽磥恚锌茣r代將繼續(xù)加強技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)品研發(fā)能力，以提升工智機在復(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。