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★英特爾亞太研發(fā)有限公司 胡巍

1  引言：實時計算對工業(yè)控制的重要性

在現(xiàn)代工業(yè)領域，無論離散制造業(yè)還是流程行業(yè)，若要生產(chǎn)設備和過程能安全且高效運轉(zhuǎn)，從而制造出質(zhì)量合格且有經(jīng)濟效益的產(chǎn)品，均離不開自動控制技術的支撐和驅(qū)動。工業(yè)控制系統(tǒng)需與真實世界的生產(chǎn)過程和裝置，進行數(shù)據(jù)通信和能量傳遞，才能完成自動化任務。

生產(chǎn)過程中的物理或化學變化，總是需要時間的，即無論變化過程有多快，從開始到結束總有延遲。在常規(guī)觀測條件下的真實時間是均勻流逝且不能被操控的。工業(yè)自動化系統(tǒng)為實現(xiàn)自動化而執(zhí)行的各種功能任務，如測量輸入、控制輸出和控制計算等，也需要在預定的某個時刻開始，并在預期的某段時間內(nèi)完成。控制器的各類操作，即使計算數(shù)值正確，若不能及時響應被控對象或被控過程的需要，那么也會導致錯誤而無法完成任務。

作為系統(tǒng)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(zhí)行存儲程序的方式來實現(xiàn)控制算法邏輯。當一個計算任務，不但要求計算結果正確，而且也要求滿足時間上確定的指標時，則可稱其具備了“實時性”的特征；所以，工業(yè)控制器必須具備實時計算的能力，才可對生產(chǎn)過程實施自動化控制。

2  實時控制的概念：基于實時計算的工業(yè)控制技術

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

工業(yè)實時控制，泛指以工業(yè)控制器為核心裝置來實現(xiàn)工業(yè)自動化任務的相關技術統(tǒng)稱。可根據(jù)控制器產(chǎn)品特征和應用領域細分如下：可編程邏輯控制器（PLC），廣泛用于單臺機電設備和自動化生產(chǎn)線，也可用于過程控制節(jié)點；數(shù)控系統(tǒng)（CNC），主要是完成機加工等相關的控制任務；此外，還有工業(yè)機器人的專用控制器，以及過程控制領域常見的分布式控制系統(tǒng)（DCS）。當前主流的控制器，均可視為有與現(xiàn)場設備進行通信能力的計算機，以離散方式進行工作，即時間上以時鐘節(jié)拍信號來指揮和協(xié)調(diào)各器件運作，數(shù)值上對連續(xù)的物理量進行量化編碼式處理。在工業(yè)自動化場景下，通常需要在等間隔的時刻與外部交互，即接收測量數(shù)據(jù)和下發(fā)控制命令；而這個間隔被稱為“控制周期”，簡記為周期（cycle）；所以要求控制器在一個周期內(nèi)，完成測量接收、控制計算和指令下發(fā)，以及其它相關事件響應等一系列操作；后續(xù)各個周期也依此循環(huán)往復。工業(yè)控制不同應用場景的任務需求各異，那其所需的實時性能要求也就不盡相同，即周期和響應時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控制任務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：專用計算機型（嵌入式）和通用計算機型（PC-based）等兩大類控制器。其中，嵌入式（embedded）系統(tǒng)，一般指計算機的硬件實體裝在被控設備機柜內(nèi)；其特點是體積小、結構簡單、可靠性高、功能專用、擴展性和靈活性低、性能夠用即可、價格相對便宜。嵌入式計算機，可用于實現(xiàn)工業(yè)實時控制，但并非所有的嵌入式系統(tǒng)應用都要求具備明確的實時性特征。隨著實際生產(chǎn)中，如機器視覺、大數(shù)據(jù)、人工智能和預測性維護等各種新技術和多樣性新需求的出現(xiàn)，通用型計算機，以其靈活性和易于實現(xiàn)負載整合的特點，越來越多地應用在工業(yè)控制領域，形成通用控制器類產(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發(fā)相應的功能；如：軟PLC技術，不斷擴大其在產(chǎn)線自動化領域的應用范圍。而大多主流的數(shù)控機床和工業(yè)機器人系統(tǒng)，也基本都采用了以英特爾X86架構的計算機，作為其專用控制器。現(xiàn)可將“嵌入式系統(tǒng)”概念擴展，理解為這樣一類廣義計算機裝置：其本身會從屬于某個設備或系統(tǒng)，作為該系統(tǒng)的一個核心組件，其軟件也是專用于此設備或系統(tǒng)功能的實現(xiàn)，如監(jiān)測、操控，以及數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)取＿@里“專用”的含義，已從在定制型計算機上實現(xiàn)的功能，擴展為可在通用硬件平臺上實現(xiàn)的面向某類應用場景的功能。

3  實時操作系統(tǒng)：基于通用架構的開源方案

應用程序，是可以在沒有操作系統(tǒng)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。隨著計算機硬件的持續(xù)進步——特別是微處理器（CPU）的迅猛發(fā)展，計算任務管理復雜度不斷提高，而編寫高效和可靠的多任務并發(fā)的裸機程序，也變得越來越困難；操作系統(tǒng)類軟件因此應需而生，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問硬件受控的接口，從而對任務執(zhí)行和并發(fā)進行高效而安全地管理。一般而言，操作系統(tǒng)的引入，為應用開發(fā)帶來如下優(yōu)點：

（1）應用編程，更聚焦和友好：單個任務，只需聚焦于自身算法邏輯的實現(xiàn)，支撐性和維護性工作均借助于操作系統(tǒng)來完成；因此，對于各專業(yè)領域人員而言，編程開發(fā)體驗更高效和友好。

（2）多任務和多用戶：在一臺計算機上，通過操作系統(tǒng)的隔離機制，多個任務可安全、獨立且并發(fā)地執(zhí)行；利用通信基礎設施，可更好地實現(xiàn)任務間的同步和協(xié)調(diào)，從而有利于解決更復雜的問題。

（3）提升硬件利用率：操作系統(tǒng)會調(diào)度各種工作負載，在“性能過剩”的硬件上以提高利用率和兼顧高效執(zhí)行為目標，完成各種任務；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(tǒng)的整體任務吞吐量（throughput）。

（4）軟件生態(tài)基礎：統(tǒng)一而規(guī)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；會方便終端用戶在同一平臺上，累積和復用各種軟件的使用習慣和經(jīng)驗；從而產(chǎn)生一個良性發(fā)展的、合作共贏的軟件應用的市場環(huán)境。

實時操作系統(tǒng)（RTOS），首先是作為操作系統(tǒng)而存在，然后才是滿足實時性保障特征，其應具備一般操作系統(tǒng)基本功能和由此帶給應用程序開發(fā)的便捷和優(yōu)勢，然后才是保證滿足實時要求的措施，必須優(yōu)于裸機實時編程方式，提供更加可靠的實時性和穩(wěn)定性保障。通常一個實時操作系統(tǒng)，應具備基于優(yōu)先級的任務調(diào)度，支持搶占的內(nèi)核和高精度時鐘等模塊，和針對中斷處理、優(yōu)先級反轉(zhuǎn)等延時問題的解決方案等基礎措施，來支持和保障計算任務的實時性特征。按設計方式，可分為專用和基于通用改造的實時操作系統(tǒng)；前者包含如商用VxWorks和開源的FreeRTOS等，后者包含基于Linux的Preempt_RT實時補丁方案、雙操作系統(tǒng)內(nèi)核架構的Xenomai方案等。

此外，還有基于虛擬化技術的實時解決方案，如ACRN、RTS Hypervisor和KVM等，其引入的虛擬機監(jiān)控管理計算資源，實現(xiàn)了類操作系統(tǒng)的硬件管理和隔離等功能。工業(yè)控制參考實例，如在同一臺IPC上運行多個虛擬機，可在其Windows虛擬機中運行常用的用戶界面程序和數(shù)據(jù)處理、仿真程序，而在實時虛擬機（如基于Linux實時操作系統(tǒng)）運行實時控制類計算負載等關鍵任務程序。

相較而言，開源的方案，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支持保障，并且便于某些領域的安全認證和規(guī)范要求，但授權費用一般較高。而通用操作系統(tǒng)對比專用操作系統(tǒng)，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，且可通過配置和調(diào)試，對特定計算任務進行優(yōu)化。基于通用架構和系統(tǒng)的開源實時解決方案，在高效地應對復雜性的同時，還提供確定性、可靠性和靈活性的計算能力；且經(jīng)長期的發(fā)展和累積，其上的軟、硬件生態(tài)豐富，為滿足多樣化負載整合的需求，提供了便利。但在具體實踐中也要面對如下復雜性：

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

（2）軟件系統(tǒng)復雜：獲取到開源代碼，遠不是對平臺系統(tǒng)完全掌控，代碼龐雜，需要理清依賴關系。

（3）調(diào)優(yōu)過程復雜：缺少系統(tǒng)性的指導和解釋，并且開源社區(qū)對新問題的響應也無法保證及時。

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

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——簡稱ECI，是以面向工業(yè)自動化領域應用和軟硬一體化實現(xiàn)的這兩個目標為自身定位；基于“通用開放架構”和“軟件定義”的兩個基本設計理念進行開發(fā)，突出軟硬協(xié)同優(yōu)化的特征；包含“一硬一軟”兩個基礎構件，用以實現(xiàn)各種邊緣控制任務的整合應用：

（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(zhí)行載體。

（2）軟：具備實時性保障的通用操作系統(tǒng)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(tǒng)的開源實時解決方案：內(nèi)核實時補丁Preempt_RT方案和雙內(nèi)核Xenomai方案；并且基于計算硬件特性，針對其對實時任務可能影響，提供了推薦配置和調(diào)優(yōu)方法。如：通過主板固件（UEFI/BIOS）選項和內(nèi)核啟動參數(shù)等手段，來配置與運算速率相關的時鐘頻率、功耗和溫控等管理功能，以減少CPU頻率波動對實時應用的影響；共享緩存（LLC）的隔離和分配技術，以降低共享資源爭搶式訪問對實時應用造成的干擾；此外，在某些處理器上還集成了專門為實時任務設計的Intel TCC技術、相關軟件工具及配置方法等。

Preempt_RT Linux內(nèi)核模型如圖2所示，Xenomai雙內(nèi)核模型如圖3所示。

圖2 Preempt_RTLinux內(nèi)核模型^[3]

圖3 Xenomai雙內(nèi)核模型^[3]

英特爾ECI平臺，不但包含了底層操作系統(tǒng)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——CoDeSysruntime；現(xiàn)場通信所需的工業(yè)實時以太網(wǎng)方案——EtherCAT和TSN等；以及包含了實時任務優(yōu)先級調(diào)度和內(nèi)存頁鎖定等方法；并且在推薦的IPC硬件平臺上，進行系統(tǒng)的實時性能測試，可供最終用戶硬件平臺選型參考。因為采用了軟硬件一體的設計和調(diào)優(yōu)方式，可提供高效而可靠的實時性能；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的開發(fā)和調(diào)試周期，降低開發(fā)、維護和擴展升級成本，更好地滿足現(xiàn)有工業(yè)開放和通用的要求。

需要注意的是，工業(yè)實時應用的成功落地是一個需要軟件和硬件一體化且高度協(xié)同調(diào)優(yōu)的過程，特別需要針對具體的場景和應用實例進行長時間且充分的驗證和性能測試。為此，ECI還針對不同應用場景，比如：離散制造涉及的PLC控制、伺服電機的運動控制、機器人（機械臂和移動小車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平臺上進行了相關的功能和實時性能測試，并且提供了相關文檔說明，以及結果評價和參考建議。由此，為工業(yè)領域的客戶利用ECI平臺進行產(chǎn)品設計和驗證測試，提供參考依據(jù)和可行性方案。

5 結論與建議

一個可以落地的實時控制解決方案，在需求、設計、實現(xiàn)和調(diào)優(yōu)的產(chǎn)品全生命過程中，需要注意以下三方面的影響：

（1）現(xiàn)場設備的實時通信方案

工業(yè)控制中的實時應用程度的性能受到外部現(xiàn)場設備的約束，要進行等時間隔I/O通信，如工業(yè)以太網(wǎng)方案中對網(wǎng)卡的訪問。進行工業(yè)控制實時任務設計和驗證時，不但要考慮占用CPU資源的計算密集型負載和也要關注對網(wǎng)卡等的IO密集型負載消耗的時間，對IPC上運行的實時任務，通過底層RTOS提供的機制和硬件調(diào)優(yōu)的保障，可以讓實時任務按規(guī)律的時間周期穩(wěn)定地喚醒和睡眠具體的實時線程。

（2）控制器IPC的硬件選型與調(diào)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，所以還要考慮實時多線程和共享資源隔離分配等方式，以提升整體并行計算能力，實現(xiàn)多任務的實時性調(diào)度。一個實時控制軟件，其各項功能和任務，要針對具體的目標硬件平臺（IPC）和應用場景，進行充分的測試和驗證，才能進行應用。在通用計算機硬件平臺，實時控制應用開發(fā)者，應該對計算機硬件平臺有足夠深度的了解，掌握CPU時鐘工作頻率、定時器的影響，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(tǒng)固件和操作系統(tǒng)中的配置和調(diào)試方法。

（3）參考資源

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

作者簡介:

胡巍（1982-），男，黑龍江齊齊哈爾人，碩士，現(xiàn)就職于英特爾亞太研發(fā)有限公司，研究方向為工業(yè)自動化技術與邊緣控制。

參考文獻：

[1] Linux基金會. 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《自動化博覽》2022年11月刊