采用Zynq SoC的智能网关可提高世界一流制造厂的生产力

采用Zynq SoC的智能网关可提高世界一流制造厂的生产力。

工业物联网是指所有系统应该在全球范围内互联，以便共享信息，这一理念正在快速成为现实。当今，越来越多的公司，尤其是工业设备领域的公司，正在构建将传感器、处理和通信集成在一起的复杂系统，打造出智能工厂、智能电网甚至智能城市，从而进一步推动工业物联网（IIoT）发展。这些技术发展不仅提高生产力和盈利能力，而且丰富了人们生活。

利用赛灵思 Zynq®-7000 All Programmable SoC 实现的新技术正在将智能系统带到 IIoT 制造业。由 System-on-Chip engineering S.L.(SoC-e) 设计的智能网关不仅可提高生产力，而且还可帮助 Microdeco 等公司实现更可靠的互联并确保安全性。为了最大限度地提高盈利能力，工厂希望使布局更具灵活性，获得有关工艺及制造产品的更多信息，实现更智能的数据处理，并高效整合人的经验／交互。不过，在将新技术引入工厂时，开发该技术的人需要遵守一些规则。第一条也是最重要的规则就是生产不能停止。新技术必须与老系统兼容，并且便于不同厂商产品之间的互操作性。此外，解决方案应该能够让自动化更进一步，实现更加自主或去中心化分析。

工厂设备必须与公司的 IT 网络进行通信。要在机器和 IT这两个领域之间实现透明操作，智能网关将起到至关重要的作用。

为了实现很多人所说的“第四次工业革命”，工厂需要相应的基础设施和系统，才能利用 IT 及电子设备实现自动化生产。尽管很多工厂在第三次工业化浪潮中实现了自动化，但在很多情况下，有必要同时实施两个步骤：第三次及第四次自动化演进。这是一个集成 IT 基础设施的大好时机，以使 IT 既满足智能工厂的新要求，又兼容于第三代生产调度及自动化系统。图 1 是业界广泛使用的典型生产系统，该系统有助于根据要求调整和优化生产。企业资源计划 (ERP) 软件包含各种支持商业数据库的工具。它可定义要制造的内容。而制造企业系统 (MES) 则侧重于生产调度。MES 使用 ERP 输出与生产工厂设备通信，并告诉设备应该做什么。

 

图 1 — 通过ERP/MES安排生产调度

智能工厂中的网络、处理与感测
由于很多公司提供不同类型的工厂设备，而且往往有好几代设备都在同时使用，因此将不同厂商和不同时期的、符合不同标准的设备连接起来，可能非常困难。还有一个因素让事情变得更为复杂，那就是工厂设备必须与公司的 IT 网络（企业网络和／或互联网）、各种 PC 系统组合，以及基于多种协议的网关、黑盒及工业交换机进行通信。这样，工厂可能很快就会陷入异构化噩梦，缺乏“即插即用”操作模式所要求的简便性和灵活性。诸如 SoC-e 的 CPPS-Gate40 这样的智能网关 （图 2）将在在机器与 IT 之间实现安全透明操作的过程中起到关键作用。

 

图 2 — SoC-e 的 CPPS-Gate40 智能网关

Microdeco 是一家为汽车行业制造小金属零件的公司。该公司一直在寻找能够提高生产力的方法，并且在智能系统使用方面走在前沿。在 Microdeco 位于西班牙 Ermua 的试验工厂中，Microdeco 围绕整合相同系统网络、处理与传感技术的智能网关概念，为工厂构建了一套网络基础架构。

创建智能工厂的最大挑战之一在于连接不同系统。工厂包含高速光学链路，可用来将不同信息物理生产系统 (CPPS) 区域——即每个机器、传感器和致动器生产组——互连起来。智能网关掌管所有通信基础架构。这包括：高速切换光纤链路和灵活的三速以太网端口（可在每个单元中实现常规以太网或工业以太网协议），以及各种串行端口（可实现广泛使用的工业协议，例如 Modbus 和 Profibus）。

图 3 是每台机器（CPPS 区域）中安装的每个智能网关如何通过单条光纤链路连接到下一个网关。在该通信基础架构中，还将所有设备连接成单个环路，实现高可用性无缝冗余 (HSR) 协议。这种非专有的 (IEC 62439-3 Clause 5) 以太网“零延迟恢复时间”解决方案允许操作人员将任意设备从环路中断开，而且不会对工厂中其他节点或设备造成不利影响。这种真正的即插即用式操作便于进行工厂布局修改。此外，HSR 还支持冗余 IEEE 1588v2亚微秒同步协议，该协议可简化系统的同步化，从而可执行采样传感器数据的准确重建或者控制任务的实现。

 

图 3 — Microdeco工厂的车床部分