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    首頁 > 工業4.0

    預見未來 | 眾核(many-core) 控制技術來了!比多核IPC更厲害!

    來源:控制工程網2020.08.25閱讀 20144

      當眾核(many-core)技術可用于工業機器時,工程師們就會有疑問。有些人還想知道“利用這些處理能力可以做些什么”。 其他人則會想知道什么時候需要眾核處理。在基于PC的自動化軟件中運行可編程邏輯控制器(PLC)程序的時代,只需要一個內核。即使運行HMI和其它程序,配置了雙16核處理器的工業服務器,仍然顯得有點大材小用。雖然這為未來可能的程序擴展預留了余量,但工程師不確定如何利用它們。
      自動化技術的不斷進步,加上運營技術(OT)和信息技術(IT)的進一步融合,已經創造了更高效、可靠和復雜的機器。智能工廠和工業4.0概念所需的數據采集和響應能力也導致了重大變化。
      例如,過去使用少量PLC、步進電機和基本現場總線的系統,在機器人和機電線性運輸系統、工業通訊、機器視覺系統、帶語音指令的操作員界面、移動人機界面(HMI)和機器學習等方面,已獲得重要進展。這些新技術領域的開發和應用將會繼續填補空白,并證明集成眾核控制技術的合理性。
      PLC和可編程自動化控制器(PAC)的發展,未能跟上龐大數據量涌入的步伐。由于系統協同工作所需的“同步交換”功能,多供應商的分布式控制體系結構并不總是有效的。先進的機器需要先進的控制。
      多年以來,基于PC的控制功能已經得到驗證,但是通過引入眾核CPU,可以使這些功能獲得進一步的提升。多核工業PC(IPC)可以滿足大多數機器的控制需求,但需求的快速增長和獲得優勢的機會,使我們有理由探索更多升級和未來機器設計的核心選擇。

    眾核控制原理可以擴展到安裝在DIN導軌上的機器控制器上,例如倍福對的CX2042嵌入式控制器。本文圖片來源:倍福

      什么是眾核IPC?
      眾核(many-core)和多核(multi-core)控制之間的關鍵區別與其說是處理器核心的數量,不如說是實際的處理器結構。眾核以高性能計算原理為基礎,使用了針對更大并行性和吞吐量進行優化的嵌入式處理器。大規模并行數據流處理意味著由于任務的空間布局,可以降低同時完成任務的功耗。眾核還能通過增強的線程同步,來解決大多數低端CPU中出現的數據瓶頸問題。
      在大多數應用中,與適用于標準機器控制邏輯和先進功能的自動化軟件配合使用時,多核技術可以輕松地完成許多復雜的任務。經過精心設計的眾核CPU,可以將此功能擴展,為應用程帶來同等程度的可擴展性和靈活性。因此,眾核控制原理可以輕松地擴展到一系列設備,從DIN導軌安裝的、具有4核處理器的嵌入式計算機,到具有雙20核英特爾Xeon板及其它版本的工業服務器。無論規模大小,該技術的一個關鍵優勢在于使用基于PC的自動化軟件進行核心隔離。

    倍福C6670工業控制柜工業服務器具有多達20個內核的英特爾至強CPU選項,利用內核隔離功能在TwinCAT 3自動化軟件中同時運行一系列過程和程序。

      先進控制需要多少內核?
      具有核心隔離功能的IPC軟件,使工程師可以將特定的任務分配給軟件中的各個內核或群集。處理器存儲可以將任務數據緩存在特定位置,從而可以縮短處理時間,提高性能。要求苛刻的程序(例如集成了機器學習或使用MathWorks的Matlab / Simulink進行實時仿真的程序)可以占用毗鄰的多個內核,并且可以同時運行多個相似任務。
      對于先進的運動控制體系架構而言,例如機電線性運輸系統和帶有懸浮動子的電機系統,它們確實需要使用專用的神經網絡。復雜的分析和示波器軟件可能需要多個內核,尤其是在通過千兆以太網以10 Gbit/s的通信速度傳輸的數據的情況下,更是如此。
      IPC的選擇還取決于支持的任務和系統的數量,以及可用的內核,而不是最高的時鐘速度。耐用性和耐久性也是生產環境的關注點。因此,重要的是選擇能夠提供堅固、可擴展產品的供應商。
      在低端眾核控制器上,一些供應商以標準的DIN導軌安裝形式,提供基于計算機的控制器。一些嵌入式計算機可提供4至12個2.2 GHz處理器,8至64 GB 的DDR4 RAM,工作溫度范圍為-25至500℃。在高端范圍,一些工業服務器具有雙處理器,提供6至20個內核,時鐘速率則依據內核數量的不同而變化。它們可以提供從240 GB SSD到4 TB的硬盤驅動器容量,1024 GB的DDR4 RAM以及0至50℃的工作溫度范圍??蓴U展性非常重要;并非每個應用程序都需要40個內核的處理能力,但是某些應用程序可能需要4個以上的內核。
      眾核IPC可以實現集中式控制系統的優勢。眾核機器控制器通過合并所有任務,創建多任務設備,同時限制硬件、最小化占用空間并提高整體性能,這是對以前系統的重大改進,以前的系統將過程劃分為各種PLC、運動控制器和網絡計算機,而這會導致通信延遲。
      盡管IPC也可以連接到云,但它們的存儲容量和在設備上運行眾多程序的能力使控制器更加自給自足,這使許多行業的制造商和原始設備制造商(OEM)受益匪淺。某些OEM廠商可能會選擇通過在眾核設備上運行其專有軟件來開發知識產權,以處理高級機器學習和人工智能。如果他們的機器處理揮發性化合物,制造商也可能會害怕使用云。即使沒有網絡連接,工程師也可以使用更高效的平臺來實施工業4.0和智能工廠概念。

    在生產線上運行多個機器和程序的集中式控制系統,為制造商和OEM廠商創造了巨大價值。

      控制器軟件對整體性能提升和功能具有至關重要的影響。由于基于PC的控制器會隨著時間的推移而不斷發展和擴展,使用多核和眾核架構,OEM和制造商可能會面臨許多新挑戰。應該測試和證明先進的軟件可以應對這些挑戰。
      現代機器體系結構要求的處理能力已使一些供應商措手不及,即使許多先進的機器和系統已顯示出了眾核技術的價值。(作者:Eric Reiner)  

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