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用物联网控制器使工厂上线

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 本文介绍了新一代物联网控制器如何帮助生产厂商将旧设备接入网络而无需在设备翻新上过度支出。

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工业自动化 用物联网 控制器 使工厂上线 集成解决方案综合网关与控制器 作者 Joe Lin,NEXCOM 工业计算解决方案总经理 制 造商对物联网 (IoT) 充满热情,但面对连接设备的巨大障碍。大多数工厂充斥着与企业网络分离的闭环 内部网中运行的传统设备。要创建智能工厂,制造商需要在不进行昂贵的工厂革新的条件下使这些设备 上线。 本文中我们介绍新一代物联网控制器如何解决此问题,以 无风扇 NEXCOM* NIFE 100 为例。我们展示 NIFE 100 如何连接 现场总线网络、企业网络和智能手机及平板电脑操作员接 口 – 并演示此连接性如何帮助制造商增强竞争力,预测趋 势,以及提高底线。 我们还将介绍 NIFE 100 控制器如何使用多核 Intel® Atom™ 处 理器整合多个工厂功能 – 包括逻辑控制、人机界面 (HMI) 和 通信。我们考虑 CODESYS SoftLogic 这样的支持工具如何促进 控制编程和远程管理。最后,我们介绍作为 Intel® 物联网网 关解决方案的 NIFE 100 如何简化网络设计与安全性。 工业物联网控制器的需求 工厂充斥传统现场设备,包括机械、机器人装置、可编程 控制器 (PLC) 和传感器。这些设备通常使用不同通信协议并 独立运行。如果存在工厂网络,则它通常是与企业网络不 同的闭环内部网。 要实现物联工厂的优势,制造商必须消除这些现场设备之 间的通信障碍,并将其连接到互联网。工业物联网控制器 可以起到帮助作用 – 即专为制造打造的物联网网关。这些 控制器充当大监控与数据采集 (Big SCADA) 的基础,使用企 业云集成工厂运营与数据分析广泛监控的远景(图 1)。 ഓᄽሊ ‫ٷ‬ SCADA ߾ᄽ࿿૴ྪ ྪ࠲ᇑ੦዆ഗ ੦዆ဣཥ DCS ࢅ PLC 图 1. Big SCADA 集成广范围监控以及数据分析。 16 | 2015 | 第 11 期 | 嵌入式创新者 | intel.com/embedded-innovator NEXCOM NIFE 100 通过推出用于跨协 议通信的开放架构,提供闭环控制 与互联网之间所缺少的连接,从而 满足此需求。基于 Intel Atom 处理 器的这些 IoT 控制器具有现场总线 扩展模块,实现工厂系统与云端 的灵活连接(图 2)。云功能可以 宿主在设施内或设施外,允许制 造商按照最符合其需求的方式实 施 Big SCADA。 NIFE 100 提供用于联网、控制和可 管理性的丰富软件。这些软件允 许 NIFE 100 扮演多个角色 – 从数 据采集服务器到高层级工业控制 器。制造商可以连接使用不同协 议和跨越不同控制子系统的 PLC、 远程 I/O 及传统现场设备。制造 商还可以将现场数据发送至云 进行大数据分析和远程监控工厂 运营。 ሊ LAN, Wi-Fi*, 3G/LTE PROFNPERTOFIBUS DeviceNMeotdbus TCP 图 2. NIFE 100 将工厂系统连接到云。 EtherCAT QOSMOS EMBEDDED DPI and METADATA ENGINE for complete traffic visibility Data Plane Application Control Plane Control Plane / Mgt ixEngine DPI Engine Packets OS & Packet Processing (Linux / Intel® DPDK / WIND RIVER / 6WIND) Core 1 Core 2 Core 3 … Core n Core Instant visibility over 2,000+ protocols, 6,000+ application metadata Ready-to-use C libraries with continuously updated protocol signatures Optimized on multicore Intel® processor architecture Data Plane Development Kit (DPDK) and n X 10 Gbps throughputs Qosmos Inc. 440 N Wolfe Rd, Sunnyvale, CA 94085, USA Email: us-sales@qosmos.com www.qosmos.com intel.com/embedded-innovator | 嵌入式创新者 | 第 11 期 | 2015 | 17 工业自动化 连接工业物联网 要打造智能工厂,车间层的一切内容必须互连。考虑到传 统设备使用各种现场总线协议,工业物联网控制器需要同 时为下游和上游数据通信提供跨通信功能。 为聚合现场数据,NIFE 100 支持与一系列现场总线模块的 工业通信。这些模块包括 PROFINET、PROFIBUS、Ethernet/ IP、DeviceNet、EtherCAT、CANopen 和 Modbus。从云角度 来说,NIFE 100 提供现场设备的最后一英里连接,提供 LAN、Wi-Fi* 和 3G/4G 联网网关(图 3)。 为减少工厂占地尺寸和整体硬件成本,NIFE 100 融合物联 网网关的功能与信息物理系统 (CPS) – 即用于物理设备的计 算控制器的功能(图 4)。具体来说,NIFE 100 可以在多个 现场总线协议上控制多个系统,并提供 HMI 功能。 为促进跨多个控制器的编程,NIFE 100 用基于 IEC 61131-3 PLC 编程标准的 CODESYS SoftLogic 编程工具打造。 这样允许 NIFE 100 适应不同工厂设置。NIFE 100 提供物联 网控制器所需的互操作性,并为工业物联网提供稳定的基 础,无需成本高昂的革新即可将工厂转型为智能工厂。 在物联网方面,NIFE 100 实施 Intel 物联网网关架构。该架 构集成基于 Intel® 处理器的硬件,Wind River* Intelligent Device Platform (IDP) XT 和 McAfee* Embedded Control,提供全套联网、 嵌入式控制、集成安全和远程可管理性技术。这些预先集 成预先验证的硬件与软件构建块简化连接性,实现工厂与 云之间的无缝安全数据流。(和 NEXCOM 一样,McAfee 和 Wind River 是 Intel® 物联网解决方案联盟伙伴成员。) 实时性能与图形 实时能力对物联网控制器至关重要。控制算法经常需要在 数毫秒内作出复杂响应。这里 NIFE 100 从 Intel Atom 处理 器不断提高的计算能力获益。NIFE 100 提供单核、双核或 四核配置,可以控制大量现场设备,执行从逻辑控制到比 例-积分-微分 (PID) 控制的控制方案。 物联网控制器还需要提供 HMI 功能。车间层 HMI 站可以包 含大量图形、图像以及有时候的监控视频以提供工厂状态 的清晰表示。Intel® Atom™ 处理器 E3800 产品系列的图像处 理增强可以起到帮助。处理器的 Intel® HD Graphics 引擎提 供强大的 2D 和 3D 功能,支持 Microsoft DirectX 11、OpenGL 4.0 和 OpenGL 1.2 等应用程序编程接口 (API)。图形引擎还包 括用于平滑录制和播放的硬件编码和解码引擎。 NIFE 100 利用这些功能支持其集成 Object Linking and Embedding (OLE) 用于流程控制 (OPC) 软件。软件可以用于提供图形信 息,如工厂布局、逻辑方案、现象的变化轨迹以及实时高 分辨率监控视频。内置图形引擎还允许 NIFE 100 以 60 Hz 最 大分辨率 2560 x 1600 支持两个独立屏幕。 整合控制与 HMI 功能的能力可以减少设备占地尺寸和 整体成本。但是此类系统整合需要仔细考虑操作系 统 (OS) 支持。Intel Atom 处理器 E3800 产品系列中集成 的 Intel® Virtualization Technology (Intel® VT) 辅助系统整合, 允许 NIFE 100 同时运行两个操作系统 – 用于控制应用程 序的实时操作系统 (RTOS) 和用于 HMI 应用程序的普通 用途操作系统 (GPOS)。在 RTOS 端,平台支持 Wind River IDP XT 中包含的实时 Linux*。普通用途操作系统 (GPOS) 支持 包括多个版本的 Microsoft* Windows。 ၄‫ׇ‬ጺ၍ၹᅱ Wi-Fi*/ 3G ఇ੷ NIFE 100 图 3. NIFE 100 支持通过内置接口和模块化扩展进行现场总线通信。 18 | 2015 | 第 11 期 | 嵌入式创新者 | intel.com/embedded-innovator 需要指出的是,这些功能以低达 10 W 的热设计功率 (TDP) 和 -40 ºC - 110 ºC 的超大温度范围提供。该热配置实现 NIFE 100 的无风扇设计,支持恶劣环境的可靠性能。 简单安全的网络 简化工业物联网系统的管理与维护很重要,尤其是嵌套 数千工业设备的控制网络。NIFE 100 中使用的 Intel® Ethernet Controller I210-IT 提供虚拟 LAN (VLAN) 功能以确保网络服务质量 (QoS)。VLAN 功能通过分配带宽 和限制广播风暴来确保网络性 能。VLAN 可以根据协议与应 用将工业设备分组到不同子网 中,向与实时控制相关的数据 包分配高优先级。此外,VLAN ၄ํ๘হ ዆ሰ • SoftLogic ሏႜ้ • VC++ Պ‫ײ‬ ၄‫ׇ‬ጺ၍૴ྪ 功能还允许授权用户访问授权 子网,避免误更改和减少安全 风险。 ഴ෇๕ RTOS ੦዆ I/O ఇ੷ 远程管理 NIFE 100 配备 JMobile* 移动 HMI 应用程序。该应用程序提供 对工厂运营的远程实时监控。启动一个新制造流程仅需在 平板电脑或智能手机上点击几下。工厂操作员不再被约束 在工厂控制室的桌前,可以随时随地检查工厂,虚拟出现 在车间层(图 5)。 该应用程序与 NEXCOM Xcare 3.0 套件捆绑。该远程管理实用 ྪஏ-၄ํ Intel® ࿿૴ྪྪ࠲ ऺ໙੦዆ഗ ‫כ‬क़֫ HMI ྪஏ๘হ Internet ࿮၍ Wi-Fi*/3G/LTE/ઢც ‫ٷ‬ຕ਍ णዐഗ ᅎ‫ ۯ‬HMI Intel Atom 处理器 E3800 产品 系列在安全中也起到重要作 用。该处理器系列通过 Intel® Advanced Encryption Standard New Instructions (Intel® AES-NI) 提供快 速硬件辅助数据加密和解密, 支持 Secure Boot 仅允许设备上 运行受信任软件。它还支持纠 错码 (ECC) 以提高可靠性。 CPS 图 4. Կࢇဣཥ NIFE 100 ਸ‫ݣ‬ဣཥ NIFE 100 综合信息物理系统 (CPS) 与物联网 (IoT)。 ࿿૴ྪ NIFE 100 还从 Intel 物联网网关 的重要部分 McAfee Embedded Control 获益。此端点软件使 用白名单仅允许运行授权 软件,阻止恶意软件在 NIFE 100 上安装和执行。考虑到 NIFE 100 等物联网控制器是仅 执行有限应用程序集的专用 设备,白名单方法比传统防病 毒 (AV) 软件能够更有效抵御零 日攻击。此外,为协助法规合 规性,McAfee Embedded Control 仅允许预期和授权的基于策略 的更改。 JMobile & Xcare3.0 Ⴕె‫כ‬क़ ᆘॲጒༀॠֱ ဣཥ࣬ް ॰ಎ/๫ೕ/຋Ք ದዃ 图 5. NIFE 100 实现利用移动设备监控工厂。 NIFE 100 ߾‫׍‬ሏᆐ intel.com/embedded-innovator | 嵌入式创新者 | 第 11 期 | 2015 | 19 工业自动化 借助开放架构, NIFE 100 可以扮演多个角色 厂的应用程序支持的解决方案。配备跨通信功能、高性能 计算、远程可管理性和安全机制的 NIFE 100 证明了如何在传 统设备基础上打造智能工厂,避免成本高昂的工厂革新。 借助开放架构,NIFE 100 可以扮演多个角色 – 从数据采集服 务器到高层级物联网控制器 –将基于 Ethernet 的业务域与基 于现场总线的工厂域安全连接。使用 NIFE 100 后,工业公 司可以利用大数据分析开始转型其工厂。同样重要的是, 他们可以通过简化控制方案、简化控制网络架构和更少维 护工作立刻降低业务成本和改善运营。 工具集成软件应用程序和云服务器,支持远程硬件状态检 查、远程系统恢复、远程键盘/视频/鼠标 (KVM) 操作和远程 配置 NIFE 100。这些功能可以帮助制造商执行预防维护和 采取其他措施减少停机时间并提高效率。例如,远程硬件 状态检查为 IT 人员提供在代价昂贵的故障发生前发现潜在 问题的机会,而系统恢复和远程 KVM 功能实现立刻响应。 结语 作为 Intel L物aute联rba网ch-S网ilve关rmo,nt_N7xE4X,8C75OinM.pdfN1IFE24.1110.2001提4 0供9:55可:08实现智能工 有关 NEXCOM NIFE 100 的信息,请参见 intel.com/ SD- NEXCOM-NIFE100 有关连接、整合和优化工业自动化的更多信息, 请参见 intel.com/embedded-industrial 联系 Nexcom Intel® 物联网解决方案联盟伙伴成员 NEXCOM (intel.com/MR-nexcom) 主要关 注包括工业自动化、医疗、车载计算机、看板、监控、联 网和通信在内的垂直市场。NEXCOM 致力于通过中国、欧洲 和美国紧密的全球物流与服务网络实现完全客户满意度。 Full Support for Real-Time Instruction Tracing (RTIT) C M Y ► Extension of the debug and CM trace capability for the MY Intel® AtomTM Processor Z35xx CY CMY ► Full visibility into the K processor's instruction flow ► Instruction transfer collection, compression and off-/on-chip storage for post processing Intel® AtomTM Processor Z35xx www.lauterbach.com 20 | 2015 | 第 11 期 | 嵌入式创新者 | intel.com/embedded-innovator Intel and the Intel logo are trademarks of Intel Corporation in the U.S. and/or other countries.

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