★英特爾亞太研發(fā)有限公司 胡巍

1  引言：實(shí)時(shí)計算對工業(yè)控制的重要性

在現代工業(yè)領(lǐng)域，無(wú)論離散制造業(yè)還是流程行業(yè)，若要生產(chǎn)設備和過(guò)程能安全且高效運轉，從而制造出質(zhì)量合格且有經(jīng)濟效益的產(chǎn)品，均離不開(kāi)自動(dòng)控制技術(shù)的支撐和驅動(dòng)。工業(yè)控制系統需與真實(shí)世界的生產(chǎn)過(guò)程和裝置，進(jìn)行數據通信和能量傳遞，才能完成自動(dòng)化任務(wù)。

生產(chǎn)過(guò)程中的物理或化學(xué)變化，總是需要時(shí)間的，即無(wú)論變化過(guò)程有多快，從開(kāi)始到結束總有延遲。在常規觀(guān)測條件下的真實(shí)時(shí)間是均勻流逝且不能被操控的。工業(yè)自動(dòng)化系統為實(shí)現自動(dòng)化而執行的各種功能任務(wù)，如測量輸入、控制輸出和控制計算等，也需要在預定的某個(gè)時(shí)刻開(kāi)始，并在預期的某段時(shí)間內完成?？刂破鞯母黝?lèi)操作，即使計算數值正確，若不能及時(shí)響應被控對象或被控過(guò)程的需要，那么也會(huì )導致錯誤而無(wú)法完成任務(wù)。

作為系統核心的工業(yè)控制器，一般都采用基于計算機的架構，即以執行存儲程序的方式來(lái)實(shí)現控制算法邏輯。當一個(gè)計算任務(wù)，不但要求計算結果正確，而且也要求滿(mǎn)足時(shí)間上確定的指標時(shí)，則可稱(chēng)其具備了“實(shí)時(shí)性”的特征；所以，工業(yè)控制器必須具備實(shí)時(shí)計算的能力，才可對生產(chǎn)過(guò)程實(shí)施自動(dòng)化控制。

2  實(shí)時(shí)控制的概念：基于實(shí)時(shí)計算的工業(yè)控制技術(shù)

實(shí)時(shí)計算的概念，定義了計算任務(wù)的成功取決于兩個(gè)必要條件：計算結果的正確性、完成時(shí)間上的確定性，即按實(shí)際任務(wù)的需求在指定的時(shí)間要求下提供正確的結果。當然，計算機任務(wù)處理速度快，是完成實(shí)時(shí)計算任務(wù)的一個(gè)重要前提，有利于設計時(shí)留有充分的余量；但單純的“快”不足以描述實(shí)時(shí)，真正的實(shí)時(shí)是要“疾如所指”（asfastasspecified）^[1]，這也是對“如何正確理解實(shí)時(shí)性特征”的一個(gè)精煉表述。按實(shí)時(shí)計算所涉及的領(lǐng)域，大體上可分為兩類(lèi)：信息技術(shù)（IT）領(lǐng)域，以計算機的信息和數據處理為主，如：分布式科學(xué)計算、金融交易系統等；工業(yè)自動(dòng)化（OT）領(lǐng)域，涉及到真實(shí)物理設備和工業(yè)流程，如：工業(yè)控制、自動(dòng)駕駛、遠程醫療、電網(wǎng)負載均衡調度等。其中，對完成某個(gè)實(shí)時(shí)任務(wù)所涉及的軟、硬件的全體，可統稱(chēng)為實(shí)時(shí)系統；如離散制造中的多軸聯(lián)合電機調速任務(wù)，為實(shí)現此實(shí)時(shí)運動(dòng)控制任務(wù)，通常需要由控制器、伺服驅動(dòng)器和電機、傳動(dòng)機構和機械負載、傳感器等測量裝置及其它附屬部件等組件一起構成了實(shí)時(shí)系統；其中控制器和伺服驅動(dòng)器，本質(zhì)都是計算機，即依靠軟件與硬件協(xié)同來(lái)完成與實(shí)時(shí)控制相關(guān)的功能。

工業(yè)實(shí)時(shí)控制，泛指以工業(yè)控制器為核心裝置來(lái)實(shí)現工業(yè)自動(dòng)化任務(wù)的相關(guān)技術(shù)統稱(chēng)?？筛鶕刂破鳟a(chǎn)品特征和應用領(lǐng)域細分如下：可編程邏輯控制器（PLC），廣泛用于單臺機電設備和自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)，也可用于過(guò)程控制節點(diǎn)；數控系統（CNC），主要是完成機加工等相關(guān)的控制任務(wù)；此外，還有工業(yè)機器人的專(zhuān)用控制器，以及過(guò)程控制領(lǐng)域常見(jiàn)的分布式控制系統（DCS）。當前主流的控制器，均可視為有與現場(chǎng)設備進(jìn)行通信能力的計算機，以離散方式進(jìn)行工作，即時(shí)間上以時(shí)鐘節拍信號來(lái)指揮和協(xié)調各器件運作，數值上對連續的物理量進(jìn)行量化編碼式處理。在工業(yè)自動(dòng)化場(chǎng)景下，通常需要在等間隔的時(shí)刻與外部交互，即接收測量數據和下發(fā)控制命令；而這個(gè)間隔被稱(chēng)為“控制周期”，簡(jiǎn)記為周期（cycle）；所以要求控制器在一個(gè)周期內，完成測量接收、控制計算和指令下發(fā)，以及其它相關(guān)事件響應等一系列操作；后續各個(gè)周期也依此循環(huán)往復。工業(yè)控制不同應用場(chǎng)景的任務(wù)需求各異，那其所需的實(shí)時(shí)性能要求也就不盡相同，即周期和響應時(shí)間等約束上存在差異，如石油化工等流程行業(yè)可能以秒和分鐘作為周期單位，而離散制造中的運動(dòng)控制任務(wù)一般要達到毫秒級的控制周期或響應能力。

工業(yè)控制器按架構可分為：專(zhuān)用計算機型（嵌入式）和通用計算機型（PC-based）等兩大類(lèi)控制器。其中，嵌入式（embedded）系統，一般指計算機的硬件實(shí)體裝在被控設備機柜內；其特點(diǎn)是體積小、結構簡(jiǎn)單、可靠性高、功能專(zhuān)用、擴展性和靈活性低、性能夠用即可、價(jià)格相對便宜。嵌入式計算機，可用于實(shí)現工業(yè)實(shí)時(shí)控制，但并非所有的嵌入式系統應用都要求具備明確的實(shí)時(shí)性特征。隨著(zhù)實(shí)際生產(chǎn)中，如機器視覺(jué)、大數據、人工智能和預測性維護等各種新技術(shù)和多樣性新需求的出現，通用型計算機，以其靈活性和易于實(shí)現負載整合的特點(diǎn)，越來(lái)越多地應用在工業(yè)控制領(lǐng)域，形成通用控制器類(lèi)產(chǎn)品。其具體特征，是在通用硬件平臺和通用軟件基礎設施上定義和開(kāi)發(fā)相應的功能；如：軟PLC技術(shù)，不斷擴大其在產(chǎn)線(xiàn)自動(dòng)化領(lǐng)域的應用范圍。而大多主流的數控機床和工業(yè)機器人系統，也基本都采用了以英特爾X86架構的計算機，作為其專(zhuān)用控制器?，F可將“嵌入式系統”概念擴展，理解為這樣一類(lèi)廣義計算機裝置：其本身會(huì )從屬于某個(gè)設備或系統，作為該系統的一個(gè)核心組件，其軟件也是專(zhuān)用于此設備或系統功能的實(shí)現，如監測、操控，以及數據采集和傳輸等。這里“專(zhuān)用”的含義，已從在定制型計算機上實(shí)現的功能，擴展為可在通用硬件平臺上實(shí)現的面向某類(lèi)應用場(chǎng)景的功能。

3  實(shí)時(shí)操作系統：基于通用架構的開(kāi)源方案

應用程序，是可以在沒(méi)有操作系統的情況下，直接運行在計算機硬件上的，即所謂的“裸機”（bare metal）方式。隨著(zhù)計算機硬件的持續進(jìn)步——特別是微處理器（CPU）的迅猛發(fā)展，計算任務(wù)管理復雜度不斷提高，而編寫(xiě)高效和可靠的多任務(wù)并發(fā)的裸機程序，也變得越來(lái)越困難；操作系統類(lèi)軟件因此應需而生，采用“分層架構”設計思想，作為底層直接管理各種硬件資源，并為其上的應用程序提供訪(fǎng)問(wèn)硬件受控的接口，從而對任務(wù)執行和并發(fā)進(jìn)行高效而安全地管理。一般而言，操作系統的引入，為應用開(kāi)發(fā)帶來(lái)如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）應用編程，更聚焦和友好：?jiǎn)蝹€(gè)任務(wù)，只需聚焦于自身算法邏輯的實(shí)現，支撐性和維護性工作均借助于操作系統來(lái)完成；因此，對于各專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域人員而言，編程開(kāi)發(fā)體驗更高效和友好。

（2）多任務(wù)和多用戶(hù)：在一臺計算機上，通過(guò)操作系統的隔離機制，多個(gè)任務(wù)可安全、獨立且并發(fā)地執行；利用通信基礎設施，可更好地實(shí)現任務(wù)間的同步和協(xié)調，從而有利于解決更復雜的問(wèn)題。

（3）提升硬件利用率：操作系統會(huì )調度各種工作負載，在“性能過(guò)?！钡挠布弦蕴岣呃寐屎图骖櫢咝绦袨槟繕?，完成各種任務(wù)；一般以充分利用計算資源（特別是避免CPU閑置）為策略，從而提高了系統的整體任務(wù)吞吐量（throughput）。

（4）軟件生態(tài)基礎：統一而規范的接口和基礎設施，是代碼移植和復用的前提，也是各種軟件協(xié)同合作的基礎；會(huì )方便終端用戶(hù)在同一平臺上，累積和復用各種軟件的使用習慣和經(jīng)驗；從而產(chǎn)生一個(gè)良性發(fā)展的、合作共贏(yíng)的軟件應用的市場(chǎng)環(huán)境。

實(shí)時(shí)操作系統（RTOS），首先是作為操作系統而存在，然后才是滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性保障特征，其應具備一般操作系統基本功能和由此帶給應用程序開(kāi)發(fā)的便捷和優(yōu)勢，然后才是保證滿(mǎn)足實(shí)時(shí)要求的措施，必須優(yōu)于裸機實(shí)時(shí)編程方式，提供更加可靠的實(shí)時(shí)性和穩定性保障。通常一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統，應具備基于優(yōu)先級的任務(wù)調度，支持搶占的內核和高精度時(shí)鐘等模塊，和針對中斷處理、優(yōu)先級反轉等延時(shí)問(wèn)題的解決方案等基礎措施，來(lái)支持和保障計算任務(wù)的實(shí)時(shí)性特征。按設計方式，可分為專(zhuān)用和基于通用改造的實(shí)時(shí)操作系統；前者包含如商用VxWorks和開(kāi)源的FreeRTOS等，后者包含基于Linux的Preempt_RT實(shí)時(shí)補丁方案、雙操作系統內核架構的Xenomai方案等。

此外，還有基于虛擬化技術(shù)的實(shí)時(shí)解決方案，如ACRN、RTS Hypervisor和KVM等，其引入的虛擬機監控管理計算資源，實(shí)現了類(lèi)操作系統的硬件管理和隔離等功能。工業(yè)控制參考實(shí)例，如在同一臺IPC上運行多個(gè)虛擬機，可在其Windows虛擬機中運行常用的用戶(hù)界面程序和數據處理、仿真程序，而在實(shí)時(shí)虛擬機（如基于Linux實(shí)時(shí)操作系統）運行實(shí)時(shí)控制類(lèi)計算負載等關(guān)鍵任務(wù)程序。

相較而言，開(kāi)源的方案，易于獲取和使用，但需要投入較多前期培訓和維護成本；商業(yè)方案，一般具有良好的技術(shù)支持保障，并且便于某些領(lǐng)域的安全認證和規范要求，但授權費用一般較高。而通用操作系統對比專(zhuān)用操作系統，具備更廣譜軟件硬件支持，更新升級快，能夠完成更廣泛的計算任務(wù)，且可通過(guò)配置和調試，對特定計算任務(wù)進(jìn)行優(yōu)化?；谕ㄓ眉軜嫼拖到y的開(kāi)源實(shí)時(shí)解決方案，在高效地應對復雜性的同時(shí)，還提供確定性、可靠性和靈活性的計算能力；且經(jīng)長(cháng)期的發(fā)展和累積，其上的軟、硬件生態(tài)豐富，為滿(mǎn)足多樣化負載整合的需求，提供了便利。但在具體實(shí)踐中也要面對如下復雜性：

（1）硬件平臺復雜：組件品類(lèi)和型號多樣，最優(yōu)選型比較困難，需要平衡性能、價(jià)格和擴展性。

（2）軟件系統復雜：獲取到開(kāi)源代碼，遠不是對平臺系統完全掌控，代碼龐雜，需要理清依賴(lài)關(guān)系。

（3）調優(yōu)過(guò)程復雜：缺少系統性的指導和解釋?zhuān)⑶议_(kāi)源社區對新問(wèn)題的響應也無(wú)法保證及時(shí)。

為此需要專(zhuān)業(yè)團隊，一方面具備實(shí)時(shí)計算基本知識和技能，另一方面理解工業(yè)控制任務(wù)的實(shí)際需求，對具體應用，提供針對性的實(shí)時(shí)解決方案。

4 ECI：基于X86架構的參考平臺軟件

“英特爾工業(yè)邊緣控制平臺^[2]”（Intel? Edge Controls for industrial）方案——簡(jiǎn)稱(chēng)ECI，是以面向工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域應用和軟硬一體化實(shí)現的這兩個(gè)目標為自身定位；基于“通用開(kāi)放架構”和“軟件定義”的兩個(gè)基本設計理念進(jìn)行開(kāi)發(fā)，突出軟硬協(xié)同優(yōu)化的特征；包含“一硬一軟”兩個(gè)基礎構件，用以實(shí)現各種邊緣控制任務(wù)的整合應用：

（1）硬：以基于X86架構的通用計算硬件平臺，用作為緣控制軟件的執行載體。

（2）軟：具備實(shí)時(shí)性保障的通用操作系統和虛擬化方案，用作邊緣控制應用軟件的運行基礎。

ECI架構如圖1所示。

圖1 ECI架構圖：功能與組件

此平臺軟件，提供了兩種主流的基于Linux通用操作系統的開(kāi)源實(shí)時(shí)解決方案：內核實(shí)時(shí)補丁Preempt_RT方案和雙內核Xenomai方案；并且基于計算硬件特性，針對其對實(shí)時(shí)任務(wù)可能影響，提供了推薦配置和調優(yōu)方法。如：通過(guò)主板固件（UEFI/BIOS）選項和內核啟動(dòng)參數等手段，來(lái)配置與運算速率相關(guān)的時(shí)鐘頻率、功耗和溫控等管理功能，以減少CPU頻率波動(dòng)對實(shí)時(shí)應用的影響；共享緩存（LLC）的隔離和分配技術(shù)，以降低共享資源爭搶式訪(fǎng)問(wèn)對實(shí)時(shí)應用造成的干擾；此外，在某些處理器上還集成了專(zhuān)門(mén)為實(shí)時(shí)任務(wù)設計的Intel TCC技術(shù)、相關(guān)軟件工具及配置方法等。

Preempt_RT Linux內核模型如圖2所示，Xenomai雙內核模型如圖3所示。

圖2 Preempt_RTLinux內核模型^[3]

圖3 Xenomai雙內核模型^[3]

英特爾ECI平臺，不但包含了底層操作系統級軟件，而且也有針對工業(yè)控制的各種應用組件，如：集成了工業(yè)控制所需的軟PLC運行時(shí)——CoDeSysruntime；現場(chǎng)通信所需的工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)方案——EtherCAT和TSN等；以及包含了實(shí)時(shí)任務(wù)優(yōu)先級調度和內存頁(yè)鎖定等方法；并且在推薦的IPC硬件平臺上，進(jìn)行系統的實(shí)時(shí)性能測試，可供最終用戶(hù)硬件平臺選型參考。因為采用了軟硬件一體的設計和調優(yōu)方式，可提供高效而可靠的實(shí)時(shí)性能；并且基于Intel的處理器設備具備廣泛的軟硬件生態(tài)伙伴，從而降低了最終用戶(hù)的開(kāi)發(fā)和調試周期，降低開(kāi)發(fā)、維護和擴展升級成本，更好地滿(mǎn)足現有工業(yè)開(kāi)放和通用的要求。

需要注意的是，工業(yè)實(shí)時(shí)應用的成功落地是一個(gè)需要軟件和硬件一體化且高度協(xié)同調優(yōu)的過(guò)程，特別需要針對具體的場(chǎng)景和應用實(shí)例進(jìn)行長(cháng)時(shí)間且充分的驗證和性能測試。為此，ECI還針對不同應用場(chǎng)景，比如：離散制造涉及的PLC控制、伺服電機的運動(dòng)控制、機器人（機械臂和移動(dòng)小車(chē)AMR）的控制，以及流程行業(yè)控制應用，提供了樣例（sample）代碼；在推薦的一系列IPC平臺上進(jìn)行了相關(guān)的功能和實(shí)時(shí)性能測試，并且提供了相關(guān)文檔說(shuō)明，以及結果評價(jià)和參考建議。由此，為工業(yè)領(lǐng)域的客戶(hù)利用ECI平臺進(jìn)行產(chǎn)品設計和驗證測試，提供參考依據和可行性方案。

5 結論與建議

一個(gè)可以落地的實(shí)時(shí)控制解決方案，在需求、設計、實(shí)現和調優(yōu)的產(chǎn)品全生命過(guò)程中，需要注意以下三方面的影響：

（1）現場(chǎng)設備的實(shí)時(shí)通信方案

工業(yè)控制中的實(shí)時(shí)應用程度的性能受到外部現場(chǎng)設備的約束，要進(jìn)行等時(shí)間隔I/O通信，如工業(yè)以太網(wǎng)方案中對網(wǎng)卡的訪(fǎng)問(wèn)。進(jìn)行工業(yè)控制實(shí)時(shí)任務(wù)設計和驗證時(shí)，不但要考慮占用CPU資源的計算密集型負載和也要關(guān)注對網(wǎng)卡等的IO密集型負載消耗的時(shí)間，對IPC上運行的實(shí)時(shí)任務(wù)，通過(guò)底層RTOS提供的機制和硬件調優(yōu)的保障，可以讓實(shí)時(shí)任務(wù)按規律的時(shí)間周期穩定地喚醒和睡眠具體的實(shí)時(shí)線(xiàn)程。

（2）控制器IPC的硬件選型與調優(yōu)配置

當前主流商用工控機基礎平臺和環(huán)境，為多核處理器架構的計算機硬件平臺，所以還要考慮實(shí)時(shí)多線(xiàn)程和共享資源隔離分配等方式，以提升整體并行計算能力，實(shí)現多任務(wù)的實(shí)時(shí)性調度。一個(gè)實(shí)時(shí)控制軟件，其各項功能和任務(wù)，要針對具體的目標硬件平臺（IPC）和應用場(chǎng)景，進(jìn)行充分的測試和驗證，才能進(jìn)行應用。在通用計算機硬件平臺，實(shí)時(shí)控制應用開(kāi)發(fā)者，應該對計算機硬件平臺有足夠深度的了解，掌握CPU時(shí)鐘工作頻率、定時(shí)器的影響，頻率變化的影響和引起頻率變化的因素，以及CPU的硬件特性（features）即頻率分配和管理，特別是電源和功耗管理，對共享Cache管理等在系統固件和操作系統中的配置和調試方法。

（3）參考資源

還應充分利用開(kāi)源和可供借鑒的參考資源 ，用于實(shí)時(shí)控制軟件方案設計 、方向探索和具體落地實(shí)踐的過(guò)程中 。英特爾的ECI平臺 ，基于主流開(kāi)源Linux的實(shí)時(shí)方案 ，并針對具體IPC硬件選型 ，提供了在實(shí)時(shí)控制的系統硬件 、固件 、軟件——三位一體式的調優(yōu)；并且針對離散制造、工業(yè)機器人和流程行業(yè)等場(chǎng)景的典型需求，抽象出帶真實(shí)負載的測試場(chǎng)景，進(jìn)行驗證，并在相關(guān)文檔中推薦配置和調優(yōu)方法。綜上，ECI平臺可供工業(yè)實(shí)時(shí)控制方案探索和落地時(shí)參考。

作者簡(jiǎn)介:

胡?。?982-），男，黑龍江齊齊哈爾人，碩士，現就職于英特爾亞太研發(fā)有限公司，研究方向為工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)與邊緣控制。

參考文獻：

[1] Linux基金會(huì ). In the trenches with Thomas Gleixner, real-time Linux kernel patch set[EB/OL].

[2] 英特爾. 英特爾邊緣控制軟件平臺[EB/OL].

[3] 黃敬群. Making Linux do Hard Real-time[EB/OL].

摘自《自動(dòng)化博覽》2022年11月刊