如何实施工业4.0的解决方案

3月15日，在慕尼黑上海电子展国际嵌入式系统创新论坛上，瑞萨电子中国负责工业业务的谭绍鹏部长演讲了构建新一代的工业物联网。

如何实施工业4.0的解决方案

首先我们回顾一下工业革命的历程。

第四次工业革命并非一个颠覆性的革命，它只是基于第三次工业革命的基础上进行的技术创新。工业物联网或者工业4.0是一个完美风暴，它是专注于在资源上结合可持续性或减少浪费的技术。工业4.0作为一个价值链的组织使用基础和概念集中的名词，最早是出现在德国政府提出的《第四次工业革命高科技战略计划》。随后美国提出的工业互联网，中国提出了《中国制造2025》，实际上这些概念是一样的，是建立在一个原有自动化基础上做一些改良或者优化的措施，并非是颠覆性革命。

工业物联网让我们可以对机器、计算机、人进行定位，把各种业务转化所得到的一些数据进行一些分析，实现一些智能化的工业操作。工业物联网实质是物联网当中最大最重要的组成部分。

工业4.0工厂构想

要实现我们所谓的智慧工厂或者数字工厂，首先必须是传感器实现自动化，以前传感器只进行数据的传输，以后将更注重传感器资产的管理运营，从而防止一些意外的停机，提高生产率。

实时分析最重要的目的是优化整个工厂的吞吐量。因为工业4.0面向的是物联网数据，它有大量的数据需要处理，如何优化这些数据并减少浪费？首先要构建整个硬件和操作系统可以通用的实时操作系统，特殊的工业组件会被一些标准化实时的以太网组件或者协议取代。

另一个热门的是虚拟制造，如何使用工厂的一些虚拟工具建造自己的一个虚拟的环境，整个运营、产品开发到制造后面的生产，整个建模，是非常重要的。

还有一个最关键的部分，物理网络系统。它解决的问题是人工与机器人之间如何协同工作，使生产单元和虚拟单元更加便利。这一部分是工业4.0很重要的一个环节，它把每个智能制造体系当中的每个小脑或神经系统里面的节点，甚至具有信息加工的二元属性的一些属性单元结合起来，这些信息属性包括了网络通讯、计算还有一些数据分析。所以，在建设信息物理系统的时候，每个单元当中的通讯、计算跟分析都要具备，这些单元着重于如何把物理世界的一些东西进行虚拟化或者信息化，这也是实现工业物联网或者工业4.0很重要的一个组成部分。

整个工业物联网会对整个制造行业产生高达1.2万亿美元的经济利益影响。

建立物联网工厂要具备什么要素

人、资产和工艺之间的无缝操作

通过技术增强传感器与机器之间的反馈

自主的“自我意识”

可配置的、可定制的

连接

实时域、非实时域

有线和云组件

安全和保障

本身固有的安全性

用户身份验证与上下文感知安全

智能化分析

描述性、预测性和规范性分析

在每个工厂层面进行调节

数据管理

可重复使用、可扩展的数据模型

何为“智能信息”——最常被引用的是环境信息（如位置和时间）

传统工业企业如何扩展迈向工业4.0

整个传统业务的价值链从最底层开始，瑞萨电子就类似于最底层的芯片级、半导体厂商，往上是一些中间电子提供商，再往上就是一些嵌入式软硬件提供商、OEM厂商、系统集成商、设备提供商，最后是企业服务者。举个例子，比方说现在的OEM厂商要连入工业4.0的话需要接入类似于云服务、软件分析服务。半导体厂商要集成更多的安全性或将通信安全协议集成到新硬件里面去。另外系统集成商不仅仅提供了软硬件的集合，同时也提供了一些软件级服务，比如SaaS。所以，整个产业链可以看到不同决策级的玩家或者生态链里面的伙伴，由于工业物联网要素的改变导致整条产业链会向上或者向下进行一个延伸，这是非常关键的一个价值链。

IT/OT 困境-复杂的网络层

目前纵观整个系统架构，一个工厂从不同层面来看可以分成企业层面，控制层面和现场层面。现场层面很简单理解，是各种不同的传感器，不同的数据模块。控制层面包括PLC、机器的主控部分、IO卡等等，企业层面上面比方说企业的ERP、CRM管理等等。把它划分成两个区域，一个叫IT域，一个叫OT域。IT域传统叫做企业信息技术网，OT域主要是运营层面的技术，这是两个不同层面的领域。

在 IT端主要是基于一些传统的以太网的工作原理，比方说使用了CSMA监听多路访问或冲突的技术，它使用的是双导线、UPP线进行组网；再比如标准的以太网4兆，快速的100兆或千兆等等，这都是符合传统的以太网，它遵循的是QoS的优先机制进行转化。在一个数据里面一部分数据端肯定会被丢弃掉，所以在 IT域中有一个不成文的规定就是如果带宽占用率超过40%的时候，就需要选择拓宽，因为带宽严重不足的情况下会导致拥堵。在OT端我们强调的是信息或讯息的及时性，叫做实时性。这里面包括警示、事件告知、状态检测、电力状况、判断干扰等等，这些数据如何让OT端的人员能够及时解决问题或提前进行维护，减少宕机，这非常关键。所以，我们要做的是，如何透过IT端与OT端的融合来找到一种最优的自动化平台来实现自动化，然后落实数字转型和一些智能制造，这些业务可以实现可视化生产，来保证整个产线的能耗降低、效率提高。

开始实施工业4.0策略的注意事项

选择符合您应用需求的云平台

工业物联网应用

什么叫边缘网关？边缘网关是一个接入网关，它的目的是快速增加远程或者移动用户一些安全远程的连接接入，不同设备传感器的搜集、加密分析数据、全部数据集中然后发送到云端到控制器、服务器进行后端的数据分析，它是一个数据的接入层。边缘网关是以IT为中心的，虽然所有的数据会经过它来进行生成，但它并不能做出一个很实时性的决策，原因在于它的响应时间到云至少是在毫秒级别，可能是25毫秒到50毫秒之间，这样使用云计算会产生一个很严重的延迟。比如工业系统里面的一些检测、控制或者执行命令的要求时限很高，部分产品要求在10毫秒以内，因而20毫秒或以上延迟都是完全不可接受的。另外，它对于一些趋势数据分析、非实时性的数据推算反应，都是无法实现的。

在云端分析的时候有一个叫做受限的粒度计算，粒度计算是一种方法论，是人工智能里面研究的一个方向。由于人类本身认知的能力是有限的，人类在处理大量信息的时候会把大量复杂信息按照不同特性进行一些划分，划分成简单的块，然后这些块就会当成一个粒，所以在云端会用到“粒”的概念。

瑞萨电子提出如何将OT域运营技术这一端的数据以及我们常说的信息技术这一块的域融通起来，这里面包括了我们在工业领域常用到的一些工业以太网协议的数据，这些数据都是实时性数据，或者周期性、过程性的数据，这些数据如何实时传输到IOT的网关，让物联网的协议进行云端的分析。如何实现这个实时数据与指令控制相互反应交互，也是至关重要的。

RZ/N系列 — 实现工业网络互通并桥接IT/OT 网络

瑞萨电子提出了基于RZ/N的芯片，它是一个事先打通并桥接了两块域的解决方案，具备多协议工业以太网络和智能控制，提供了五端口的千兆位交换机，另外还具备一个安全的网络保障。智能控制会有一个内核，单核或者双核的ARM Cortex A7处理器，再加一个M3硬件实时操作系统的网络引擎。

再介绍一下冗余网络。工业物联网如何保障安全性？除了我们提供很多不同的拓扑，还构建了一个叫HSR的环形冗余特性，这是可以真正实现零秒的网络冗余，它避免了网络通讯当中的数据丢包，或者说真正实现了零切换。这个协议HSR/PRP已内置在里面。

下面是内部芯片的系统框图，在应用层端有Cortex A7，这里面主要包括一些工业应用控制等等。右边是一些以太网的实时通讯，有一个硬件操作系统，它可以处理多重网络的冗余。

内建高效的任务切换硬件RTOS系统

瑞萨电子的解决方案内嵌了一个RTOS系统，如下图。可以看到整个效率下降对比于软件操作系统会有更大的优势。硬实时系统是一个刚性的，不可改变的时间限制，它不允许任何超出时限的错误，超过时限的错误会带来整个系统的失败，所以我们叫硬实时系统，它区分于分时操作系统。分时操作系统会将资源平均分配，但为什么用硬实时系统？因为强调实时性。用软实时系统行不行？软实时是一个柔性灵活的实时系统，它可以容忍偶然的超时错误跟失败，并不会导致严重的后果。

如何做到整个工业协议与芯片系统的灵活操作

瑞萨电子定义了一个协议的抽象层，这个协议的抽象层可以将各种不同的工业以太网协议进行无缝切换。我们可以看到所有不同生态的主要协议栈都在这里面，然后绿色部分是瑞萨电子已经做的一些软件，它可以让这些不同部分的协议通过我们网络硬件的引擎进行故障的切换。再向大家介绍一下IO-Link的工业现场主线，这是非常重要的一个开放式的标准创新通信协议，它支持各种IO-Link的传感器。可以把IO-Link通信理解成是传感器领域的USB，非常易于使用和装配。所以，在展望工业4.0的时候，最关键的一点就是如何让传感器变得更加智能化，IO-Link通讯就是实现它最完美的一个方式。

如何在使用以太网控制器跟总线进行一些交换数据，可以看到我们有一个内部的网络组织，在芯片内部实现的，所有应用层的数据通过这些总线与网络控制单元进行不同的一些数据交换。这个速度会非常快，比外围的数据交换快很多。

为此，我们提出一个解决方案，在OT端接入了一个实时工业物联网的网关，这个网关同时可以实现传统工业以太网协议，也同时可以兼顾实时数据在工业领域的一些控制，包括机械手、传感器等等，将本地的数据跟云端的数据进行分析，也打通了整个IT域跟OT域的融通关系。

除了动态工业自动化以外，这个方案还可以关联到其他的一些领域，比方说一些关键的基础设施。从另一个角度来说，这个方案里面有很多工业以太网协议的切换，如果用到不同行业，它也有一些行业不同协议的切换。例如，楼宇自动化里面楼宇的网络协议，如何让楼宇网络协议接入物联网，这个平台也可以达成。所有协议都是软件，只是怎么把这个软件固化到我们芯片本身。当然，包括医疗设备的自动化，还有物联网的一些解决方案。所以，它的应用范围不仅仅局限在工业网络智能化。