3月15日，在慕尼黑上海電子展國(guó)際嵌入式系統(tǒng)創(chuàng)新論壇上，瑞薩電子中國(guó)負(fù)責(zé)工業(yè)業(yè)務(wù)的譚紹鵬部長(zhǎng)演講了構(gòu)建新一代的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)。

如何實(shí)施工業(yè)4.0的解決方案

首先我們回顧一下工業(yè)革命的歷程。

第四次工業(yè)革命并非一個(gè)顛覆性的革命，它只是基于第三次工業(yè)革命的基礎(chǔ)上進(jìn)行的技術(shù)創(chuàng)新。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)或者工業(yè)4.0是一個(gè)完美風(fēng)暴，它是專注于在資源上結(jié)合可持續(xù)性或減少浪費(fèi)的技術(shù)。工業(yè)4.0作為一個(gè)價(jià)值鏈的組織使用基礎(chǔ)和概念集中的名詞，最早是出現(xiàn)在德國(guó)政府提出的《第四次工業(yè)革命高科技戰(zhàn)略計(jì)劃》。隨后美國(guó)提出的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，中國(guó)提出了《中國(guó)制造2025》，實(shí)際上這些概念是一樣的，是建立在一個(gè)原有自動(dòng)化基礎(chǔ)上做一些改良或者優(yōu)化的措施，并非是顛覆性革命。

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)讓我們可以對(duì)機(jī)器、計(jì)算機(jī)、人進(jìn)行定位，把各種業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)化所得到的一些數(shù)據(jù)進(jìn)行一些分析，實(shí)現(xiàn)一些智能化的工業(yè)操作。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)實(shí)質(zhì)是物聯(lián)網(wǎng)當(dāng)中最大最重要的組成部分。

工業(yè)4.0工廠構(gòu)想

要實(shí)現(xiàn)我們所謂的智慧工廠或者數(shù)字工廠，首先必須是傳感器實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，以前傳感器只進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，以后將更注重傳感器資產(chǎn)的管理運(yùn)營(yíng)，從而防止一些意外的停機(jī)，提高生產(chǎn)率。

實(shí)時(shí)分析最重要的目的是優(yōu)化整個(gè)工廠的吞吐量。因?yàn)楣I(yè)4.0面向的是物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)，它有大量的數(shù)據(jù)需要處理，如何優(yōu)化這些數(shù)據(jù)并減少浪費(fèi)？首先要構(gòu)建整個(gè)硬件和操作系統(tǒng)可以通用的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，特殊的工業(yè)組件會(huì)被一些標(biāo)準(zhǔn)化實(shí)時(shí)的以太網(wǎng)組件或者協(xié)議取代。

另一個(gè)熱門的是虛擬制造，如何使用工廠的一些虛擬工具建造自己的一個(gè)虛擬的環(huán)境，整個(gè)運(yùn)營(yíng)、產(chǎn)品開(kāi)發(fā)到制造后面的生產(chǎn)，整個(gè)建模，是非常重要的。

還有一個(gè)最關(guān)鍵的部分，物理網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。它解決的問(wèn)題是人工與機(jī)器人之間如何協(xié)同工作，使生產(chǎn)單元和虛擬單元更加便利。這一部分是工業(yè)4.0很重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，它把每個(gè)智能制造體系當(dāng)中的每個(gè)小腦或神經(jīng)系統(tǒng)里面的節(jié)點(diǎn)，甚至具有信息加工的二元屬性的一些屬性單元結(jié)合起來(lái)，這些信息屬性包括了網(wǎng)絡(luò)通訊、計(jì)算還有一些數(shù)據(jù)分析。所以，在建設(shè)信息物理系統(tǒng)的時(shí)候，每個(gè)單元當(dāng)中的通訊、計(jì)算跟分析都要具備，這些單元著重于如何把物理世界的一些東西進(jìn)行虛擬化或者信息化，這也是實(shí)現(xiàn)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)或者工業(yè)4.0很重要的一個(gè)組成部分。

整個(gè)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)會(huì)對(duì)整個(gè)制造行業(yè)產(chǎn)生高達(dá)1.2萬(wàn)億美元的經(jīng)濟(jì)利益影響。

建立物聯(lián)網(wǎng)工廠要具備什么要素

人、資產(chǎn)和工藝之間的無(wú)縫操作

通過(guò)技術(shù)增強(qiáng)傳感器與機(jī)器之間的反饋

自主的“自我意識(shí)”

可配置的、可定制的

連接

實(shí)時(shí)域、非實(shí)時(shí)域

有線和云組件

安全和保障

本身固有的安全性

用戶身份驗(yàn)證與上下文感知安全

智能化分析

描述性、預(yù)測(cè)性和規(guī)范性分析

在每個(gè)工廠層面進(jìn)行調(diào)節(jié)

數(shù)據(jù)管理

可重復(fù)使用、可擴(kuò)展的數(shù)據(jù)模型

何為“智能信息”——最常被引用的是環(huán)境信息（如位置和時(shí)間）

傳統(tǒng)工業(yè)企業(yè)如何擴(kuò)展邁向工業(yè)4.0

整個(gè)傳統(tǒng)業(yè)務(wù)的價(jià)值鏈從最底層開(kāi)始，瑞薩電子就類似于最底層的芯片級(jí)、半導(dǎo)體廠商，往上是一些中間電子提供商，再往上就是一些嵌入式軟硬件提供商、OEM廠商、系統(tǒng)集成商、設(shè)備提供商，最后是企業(yè)服務(wù)者。舉個(gè)例子，比方說(shuō)現(xiàn)在的OEM廠商要連入工業(yè)4.0的話需要接入類似于云服務(wù)、軟件分析服務(wù)。半導(dǎo)體廠商要集成更多的安全性或?qū)?a target="_blank">通信安全協(xié)議集成到新硬件里面去。另外系統(tǒng)集成商不僅僅提供了軟硬件的集合，同時(shí)也提供了一些軟件級(jí)服務(wù)，比如SaaS。所以，整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈可以看到不同決策級(jí)的玩家或者生態(tài)鏈里面的伙伴，由于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)要素的改變導(dǎo)致整條產(chǎn)業(yè)鏈會(huì)向上或者向下進(jìn)行一個(gè)延伸，這是非常關(guān)鍵的一個(gè)價(jià)值鏈。

IT/OT 困境-復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)層

目前縱觀整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)，一個(gè)工廠從不同層面來(lái)看可以分成企業(yè)層面，控制層面和現(xiàn)場(chǎng)層面。現(xiàn)場(chǎng)層面很簡(jiǎn)單理解，是各種不同的傳感器，不同的數(shù)據(jù)模塊。控制層面包括PLC、機(jī)器的主控部分、IO卡等等，企業(yè)層面上面比方說(shuō)企業(yè)的ERP、CRM管理等等。把它劃分成兩個(gè)區(qū)域，一個(gè)叫IT域，一個(gè)叫OT域。IT域傳統(tǒng)叫做企業(yè)信息技術(shù)網(wǎng)，OT域主要是運(yùn)營(yíng)層面的技術(shù)，這是兩個(gè)不同層面的領(lǐng)域。

在 IT端主要是基于一些傳統(tǒng)的以太網(wǎng)的工作原理，比方說(shuō)使用了CSMA監(jiān)聽(tīng)多路訪問(wèn)或沖突的技術(shù)，它使用的是雙導(dǎo)線、UPP線進(jìn)行組網(wǎng)；再比如標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)4兆，快速的100兆或千兆等等，這都是符合傳統(tǒng)的以太網(wǎng)，它遵循的是QoS的優(yōu)先機(jī)制進(jìn)行轉(zhuǎn)化。在一個(gè)數(shù)據(jù)里面一部分?jǐn)?shù)據(jù)端肯定會(huì)被丟棄掉，所以在 IT域中有一個(gè)不成文的規(guī)定就是如果帶寬占用率超過(guò)40%的時(shí)候，就需要選擇拓寬，因?yàn)閹拠?yán)重不足的情況下會(huì)導(dǎo)致?lián)矶隆Ｔ贠T端我們強(qiáng)調(diào)的是信息或訊息的及時(shí)性，叫做實(shí)時(shí)性。這里面包括警示、事件告知、狀態(tài)檢測(cè)、電力狀況、判斷干擾等等，這些數(shù)據(jù)如何讓OT端的人員能夠及時(shí)解決問(wèn)題或提前進(jìn)行維護(hù)，減少宕機(jī)，這非常關(guān)鍵。所以，我們要做的是，如何透過(guò)IT端與OT端的融合來(lái)找到一種最優(yōu)的自動(dòng)化平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，然后落實(shí)數(shù)字轉(zhuǎn)型和一些智能制造，這些業(yè)務(wù)可以實(shí)現(xiàn)可視化生產(chǎn)，來(lái)保證整個(gè)產(chǎn)線的能耗降低、效率提高。

開(kāi)始實(shí)施工業(yè)4.0策略的注意事項(xiàng)

選擇符合您應(yīng)用需求的云平臺(tái)

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用

什么叫邊緣網(wǎng)關(guān)？邊緣網(wǎng)關(guān)是一個(gè)接入網(wǎng)關(guān)，它的目的是快速增加遠(yuǎn)程或者移動(dòng)用戶一些安全遠(yuǎn)程的連接接入，不同設(shè)備傳感器的搜集、加密分析數(shù)據(jù)、全部數(shù)據(jù)集中然后發(fā)送到云端到控制器、服務(wù)器進(jìn)行后端的數(shù)據(jù)分析，它是一個(gè)數(shù)據(jù)的接入層。邊緣網(wǎng)關(guān)是以IT為中心的，雖然所有的數(shù)據(jù)會(huì)經(jīng)過(guò)它來(lái)進(jìn)行生成，但它并不能做出一個(gè)很實(shí)時(shí)性的決策，原因在于它的響應(yīng)時(shí)間到云至少是在毫秒級(jí)別，可能是25毫秒到50毫秒之間，這樣使用云計(jì)算會(huì)產(chǎn)生一個(gè)很嚴(yán)重的延遲。比如工業(yè)系統(tǒng)里面的一些檢測(cè)、控制或者執(zhí)行命令的要求時(shí)限很高，部分產(chǎn)品要求在10毫秒以內(nèi)，因而20毫秒或以上延遲都是完全不可接受的。另外，它對(duì)于一些趨勢(shì)數(shù)據(jù)分析、非實(shí)時(shí)性的數(shù)據(jù)推算反應(yīng)，都是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

在云端分析的時(shí)候有一個(gè)叫做受限的粒度計(jì)算，粒度計(jì)算是一種方法論，是人工智能里面研究的一個(gè)方向。由于人類本身認(rèn)知的能力是有限的，人類在處理大量信息的時(shí)候會(huì)把大量復(fù)雜信息按照不同特性進(jìn)行一些劃分，劃分成簡(jiǎn)單的塊，然后這些塊就會(huì)當(dāng)成一個(gè)粒，所以在云端會(huì)用到“粒”的概念。

瑞薩電子提出如何將OT域運(yùn)營(yíng)技術(shù)這一端的數(shù)據(jù)以及我們常說(shuō)的信息技術(shù)這一塊的域融通起來(lái)，這里面包括了我們?cè)诠I(yè)領(lǐng)域常用到的一些工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)都是實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)，或者周期性、過(guò)程性的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)如何實(shí)時(shí)傳輸?shù)?a href="http://m.xsypw.cn/tags/iot/" target="_blank">IOT的網(wǎng)關(guān)，讓物聯(lián)網(wǎng)的協(xié)議進(jìn)行云端的分析。如何實(shí)現(xiàn)這個(gè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與指令控制相互反應(yīng)交互，也是至關(guān)重要的。

RZ/N系列 — 實(shí)現(xiàn)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)互通并橋接IT/OT 網(wǎng)絡(luò)

瑞薩電子提出了基于RZ/N的芯片，它是一個(gè)事先打通并橋接了兩塊域的解決方案，具備多協(xié)議工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)和智能控制，提供了五端口的千兆位交換機(jī)，另外還具備一個(gè)安全的網(wǎng)絡(luò)保障。智能控制會(huì)有一個(gè)內(nèi)核，單核或者雙核的ARM Cortex A7處理器，再加一個(gè)M3硬件實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)引擎。

再介紹一下冗余網(wǎng)絡(luò)。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)如何保障安全性？除了我們提供很多不同的拓?fù)洌€構(gòu)建了一個(gè)叫HSR的環(huán)形冗余特性，這是可以真正實(shí)現(xiàn)零秒的網(wǎng)絡(luò)冗余，它避免了網(wǎng)絡(luò)通訊當(dāng)中的數(shù)據(jù)丟包，或者說(shuō)真正實(shí)現(xiàn)了零切換。這個(gè)協(xié)議HSR/PRP已內(nèi)置在里面。

下面是內(nèi)部芯片的系統(tǒng)框圖，在應(yīng)用層端有Cortex A7，這里面主要包括一些工業(yè)應(yīng)用控制等等。右邊是一些以太網(wǎng)的實(shí)時(shí)通訊，有一個(gè)硬件操作系統(tǒng)，它可以處理多重網(wǎng)絡(luò)的冗余。

內(nèi)建高效的任務(wù)切換硬件RTOS系統(tǒng)

瑞薩電子的解決方案內(nèi)嵌了一個(gè)RTOS系統(tǒng)，如下圖。可以看到整個(gè)效率下降對(duì)比于軟件操作系統(tǒng)會(huì)有更大的優(yōu)勢(shì)。硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)是一個(gè)剛性的，不可改變的時(shí)間限制，它不允許任何超出時(shí)限的錯(cuò)誤，超過(guò)時(shí)限的錯(cuò)誤會(huì)帶來(lái)整個(gè)系統(tǒng)的失敗，所以我們叫硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)，它區(qū)分于分時(shí)操作系統(tǒng)。分時(shí)操作系統(tǒng)會(huì)將資源平均分配，但為什么用硬實(shí)時(shí)系統(tǒng)？因?yàn)閺?qiáng)調(diào)實(shí)時(shí)性。用軟實(shí)時(shí)系統(tǒng)行不行？軟實(shí)時(shí)是一個(gè)柔性靈活的實(shí)時(shí)系統(tǒng)，它可以容忍偶然的超時(shí)錯(cuò)誤跟失敗，并不會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。

如何做到整個(gè)工業(yè)協(xié)議與芯片系統(tǒng)的靈活操作

瑞薩電子定義了一個(gè)協(xié)議的抽象層，這個(gè)協(xié)議的抽象層可以將各種不同的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議進(jìn)行無(wú)縫切換。我們可以看到所有不同生態(tài)的主要協(xié)議棧都在這里面，然后綠色部分是瑞薩電子已經(jīng)做的一些軟件，它可以讓這些不同部分的協(xié)議通過(guò)我們網(wǎng)絡(luò)硬件的引擎進(jìn)行故障的切換。再向大家介紹一下IO-Link的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)主線，這是非常重要的一個(gè)開(kāi)放式的標(biāo)準(zhǔn)創(chuàng)新通信協(xié)議，它支持各種IO-Link的傳感器。可以把IO-Link通信理解成是傳感器領(lǐng)域的USB，非常易于使用和裝配。所以，在展望工業(yè)4.0的時(shí)候，最關(guān)鍵的一點(diǎn)就是如何讓傳感器變得更加智能化，IO-Link通訊就是實(shí)現(xiàn)它最完美的一個(gè)方式。

如何在使用以太網(wǎng)控制器跟總線進(jìn)行一些交換數(shù)據(jù)，可以看到我們有一個(gè)內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)組織，在芯片內(nèi)部實(shí)現(xiàn)的，所有應(yīng)用層的數(shù)據(jù)通過(guò)這些總線與網(wǎng)絡(luò)控制單元進(jìn)行不同的一些數(shù)據(jù)交換。這個(gè)速度會(huì)非常快，比外圍的數(shù)據(jù)交換快很多。

為此，我們提出一個(gè)解決方案，在OT端接入了一個(gè)實(shí)時(shí)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)，這個(gè)網(wǎng)關(guān)同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，也同時(shí)可以兼顧實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)在工業(yè)領(lǐng)域的一些控制，包括機(jī)械手、傳感器等等，將本地的數(shù)據(jù)跟云端的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，也打通了整個(gè)IT域跟OT域的融通關(guān)系。

除了動(dòng)態(tài)工業(yè)自動(dòng)化以外，這個(gè)方案還可以關(guān)聯(lián)到其他的一些領(lǐng)域，比方說(shuō)一些關(guān)鍵的基礎(chǔ)設(shè)施。從另一個(gè)角度來(lái)說(shuō)，這個(gè)方案里面有很多工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議的切換，如果用到不同行業(yè)，它也有一些行業(yè)不同協(xié)議的切換。例如，樓宇自動(dòng)化里面樓宇的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，如何讓樓宇網(wǎng)絡(luò)協(xié)議接入物聯(lián)網(wǎng)，這個(gè)平臺(tái)也可以達(dá)成。所有協(xié)議都是軟件，只是怎么把這個(gè)軟件固化到我們芯片本身。當(dāng)然，包括醫(yī)療設(shè)備的自動(dòng)化，還有物聯(lián)網(wǎng)的一些解決方案。所以，它的應(yīng)用范圍不僅僅局限在工業(yè)網(wǎng)絡(luò)智能化。