1 引言：實(shí)時(shí)計(jì)算對(duì)工業(yè)控制的重要性

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

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

作為系統(tǒng)核心的工業(yè)控制器，一般都采用基于計(jì)算機(jī)的架構(gòu)，即以執(zhí)行存儲(chǔ)程序的方式來實(shí)現(xiàn)控制算法邏輯。當(dāng)一個(gè)計(jì)算任務(wù)，不但要求計(jì)算結(jié)果正確，而且也要求滿足時(shí)間上確定的指標(biāo)時(shí)，則可稱其具備了“實(shí)時(shí)性”的特征；所以，工業(yè)控制器必須具備實(shí)時(shí)計(jì)算的能力，才可對(duì)生產(chǎn)過程實(shí)施自動(dòng)化控制。

2 實(shí)時(shí)控制的概念：基于實(shí)時(shí)計(jì)算的工業(yè)控制技術(shù)

實(shí)時(shí)計(jì)算的概念，定義了計(jì)算任務(wù)的成功取決于兩個(gè)必要條件：計(jì)算結(jié)果的正確性、完成時(shí)間上的確定性，即按實(shí)際任務(wù)的需求在指定的時(shí)間要求下提供正確的結(jié)果。當(dāng)然，計(jì)算機(jī)任務(wù)處理速度快，是完成實(shí)時(shí)計(jì)算任務(wù)的一個(gè)重要前提，有利于設(shè)計(jì)時(shí)留有充分的余量；但單純的“快”不足以描述實(shí)時(shí)，真正的實(shí)時(shí)是要“疾如所指”（as fast as specified），這也是對(duì)“如何正確理解實(shí)時(shí)性特征”的一個(gè)精煉表述。

按實(shí)時(shí)計(jì)算所涉及的領(lǐng)域，大體上可分為兩類：信息技術(shù)（IT）領(lǐng)域，以計(jì)算機(jī)的信息和數(shù)據(jù)處理為主，如：分布式科學(xué)計(jì)算、金融交易系統(tǒng)等；工業(yè)自動(dòng)化（OT）領(lǐng)域，涉及到真實(shí)物理設(shè)備和工業(yè)流程，如：工業(yè)控制、自動(dòng)駕駛、遠(yuǎn)程醫(yī)療、電網(wǎng)負(fù)載均衡調(diào)度等。其中，對(duì)完成某個(gè)實(shí)時(shí)任務(wù)所涉及的軟、硬件的全體，可統(tǒng)稱為實(shí)時(shí)系統(tǒng)；如離散制造中的多軸聯(lián)合電機(jī)調(diào)速任務(wù)，為實(shí)現(xiàn)此實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制任務(wù)，通常需要由控制器、伺服驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和機(jī)械負(fù)載、傳感器等量裝置及其它附屬部件等組件一起構(gòu)成了實(shí)時(shí)系統(tǒng)；其中控制器和伺服驅(qū)動(dòng)器，本質(zhì)都是計(jì)算機(jī)，即依靠軟件與硬件協(xié)同來完成與實(shí)時(shí)控制相關(guān)的功能。

工業(yè)實(shí)時(shí)控制，泛指以工業(yè)控制器為核心裝置來實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動(dòng)化任務(wù)的相關(guān)技術(shù)統(tǒng)稱。可根據(jù)控制器產(chǎn)品特征和應(yīng)用領(lǐng)域細(xì)分如下：可編程邏輯控制器（PLC），廣泛用于單臺(tái)機(jī)電設(shè)備和自動(dòng)化生產(chǎn)線，也可用于過程控制節(jié)點(diǎn)；數(shù)控系統(tǒng)（CNC），主要是完成機(jī)加工等相關(guān)的控制任務(wù)；此外，還有工業(yè)機(jī)器人的專用控制器，以及過程控制領(lǐng)域常見的分布式控制系統(tǒng)（DCS）。當(dāng)前主流的控制器，均可視為有與現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行通信能力的計(jì)算機(jī)，以離散方式進(jìn)行工作，即時(shí)間上以時(shí)鐘節(jié)拍信號(hào)來指揮和協(xié)調(diào)各器件運(yùn)作，數(shù)值上對(duì)連續(xù)的物理量進(jìn)行量化編碼式處理。

在工業(yè)自動(dòng)化場景下，通常需要在等間隔的時(shí)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(gè)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(gè)周期內(nèi)，完成測量接收、控制計(jì)算和指令下發(fā)，以及其它相關(guān)事件響應(yīng)等一系列操作；后續(xù)各個(gè)周期也依此循環(huán)往復(fù)。工業(yè)控制不同應(yīng)用場景的任務(wù)需求各異，那其所需的實(shí)時(shí)性能要求也就不盡相同，即周期和響應(yīng)時(shí)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(yùn)動(dòng)控制任務(wù)一般要達(dá)到毫秒級(jí)的控制周期或響應(yīng)能力。

工業(yè)控制器按架構(gòu)可分為：專用計(jì)算機(jī)型（嵌入式）和通用計(jì)算機(jī)型（PC-based）等兩大類控制器。其中，嵌入式（embedded）系統(tǒng)，一般指計(jì)算機(jī)的硬件實(shí)體裝在被控設(shè)備機(jī)柜內(nèi)；其特點(diǎn)是體積小、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、功能專用、擴(kuò)展性和靈活性低、性能夠用即可、價(jià)格相對(duì)便宜。嵌入式計(jì)算機(jī)，可用于實(shí)現(xiàn)工業(yè)實(shí)時(shí)控制，但并非所有的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用都要求具備明確的實(shí)時(shí)性特征。隨著實(shí)際生產(chǎn)中，如機(jī)器視覺、大數(shù)據(jù)、人工智能和預(yù)測性維護(hù)等各種新技術(shù)和多樣性新需求的出現(xiàn)，通用型計(jì)算機(jī)，以其靈活性和易于實(shí)現(xiàn)負(fù)載整合的特點(diǎn)，越來越多地應(yīng)用在工業(yè)控制領(lǐng)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(tái)和通用軟件基礎(chǔ)設(shè)施上定義和開發(fā)相應(yīng)的功能；如：軟PLC技術(shù)，不斷擴(kuò)大其在產(chǎn)線自動(dòng)化領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。而大多主流的數(shù)控機(jī)床和工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)，也基本都采用了以英特爾X86架構(gòu)的計(jì)算機(jī)，作為其專用控制器。現(xiàn)可將“嵌入式系統(tǒng)”概念擴(kuò)展，理解為這樣一類廣義計(jì)算機(jī)裝置：其本身會(huì)從屬于某個(gè)設(shè)備或系統(tǒng)，作為該系統(tǒng)的一個(gè)核心組件，其軟件也是專用于此設(shè)備或系統(tǒng)功能的實(shí)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(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)的功能，擴(kuò)展為可在通用硬件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)的面向某類應(yīng)用場景的功能。

3 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)：基于通用架構(gòu)的開源方案

應(yīng)用程序，是可以在沒有操作系統(tǒng)的情況下，直接運(yùn)行在計(jì)算機(jī)硬件上的，即所謂的“裸機(jī)”（baremetal）方式。隨著計(jì)算機(jī)硬件的持續(xù)進(jìn)步——特別是微處理器（CPU）的迅猛發(fā)展，計(jì)算任務(wù)管理復(fù)雜度不斷提高，而編寫高效和可靠的多任務(wù)并發(fā)的裸機(jī)程序，也變得越來越困難；操作系統(tǒng)類軟件因此應(yīng)需而生，采用“分層架構(gòu)”設(shè)計(jì)思想，作為底層直接管理各種硬件資源，并為其上的應(yīng)用程序提供訪問硬件受控的接口，從而對(duì)任務(wù)執(zhí)行和并發(fā)進(jìn)行高效而安全地管理。一般而言，操作系統(tǒng)的引入，為應(yīng)用開發(fā)帶來如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）應(yīng)用編程，更聚焦和友好：單個(gè)任務(wù)，只需聚焦于自身算法邏輯的實(shí)現(xiàn)，支撐性和維護(hù)性工作均借助于操作系統(tǒng)來完成；因此，對(duì)于各專業(yè)領(lǐng)域人員而言，編程開發(fā)體驗(yàn)更高效和友好。

（2）多任務(wù)和多用戶：在一臺(tái)計(jì)算機(jī)上，通過操作系統(tǒng)的隔離機(jī)制，多個(gè)任務(wù)可安全、獨(dú)立且并發(fā)地執(zhí)行；利用通信基礎(chǔ)設(shè)施，可更好地實(shí)現(xiàn)任務(wù)間的同步和協(xié)調(diào)，從而有利于解決更復(fù)雜的問題。

（3）提升硬件利用率：操作系統(tǒng)會(huì)調(diào)度各種工作負(fù)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(biāo)，完成各種任務(wù)；一般以充分利用計(jì)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(wù)吞吐量（throughput）。

（4）軟件生態(tài)基礎(chǔ)：統(tǒng)一而規(guī)范的接口和基礎(chǔ)設(shè)施，是代碼移植和復(fù)用的前提，也是各種軟件協(xié)同合作的基礎(chǔ)；會(huì)方便終端用戶在同一平臺(tái)上，累積和復(fù)用各種軟件的使用習(xí)慣和經(jīng)驗(yàn)；從而產(chǎn)生一個(gè)良性發(fā)展的、合作共贏的軟件應(yīng)用的市場環(huán)境。

實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)性保障特征，其應(yīng)具備一般操作系統(tǒng)基本功能和由此帶給應(yīng)用程序開發(fā)的便捷和優(yōu)勢，然后才是保證滿足實(shí)時(shí)要求的措施，必須優(yōu)于裸機(jī)實(shí)時(shí)編程方式，提供更加可靠的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性保障。通常一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，應(yīng)具備基于優(yōu)先級(jí)的任務(wù)調(diào)度，支持搶占的內(nèi)核和高精度時(shí)鐘等模塊，和針對(duì)中斷處理、優(yōu)先級(jí)反轉(zhuǎn)等延時(shí)問題的解決方案等基礎(chǔ)措施，來支持和保障計(jì)算任務(wù)的實(shí)時(shí)性特征。按設(shè)計(jì)方式，可分為專用和基于通用改造的實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)補(bǔ)丁方案、雙操作系統(tǒng)內(nèi)核架構(gòu)的Xenomai方案等。

此外，還有基于虛擬化技術(shù)的實(shí)時(shí)解決方案，如ACRN、RTS Hypervisor和KVM等，其引入的虛擬機(jī)監(jiān)控管理計(jì)算資源，實(shí)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(shí)例，如在同一臺(tái)IPC上運(yùn)行多個(gè)虛擬機(jī)，可在其Windows虛擬機(jī)中運(yùn)行常用的用戶界面程序和數(shù)據(jù)處理、仿真程序，而在實(shí)時(shí)虛擬機(jī)（如基于Linux實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)）運(yùn)行實(shí)時(shí)控制類計(jì)算負(fù)載等關(guān)鍵任務(wù)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(xùn)和維護(hù)成本；商業(yè)方案，一般具有良好的技術(shù)支持保障，并且便于某些領(lǐng)域的安全認(rèn)證和規(guī)范要求，但授權(quán)費(fèi)用一般較高。而通用操作系統(tǒng)對(duì)比專用操作系統(tǒng)，具備更廣譜軟件硬件支持，更新升級(jí)快，能夠完成更廣泛的計(jì)算任務(wù)，且可通過配置和調(diào)試，對(duì)特定計(jì)算任務(wù)進(jìn)行優(yōu)化。基于通用架構(gòu)和系統(tǒng)的開源實(shí)時(shí)解決方案，在高效地應(yīng)對(duì)復(fù)雜性的同時(shí)，還提供確定性、可靠性和靈活性的計(jì)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(fù)載整合的需求，提供了便利。但在具體實(shí)踐中也要面對(duì)如下復(fù)雜性：

（1）硬件平臺(tái)復(fù)雜：組件品類和型號(hào)多樣，最優(yōu)選型比較困難，需要平衡性能、價(jià)格和擴(kuò)展性。

（2）軟件系統(tǒng)復(fù)雜：獲取到開源代碼，遠(yuǎn)不是對(duì)平臺(tái)系統(tǒng)完全掌控，代碼龐雜，需要理清依賴關(guān)系。

（3）調(diào)優(yōu)過程復(fù)雜：缺少系統(tǒng)性的指導(dǎo)和解釋，并且開源社區(qū)對(duì)新問題的響應(yīng)也無法保證及時(shí)。

為此需要專業(yè)團(tuán)隊(duì)，一方面具備實(shí)時(shí)計(jì)算基本知識(shí)和技能，另一方面理解工業(yè)控制任務(wù)的實(shí)際需求，對(duì)具體應(yīng)用，提供針對(duì)性的實(shí)時(shí)解決方案。

4 ECI：基于X86架構(gòu)的參考平臺(tái)軟件

“英特爾工業(yè)邊緣控制平臺(tái)”（Intel?Edge Controls for industrial）方案——簡稱ECI，是以面向工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域應(yīng)用和軟硬一體化實(shí)現(xiàn)的這兩個(gè)目標(biāo)為自身定位；基于“通用開放架構(gòu)”和“軟件定義”的兩個(gè)基本設(shè)計(jì)理念進(jìn)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(gè)基礎(chǔ)構(gòu)件，用以實(shí)現(xiàn)各種邊緣控制任務(wù)的整合應(yīng)用：

（1）硬：以基于X86架構(gòu)的通用計(jì)算硬件平臺(tái)，用作為緣控制軟件的執(zhí)行載體。

（2）軟：具備實(shí)時(shí)性保障的通用操作系統(tǒng)和虛擬化方案，用作邊緣控制應(yīng)用軟件的運(yùn)行基礎(chǔ)。

ECI架構(gòu)如圖1所示。

圖1 ECI架構(gòu)圖：功能與組件

此平臺(tái)軟件，提供了兩種主流的基于Linux通用操作系統(tǒng)的開源實(shí)時(shí)解決方案：內(nèi)核實(shí)時(shí)補(bǔ)丁Preempt_RT方案和雙內(nèi)核Xenomai方案；并且基于計(jì)算硬件特性，針對(duì)其對(duì)實(shí)時(shí)任務(wù)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(xiàng)和內(nèi)核啟動(dòng)參數(shù)等手段，來配置與運(yùn)算速率相關(guān)的時(shí)鐘頻率、功耗和溫控等管理功能，以減少CPU頻率波動(dòng)對(duì)實(shí)時(shí)應(yīng)用的影響；共享緩存（LLC）的隔離和分配技術(shù)，以降低共享資源爭搶式訪問對(duì)實(shí)時(shí)應(yīng)用造成的干擾；此外，在某些處理器上還集成了專門為實(shí)時(shí)任務(wù)設(shè)計(jì)的Intel TCC技術(shù)、相關(guān)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_RT Linux內(nèi)核模型

圖3 Xenomai雙內(nèi)核模型

英特爾ECI平臺(tái)，不但包含了底層操作系統(tǒng)級(jí)軟件，而且也有針對(duì)工業(yè)控制的各種應(yīng)用組件，如：集成了工業(yè)控制所需的軟PLC運(yùn)行時(shí)——CoDeSys runtime；現(xiàn)場通信所需的工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)方案——EtherCAT和TSN等；以及包含了實(shí)時(shí)任務(wù)優(yōu)先級(jí)調(diào)度和內(nèi)存頁鎖定等方法；并且在推薦的IPC硬件平臺(tái)上，進(jìn)行系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能測試，可供最終用戶硬件平臺(tái)選型參考。因?yàn)椴捎昧塑浻布惑w的設(shè)計(jì)和調(diào)優(yōu)方式，可提供高效而可靠的實(shí)時(shí)性能；并且基于Intel的處理器設(shè)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(hù)和擴(kuò)展升級(jí)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(shí)時(shí)應(yīng)用的成功落地是一個(gè)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(duì)具體的場景和應(yīng)用實(shí)例進(jìn)行長時(shí)間且充分的驗(yàn)證和性能測試。為此，ECI還針對(duì)不同應(yīng)用場景，比如：離散制造涉及的PLC控制、伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制、機(jī)器人（機(jī)械臂和移動(dòng)小車AMR）的控制，以及流程行業(yè)控制應(yīng)用，提供了樣例（sample）代碼；在推薦的一系列IPC平臺(tái)上進(jìn)行了相關(guān)的功能和實(shí)時(shí)性能測試，并且提供了相關(guān)文檔說明，以及結(jié)果評(píng)價(jià)和參考建議。由此，為工業(yè)領(lǐng)域的客戶利用ECI平臺(tái)進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)和驗(yàn)證測試，提供參考依據(jù)和可行性方案。

5 結(jié)論與建議

一個(gè)可以落地的實(shí)時(shí)控制解決方案，在需求、設(shè)計(jì)、實(shí)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(shè)備的實(shí)時(shí)通信方案

工業(yè)控制中的實(shí)時(shí)應(yīng)用程度的性能受到外部現(xiàn)場設(shè)備的約束，要進(jìn)行等時(shí)間隔I/O通信，如工業(yè)以太網(wǎng)方案中對(duì)網(wǎng)卡的訪問。進(jìn)行工業(yè)控制實(shí)時(shí)任務(wù)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證時(shí)，不但要考慮占用CPU資源的計(jì)算密集型負(fù)載和也要關(guān)注對(duì)網(wǎng)卡等的IO密集型負(fù)載消耗的時(shí)間，對(duì)IPC上運(yùn)行的實(shí)時(shí)任務(wù)，通過底層RTOS提供的機(jī)制和硬件調(diào)優(yōu)的保障，可以讓實(shí)時(shí)任務(wù)按規(guī)律的時(shí)間周期穩(wěn)定地喚醒和睡眠具體的實(shí)時(shí)線程。

（2）控制器IPC的硬件選型與調(diào)優(yōu)配置

當(dāng)前主流商用工控機(jī)基礎(chǔ)平臺(tái)和環(huán)境，為多核處理器架構(gòu)的計(jì)算機(jī)硬件平臺(tái)，所以還要考慮實(shí)時(shí)多線程和共享資源隔離分配等方式，以提升整體并行計(jì)算能力，實(shí)現(xiàn)多任務(wù)的實(shí)時(shí)性調(diào)度。一個(gè)實(shí)時(shí)控制軟件，其各項(xiàng)功能和任務(wù)，要針對(duì)具體的目標(biāo)硬件平臺(tái)（IPC）和應(yīng)用場景，進(jìn)行充分的測試和驗(yàn)證，才能進(jìn)行應(yīng)用。在通用計(jì)算機(jī)硬件平臺(tái)，實(shí)時(shí)控制應(yīng)用開發(fā)者，應(yīng)該對(duì)計(jì)算機(jī)硬件平臺(tái)有足夠深度的了解，掌握CPU時(shí)鐘工作頻率、定時(shí)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(duì)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(yīng)充分利用開源和可供借鑒的參考資源，用于實(shí)時(shí)控制軟件方案設(shè)計(jì)、方向探索和具體落地實(shí)踐的過程中。英特爾的ECI平臺(tái)，基于主流開源Linux的實(shí)時(shí)方案，并針對(duì)具體IPC硬件選型，提供了在實(shí)時(shí)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(duì)離散制造、工業(yè)機(jī)器人和流程行業(yè)等場景的典型需求，抽象出帶真實(shí)負(fù)載的測試場景，進(jìn)行驗(yàn)證，并在相關(guān)文檔中推薦配置和調(diào)優(yōu)方法。綜上，ECI平臺(tái)可供工業(yè)實(shí)時(shí)控制方案探索和落地時(shí)參考。

審核編輯：劉清