藍圖:工業物聯網分析架構的層次

September 23, 2019 Brandon Lewis

物聯網,物聯網,人工智能,邊緣計算,虛擬化

ITU 將「觸覺網際網路」定義為一個以極低延遲提供高可用性、可靠性和安全性的網路。現代的網路工程師認為 5G 通訊可實現這些特性。但多年來,營運技術人員其實早已利用各種工業乙太網路來部署觸覺網際網路。

跟以往不同的是,連線的工業裝置現在必須與企業應用程式直接互動。想要更深入瞭解廠區運作狀況的企業,甚至開始將一部分應用程式直接部署於工業裝置本身。

無論此類軟體僅包含分析引擎還是完整的 AI 演算法,若未經正確設計,則可能迅速危害即時性設備的完整性。

現今的工業工程師需要一份藍圖來將 IT 和 OT 技術整合於單一機器。這些系統必須整合 IT 網路連線與處理的能力,同時仍保有確定性、安全性和可靠性。

所幸,可作為此類系統架構框架的概念性驗證 (PoC) 系統設計已逐漸能公開取得。同時這些設計也以工作負載整合與乙太網路時效性網路(乙太網路 TSN)的原則為基礎。

工業乙太網路升級

工業工程師傳統上會使用 EtherCAT、PROFINET 和 POWERLINK 等通訊協定來建立 IP 網路的確定版本。這些以乙太網路為基礎的技術將 IP 封包傳送到網路控制層的裝置,例如可程式化邏輯控制器 (PLC)。超出此範圍就必須採用傳統的現場匯流排通訊協定。

現在,TSN 可將乙太網路封包延伸至子系統,如 I/O 模組、感應器以及亞毫秒級延遲的致動器(圖 1)。

TSN 將乙太網路封包傳送至工業感應器和致動器:邊緣運算
圖 1。時效性網路 (TSN) 將乙太網路封包傳送至工業感應器和致動器。(資料來源:Control Engineering

乙太網路 TSN 與工作負載整合

乙太網路 TSN 是以 IEEE 1588 精確時間協定 (PTP) 標準為基礎,其時間戳記封包是以網路端點的裝置時鐘為準。一個集中式主源將做為參照點,以保持網路同步。

PTP 網路能夠達到亞毫秒級的延遲。但是同樣重要的是,PTP 封包可以用 IP 封裝。因此,營運裝置基本上可以成為企業網路的一部分。如需 TSN 的詳細資訊,請參閱「時效性網路:炒作 vs. 現實」。

在此同時,工業裝置也開始需要整合即時邊緣分析等企業功能。

傳統上用於執行固定功能的工業邊緣系統現在改用多核心處理器為主的設計,稱作為「工作負載整合」。虛擬化技術讓個別核心執行資料分析等程序,保留其他核心以用於資料擷取或控制工作。

當企業組織可輕易取得更強大、更有彈性的系統,就能降低成本,減少故障點,甚至使用企業軟體升級來延長部署生命週期。(若要進一步瞭解,請參閱「嵌入式虛擬化帶動混合關鍵性的物聯網系統」)。

工作負載整合與 TSN 的結合,可解放多層式即時資料分析架構的真正潛力。當網路各層均有了確定性、低延遲的企業通訊和多功能運算平台,工廠營運人員就能部署 AI 來監督各個網域和子網域(圖 2)。

乙太網路 TSN 和工作負載整合可實現精密的階層式資料分析
圖 2。乙太網路 TSN 和工作負載整合可實現精密的階層式資料分析。(資料來源:RTInsights

各階層的 AI 和分析引擎會根據所需的回應時間和可用的運算資源來進行決策。但是端對端資訊和決策階層結構是透過單一整合式的時效性通訊協定來連線。此類架構促成技術重複使用、網路設備與服務互通性以及通用的資料交換格式。

實現階層式工業資料分析架構

您可以從 congatecReal-Time Systems 的即時工業控制伺服器 PoC 中找到這個架構的縮影(圖 3)。PoC 的概念是建立在:

  • 採用六核心 Intel® Xeon® 處理器的 35W conga-TS370 Type 6 COM Express 模組
  • 一張以 Intel® Arria® 10 為基礎的 PCIe FPGA 卡
  • Basler 機器視覺攝影機
  • RTS Hypervisor 系統
congatec 與 Real-Time Systems PoC 的 AI 視覺、馬達控制、物聯網連線
圖 3:congatec 與 Real-Time Systems 的 PoC 將非確定性的 AI 視覺、馬達控制以及物聯網連線工作負載均整合於相同的硬體平台。(資料來源:congatec

為示範工作負載整合,RTS Hypervisor 將 Xeon 處理器核心分割給多個虛擬機器。

第一個虛擬機器佔用三個核心,並且執行 Linux 作業系統。作業系統支援 300 fps Basler 工業攝影機和 Arria 10 FPGA 卡。FPGA 卡上執行使用 Intel® OpenVINO 工具組開發的 AI 演算法,以進行裝置上的物件偵測和辨識。

另外兩個虛擬機器則代管即時 Linux 作業系統。這些控制伺服馬達可保持倒單擺直立。最後一個虛擬機器則執行第三種作業系統,處理企業安全性與傳回雲端的通訊。

這些應用程式全數均在相同的硬體平台上同時執行。但是透過 Hypervisor,即可將非即時 VM 重新開機而不中斷即時的分割區。這表示可在控制工作持續執行的同時進行軟體更新。而安全弱點也可隔離在企業虛擬機器中,不會影響嵌入式系統。

如需系統的現場示範,請參閱(影片 1)。

 

影片 1.於 Embedded World 2019 展出的概念性驗證

 

conga-TS370 的另一項重要特色即是內建了 Intel® i219-LM GbE 區域網路控制器。此獨立網路晶片原生支援 IEEE 1588 PTP。

在 congatec/Real-Time Systems PoC 等平台中,i219 會決定 PTP 封包的來源和目的地,並使用整合式計時器進行同步處理。控制器會配合作業系統,在 TSN 流量專屬的傳輸期間排程封包。

Linux 核心版本 4.20 可支援時間感知優先排程器 (Time-Aware Priority Scheduler,TAPRIO) 及最早傳輸時間優先 (Earliest Transmit Time First,ETF)。這些模組讓開發人員得以將系統設定為乙太網路 TSN 封包獲得優先處理,不論封包在傳輸佇列中的位置。

RTS Hypervisor 也提供特殊權限模式,允許客體作業系統在短短幾毫秒內存取系統網路資源。來自客體虛擬機器的 TSN 封包因此可獲得相同的低延遲優先排程。

工業物聯網分析接受各項標準

PoC 最令人矚目的特色,在於其所有核心功能均以開放原始碼技術和業界標準為基礎。Linux 和 OpenVINO 是開放原始碼軟體技術。IEEE 1588 PTP 和乙太網路 TSN 傘下的標準均屬業界主導的成果,能降低成本、維持高互通性並保障使用壽命。

COM Express 是目前最熱門的嵌入式硬體規格之一,支援伺服器模組、閘道控制器及感應器處理使用案例。它為新的階層式工業資料分析架構提供穩定、經濟實惠的長期部署平台。

您會如何運用更高智慧的處理功能?

作者簡介

Brandon Lewis

Brandon is responsible for Embedded Computing Design’s IoT Design, Automotive Embedded Systems, Security by Design, and Industrial Embedded Systems brands, where he drives content strategy, positioning, and community engagement. He is also Embedded Computing Design’s IoT Insider columnist, and enjoys covering topics that range from development kits and tools to cyber security and technology business models. Brandon received a BA in English Literature from Arizona State University, where he graduated cum laude.

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