基于开放架构的高性能工业智能计算机.pdf

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1、基于开放架构的工业智能计算机中国科学院计算技术研究所韩银河2024.11改变IEC金字塔计算体系的新方法 8PLC、工控机、伺服驱动器、DCS、SCADA、工业网关、边缘服务器七类基础设施突破千亿市场2021年国务院“十四五”智能制造发展规划数据来源：IDC、头豹研究院、国信证券经济研究院、IHS、前瞻产业研究院、智研咨询、工信部、赛迪顾问计算8882020年国资委关于加快推进国有企业数字化转型工作的通知 2021年工信部“十四五”软件和信息技术服务业发展规划2020年工业互联网联盟工业智能白皮书先进制造、智慧工厂、新能源等方向是智能化需求最突出的领域制造全生命周期的智能化需求（图来自赛迪调研

2、报告）全球智能工厂市场规模-国际市场研究机构Markets and Markets报告（2021）智能化浪潮当前IEC62264金字塔架构是五层结构，边缘端属于生产控制层（L0-L2），云端属于管理经营层（L3-L4）伺服驱动器PLC绗架减速机变频器伺服电机PLCPLC绗架减速机变频器伺服电机DCS工控机ModbusModbus边缘服务器SCADA服务器工业互联网工业网关MES机械臂机械臂机械臂工业计算现状：m/mssecondsminuteshoursdaysL0：设备传感层L1：生产控制层L2：子系统监控层L3：生产管理层L4：企业经营层ERPMESSCADADCSPLCIO生产控制层的P

3、LC、DCS、工控机等本质是运行单一控制程序的计算机，体系结构十分离散单片机振动变送器伺服电机变频器伺服电机变频器有毒气体计测量仪表阀门气动控制功率变送器控制机柜传统PLCPLCPLCPLCDCSDCSDCSDCSPLC服务器卡箱机技术挑战1：传统PLC现场设备控制处理器:单片机主频：10KHz至4MHzOS：嵌入式实时多个PLC控制处理器:多核多线程CPU主频：2GHzOS：VxWorks 或Windows传统工控机仪器仪表监控制处理器:X86系列等主频：10MHz至40MHzOS：VxWorks传统DCS多个DCS控制处理器:X86系列等主频：2GHzOS：Windows传统SCADA直接

4、操控直接操控直接操控OODASamples/second低TOPS低无决策Cycles/second低硬件软件传统工业基础设施无法预装决策软件无高级语言编程难不支持AI芯片不支持GPU技术挑战2：目前的PLC体系，硬件上算力不足，软件上不支持当前通用的智能计算框架存储低无处理固件无法在线升级协议对接复杂智能会干扰实时性Linux preempt_rtWindows kithara realtime中等算力芯片+桌面操作系统+操作系统实时补丁+硬运动控制卡扩展低算力芯片+嵌入式操作系统技术挑战3：相比于个人电脑行业，工业计算架构开放性不足，欠缺事实标准，兼容性的不足，使得无法适应快速发展新应用需

5、求，也无法支撑工业软件的快速迭代IO功能机智能机虚拟化1IDE工业现状“开放型架构”技术体系IDEDCS物理总线IDESCADA物理总线IDEPLC物理总线IDEIPC物理总线IOIO工业软件工业软件工业软件工业软件智能算法库虚拟化2虚拟化3虚拟化nIOIOIO工智机智能模块我们的思路：基于开放架构的工业智能计算机：将控制面与硬件面解耦，把和物理世界交互的模拟控制设备分离出来，通过软件技术实现PLC、DCS、运控、CNC数控，并融合视觉、APP、仿真、数据库、互联网通信等非实时应用工业软件工业软件工业软件工业软件88泵机电机风机减速机智能设备功率变送器智能传感器工业摄像头压缩机vPLCvPLC

6、vCNCvMotorvAI生产控制层L1-L3现场层L0工业互联网L4PLCDCS工控机SCADA工业网关边缘服务器工业软件工业软件工业软件操作系统非实时域共享内存与资源隔离人工智能SCADA 实时通讯运动控制软件定义PLC软件定义DCS信息通道输出结果请求调用IEC标准封装操作系统实时域虚拟化容器1虚拟化容器0内核、芯片、工业总线伺服驱动器开放架构的工智机实现控制程序和计算程序，将替代PLC、工控机、DCS、SCADA、工业网关、边缘服务器等“工业电脑”，将多个devices变成一个device,改变IEC金字塔架构多轴电机同步控制、机械臂、磁悬浮流水线等场景3C电子视觉质检、智慧工厂、新能