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    科東軟件總經理龔鵬程:談基于軟件定義的控制解決方案
    來源:中國傳動網   發表時間:2021/1/5 13:06:00  瀏覽次數:
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    12月17日,“2021中國運動控制/直驅產業高峰論壇”在深圳坪山隆重召開,五百多位業內人士匯聚一堂,共謀行業發展大計。在分論壇運動控制技術應用篇上,科東(廣州)軟件科技有限公司總經理龔鵬程就《基于軟件定義的控制解決方案》內容進行主題分享。

     

    以下內容根據演講整理:

    感謝論壇給予的機會,首先做一個簡單的自我介紹,我是來自廣州科東軟件的,在自動控制領域是一個新兵,今天在這么大的場合,確實有一點緊張,有一個小請求,請大家給我一點掌聲鼓勵一下,讓我更有信心把后面的內容介紹完。

    今天主要是軟件定義控制方案的介紹,我們做什么?我們從哪里來?為什么是我們做這個事情?回答大家這三個問題。

    從工業發展的歷程來看,蒸汽、電力、信息技術、智能化完整的四代演進,到第四代,最核心的是智能化。什么是智能化?簡單來講,一個是智慧,一個是能力,中間還需要一個“+”,綜合起來就是“智慧+能力”。傳統的IT更多是解決智慧的問題,大數據分析、人工智能這些內容解決的是計算的方法、算力,或者是智慧的問題;而傳統的OT部分,現場的控制,就像人一樣,肌肉端的能力問題,從我們科東軟件來講,我們重點解決的是中間“+”的問題。

    圖1

    在解決技術智能化的需求上,我們根據國家的戰略,解決大家剛剛提到的卡脖子問題,卡在哪里呢?卡在三個事情上,芯片、操作系統、協議。

    還是回到智能化時代,什么是智能化?就是從傳統的控制系統的基礎上,我們引入一些新的互聯網技術,形成新的工業互聯網的應用場景,比如說5G、人工智能、視覺系統和圖像識別,結合我們傳統的服務化應用發展的思路,軟件定義的技術發展趨勢,形成整個智能制造新的架構。在這個基礎上,我們需要一個功能更復雜、適用范圍更廣、安全可靠性更高的操作系統,我們叫工業級網絡操作系統。它具體怎么組成的呢?它具備什么特點呢?

    圖2

    首先,它是基于通用的工業PC或者嵌入式板卡的操作系統,從主流的X86、ARM、MIPS架構,不同的廠商,包括英特爾、AMD、恩智浦,還有國內的龍芯、飛騰、海光、兆芯等,從低功耗到高性能、大算力都能支持;其次是微內核,確保操作系統內核能夠通過SIL類安全功能認證,滿足一些高安全關鍵系統應用的需求,第三,它還能支持實時和非實時應用,同時在一個場景上,就像我們的大腦分左右半區,我們在這上面會分成視覺區、邏輯思維以及其他控制區,通過這種方式分成不同區來滿足不同類型的業務需要,這是我們操作系統的核心。

    圖3

    我們科東提供了一個智能化的基礎平臺,這個平臺助力工業控制系統打通任督二脈,用什么來打通呢?總線技術,符合IEC61158-28標準的AUTBUS總線技術,幫助我們的大腦和肌肉系統打通筋脈,形成完整的工業控制計算解決方案,這個方案具備融合、虛擬化、硬件支持廣泛等特性。

    圖4主要強調幾個問題:第一個是支持的應用,從實時應用控制,包括運動控制、機器人控制、CNC數控系統、嵌入式計算等,都可以支撐;同時我們能夠提供小于50微秒的運動控制的精度支持。我們可以將機器視覺、數據庫、視頻、音頻、圖形仿真等等這樣的非實時應用也能在操作系統上面做一個融合。當然,這整個系統是在統一的架構上,可以根據我們應用的需求做不同的定義。所謂軟件定義,就是在標準化硬件之上,我們可以根據業務需求,支持實時或者非實時業務,或者支持兩者融合運行,這樣一個非常靈活的部署環境。

    圖4

    第二,我們的總線可以兼容或者接納其他的國際標準總線,如EtherCAT、Profinet、Canopen、Modbus等,這樣我們在與國際接軌的基礎上,發展出一套新的總線,形成一套符合工業現場控制場景的完整解決方案。

    第三,通過操作系統,可以非常靈活地和云端的各種應用做銜接,和傳統的,大家聽得比較多的工業互聯網解決方案提供商,比如說騰訊云、阿里云等,我們可以很方便靈活地提供對接的機制來為用戶解決數字化生產問題。

    圖5是操作系統基本的特性,提供的功能比較豐富,包括故障記錄、文件系統、協議等。最典型的是微內核的驗證,另外還有分區的時空隔離性,把不同的控制功能和非實時功能在不同的空間和時間運行,這樣做到任何一個區以在開發階段做到并行開發。

    不同的應用可以并行開發,在運行階段分區內的應用發生故障不會影響到操作內核,以及其他的應用。這樣可以降低部分軟件、個體的問題,對整體系統的破壞或者影響。

    圖5

    圖6是針對控制系統要求比較高的操作系統實時性的一個概述,與工業領域應用比較多的Linux產品對比,我們可以看到紅色的數據點是INTEWELL系統響應數據點,綠色是Linux的數據點,紅色的數據點相對比較集中,而實時Linux相隔比較大,這是工信部電子五所權威測試的數據。同時我們也有跟國外的嵌入式操作系統Vxworks6.8版本也做了一個測試,具體參數性能如下圖所示。

    圖6

    內核及部分關鍵模塊源碼自主率達到100%,我們能做到100%的覆蓋需求,100%MC的覆蓋,也能做到100%的二進制,這是國內唯一能做到這兩點的嵌入式操作系統。我們通過了十多次全面測試和第三方機構的測試,這是我們操作系統的主要特性。

    我們在操作系統之上提供了符合IEC61131-3標準的一套控制開發編程軟件,這個軟件也兼容相關的國際通用總線協議和AUTBUS總線。

    再者,總線具備什么樣的特點呢?首先,這是一個符合國際標準的總線;其次我們正在把它變成國標;再次,這個協議和AUTBUS總線芯片,目前已經成為中國石化領域的標準。在中俄的能源生命線上,我們的西部管道這個項目里面,所有的這種傳感控制通信的設備都要和接入總線去傳送和采集數據進行控制。

    我們希望和更多的設備廠商、集成商大家一起來思考中國工業控制面臨的問題,大家共同努力來解決它。其實,我們現在做的東西是大家很多年前想做而沒做的,它受限于幾個因素,首先是CPU的性能問題,其次是行業的操作系統、芯片技術的發展。隨著這么多年的發展,我們現在已經具備了這樣一些基礎和條件,接下來需要我們大家一起共同打造這個生態圈,在這個核心基礎上發展。

    在方案應用方面,我們有一些典型的應用案例。一個是宜昌東土工廠,因為東土科技原來是做交換機的,在交換機的裝配線上,我們在一臺工業電腦上面運行了13個PLC的控制軟件,實現了裝配線上的各種機械臂、傳動相關控制功能的實施,這是自身的應用,我們自己的產品,自己的生產基地在用這個東西,通過這個方案實現了OT、IT的打通,提高了效率,降低了庫存成本。

    在石化方面,基于PC架構的服務器,上面運行了操作系統,實現了HMI和相關的控制,還有一些控制系統的整合,所有這些應用都是通過一臺機器實現的。

    在工業機器人控制領域,科東和某機器人合作伙伴做了一個方案,兩個6軸機械臂,各加一個轉軸,一共14個軸,加上視覺識別系統。我們可以通過視覺識別去傳遞和控制一些指令,來控制機械臂的速度和運動的軌跡,這都是通過一臺英特爾i7CPU的PC實現的全部功能。

    在這個基礎上,我們正在把自動駕駛的功能和算法放在操作系統上面,實現自動駕駛。目前在道路施工攤鋪工程車上實現了自動攤鋪操作,車上需要人,后面就不需要人了,它可以根據圖像識別實現自動駕駛,自動執行攤鋪動作,這個預計在明年初會實現。

    最后一個是打造芯片缺陷檢測顯微鏡的案例,通過邊緣控制器和操作系統,接入5G信號,芯片封裝后存在缺陷率,我們會導入圖像識別算法,部署工業相機抓拍,通過圖像識別去判斷缺陷,然后操縱產線去做一些記錄、分選相關的工作,把感知、決策、控制整合到一個PC架構上去完成所有的工作。

    為什么我們的操作系統可以支撐這些?首先,我們科東是北京東土科技和廣州科學城集團共同注資成立的企業,注冊資金2.5億,核心的目標是實現中國網絡化控制現場層的自主創新、安全可控、全球領先的工業級網絡操作系統。

    我們的INTEWELL操作系統是什么時候產生的呢?我們的INTEWELL是經過了30年的發展,但大家日常過程中只會聽說到WINDOWS、Linux,沒有聽說過我們,但其實國內有一個操作系統名氣很大“道”,我們的系統就是源自于道系統,1990年電子科技大學的一個課題產生的操作系統的內核,2000年到2005年,大家現在去首都機場的安檢門操作系統是用的道系統的產品,這是2001、2002年做的,2005年把我們的虛擬機、瀏覽器賣給了瑞士公司,后來這個團隊被谷歌收購了。

    谷歌、安卓初期版本里面有很多的產品是我們早先的構想,早期我們推國產化操作系統非常難,市場接受程度很低,不是行不行的問題,而是是否愿意用的問題,這個問題一直很難得到解決,在什么時候開始真正得到解決了呢?是在‘’十一五‘’和‘’十二五‘’期間,國家開始重視裝備的國產化問題,從那個時候開始,我們的操作系統在國產化裝備得到試點示范,逐步規模應用。2017年我們開始進入到東土科技,然后發布了工業級網絡操作系統,可以做一些針對行業應用或者針對一些典型應用場景的東西,2019年成立了科東公司,目前在無人駕駛、工業機器人、視覺應用等等方面都有一些典型應用。

    在軟件定義控制解決方案,2019年我們獲得了首界中國工業互聯網大賽的一等獎,當時有兩個一等獎,一個是我們,一個是工業富聯公司。今年4月份,我們又拿到了全球工業智能峰會的技術創新獎,獲得該獎項的有兩家單位,一家是我們,另外一家是西門子,我們相關的專利和軟著有多年的積累,讓我們能夠有信心在工業裝備領域作出自己的貢獻。

    由于時間關系,我們就不過多展開分享。我們公司在成立的時候有一個夢想,要成為一個國際一流的操作系統的廠商,然后為振興中國民族軟件產業而努力,而過去二十年我實現了這個夢想的第一步,在防務裝備里實現了很多這樣的應用。我希望在接下來的20年中,我能夠和在座的各位,以及今天沒有到場的工業界的朋友們一起在智能制造這個領域共同打造出一片新的天空,讓我的夢想能夠繼續飛翔。

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