首页 > 工业4.0

预见未来 | 众核(many-core) 控制技术来了!比多核IPC更厉害!

来源:控制工程网2020.08.25阅读 19699

  当众核(many-core)技术可用于工业机器时,工程师们就会有疑问。有些人还想知道“利用这些处理能力可以做些什么”。 其他人则会想知道什么时候需要众核处理。在基于PC的自动化软件中运行可编程逻辑控制器(PLC)程序的时代,只需要一个内核。即使运行HMI和其它程序,配置了双16核处理器的工业服务器,仍然显得有点大材小用。虽然这为未来可能的程序扩展预留了余量,但工程师不确定如何利用它们。
  自动化技术的不断进步,加上运营技术(OT)和信息技术(IT)的进一步融合,已经创造了更高效、可靠和复杂的机器。智能工厂和工业4.0概念所需的数据采集和响应能力也导致了重大变化。
  例如,过去使用少量PLC、步进电机和基本现场总线的系统,在机器人和机电线性运输系统、工业通讯、机器视觉系统、带语音指令的操作员界面、移动人机界面(HMI)和机器学习等方面,已获得重要进展。这些新技术领域的开发和应用将会继续填补空白,并证明集成众核控制技术的合理性。
  PLC和可编程自动化控制器(PAC)的发展,未能跟上庞大数据量涌入的步伐。由于系统协同工作所需的“同步交换”功能,多供应商的分布式控制体系结构并不总是有效的。先进的机器需要先进的控制。
  多年以来,基于PC的控制功能已经得到验证,但是通过引入众核CPU,可以使这些功能获得进一步的提升。多核工业PC(IPC)可以满足大多数机器的控制需求,但需求的快速增长和获得优势的机会,使我们有理由探索更多升级和未来机器设计的核心选择。

众核控制原理可以扩展到安装在DIN导轨上的机器控制器上,例如倍福对的CX2042嵌入式控制器。本文图片来源:倍福

  什么是众核IPC?
  众核(many-core)和多核(multi-core)控制之间的关键区别与其说是处理器核心的数量,不如说是实际的处理器结构。众核以高性能计算原理为基础,使用了针对更大并行性和吞吐量进行优化的嵌入式处理器。大规模并行数据流处理意味着由于任务的空间布局,可以降低同时完成任务的功耗。众核还能通过增强的线程同步,来解决大多数低端CPU中出现的数据瓶颈问题。
  在大多数应用中,与适用于标准机器控制逻辑和先进功能的自动化软件配合使用时,多核技术可以轻松地完成许多复杂的任务。经过精心设计的众核CPU,可以将此功能扩展,为应用程带来同等程度的可扩展性和灵活性。因此,众核控制原理可以轻松地扩展到一系列设备,从DIN导轨安装的、具有4核处理器的嵌入式计算机,到具有双20核英特尔Xeon板及其它版本的工业服务器。无论规模大小,该技术的一个关键优势在于使用基于PC的自动化软件进行核心隔离。

倍福C6670工业控制柜工业服务器具有多达20个内核的英特尔至强CPU选项,利用内核隔离功能在TwinCAT 3自动化软件中同时运行一系列过程和程序。

  先进控制需要多少内核?
  具有核心隔离功能的IPC软件,使工程师可以将特定的任务分配给软件中的各个内核或群集。处理器存储可以将任务数据缓存在特定位置,从而可以缩短处理时间,提高性能。要求苛刻的程序(例如集成了机器学习或使用MathWorks的Matlab / Simulink进行实时仿真的程序)可以占用毗邻的多个内核,并且可以同时运行多个相似任务。
  对于先进的运动控制体系架构而言,例如机电线性运输系统和带有悬浮动子的电机系统,它们确实需要使用专用的神经网络。复杂的分析和示波器软件可能需要多个内核,尤其是在通过千兆以太网以10 Gbit/s的通信速度传输的数据的情况下,更是如此。
  IPC的选择还取决于支持的任务和系统的数量,以及可用的内核,而不是最高的时钟速度。耐用性和耐久性也是生产环境的关注点。因此,重要的是选择能够提供坚固、可扩展产品的供应商。
  在低端众核控制器上,一些供应商以标准的DIN导轨安装形式,提供基于计算机的控制器。一些嵌入式计算机可提供4至12个2.2 GHz处理器,8至64 GB 的DDR4 RAM,工作温度范围为-25至500℃。在高端范围,一些工业服务器具有双处理器,提供6至20个内核,时钟速率则依据内核数量的不同而变化。它们可以提供从240 GB SSD到4 TB的硬盘驱动器容量,1024 GB的DDR4 RAM以及0至50℃的工作温度范围。可扩展性非常重要;并非每个应用程序都需要40个内核的处理能力,但是某些应用程序可能需要4个以上的内核。
  众核IPC可以实现集中式控制系统的优势。众核机器控制器通过合并所有任务,创建多任务设备,同时限制硬件、最小化占用空间并提高整体性能,这是对以前系统的重大改进,以前的系统将过程划分为各种PLC、运动控制器和网络计算机,而这会导致通信延迟。
  尽管IPC也可以连接到云,但它们的存储容量和在设备上运行众多程序的能力使控制器更加自给自足,这使许多行业的制造商和原始设备制造商(OEM)受益匪浅。某些OEM厂商可能会选择通过在众核设备上运行其专有软件来开发知识产权,以处理高级机器学习和人工智能。如果他们的机器处理挥发性化合物,制造商也可能会害怕使用云。即使没有网络连接,工程师也可以使用更高效的平台来实施工业4.0和智能工厂概念。

在生产线上运行多个机器和程序的集中式控制系统,为制造商和OEM厂商创造了巨大价值。

  控制器软件对整体性能提升和功能具有至关重要的影响。由于基于PC的控制器会随着时间的推移而不断发展和扩展,使用多核和众核架构,OEM和制造商可能会面临许多新挑战。应该测试和证明先进的软件可以应对这些挑战。
  现代机器体系结构要求的处理能力已使一些供应商措手不及,即使许多先进的机器和系统已显示出了众核技术的价值。(作者:Eric Reiner)  

继续阅读