【英特尔】2022-2023新一代智能工业控制器快速搭建指南_60页_15mb

英特尔赋能智能工业控制总结

核心内容概述

本指南旨在介绍新一代基于英特尔x86架构的智能工业控制器的核心需求、技术架构、选型搭建及典型应用场景。随着工业自动化向智能制造转型，控制器正从传统PLC、CNC、工业机器人等向更加智能化、开放化、可扩展化的方向发展。英特尔通过提供工业级芯片、边缘节点参考设计、工业边缘控制与洞见平台等，为工业自动化提供一站式解决方案，助力生态伙伴快速部署和应用。

主要观点

• 工业自动化趋势：工业自动化正在从传统控制向智能化、自治化演进，推动OT与IT的融合，实现更高质量、更高效率和更高精度的制造流程。
• 技术演进：工业控制器从早期机械控制发展到基于计算机的控制，再到如今基于x86架构的智能控制器，具备更强的通用性、开放性和灵活性。
• 新需求：工业控制器需具备跨设备、跨软件、跨平台的互联互通能力，同时具备数据采集、处理、传输、存储以及预测性维护等能力。
• 智能与自治：借助AI和机器学习，控制器将具备更强的自治能力，实现更智能的感知与决策。
• 生态支持：英特尔通过提供硬件与软件方案，支持开放生态，帮助用户实现定制化和快速部署。

关键信息

1.1 智能工业发展历程

• 工业自动化经历了从机械控制、电子控制、集成电路控制，到基于计算机的控制阶段。
• 1950至70年代，PLC、CNC、工业机器人相继出现，标志着工业自动化进入计算机控制时代。
• 当前工业控制器以计算机为硬件平台，通过软件编程实现控制功能，具备更高的灵活性和可扩展性。

1.2 工业控制器市场规模

• PLC市场：2020年中国大陆PLC市场规模约为130亿元，外资品牌占据主导地位，国产品牌在小型PLC市场有所增长。
• CNC市场：2020年市场规模115.7亿元，同比增长33%，未来仍有望保持高增长。
• 工业机器人市场：2020年中国大陆工业机器人装机量16.8万台，占比超40%，行业整体呈稳中有升趋势。

1.3 工业控制器行业现状

• 工业控制器主要分为两类：专用型控制器和基于PC的控制器。
• 基于PC的控制器因其通用性、开放性及灵活性，正逐步取代专用型控制器。
• 专用型控制器通常采用封闭架构，而基于PC的控制器支持软件定义功能，便于定制化开发。

1.4 趋势与挑战

• 趋势：负载整合、全面互联、智能化发展是工业控制器发展的三大趋势。
• 挑战：
  • 缺乏统一的工业通信标准，导致设备、软件和平台间难以互联互通。
  • 开源与商用方案在灵活性与支持性上存在矛盾。
  • 跨平台数据互联互通难度大，需要定制化开发。

新一代智能工业控制器：主要需求与核心技术

2.1 新一代智能工业控制器

• 工业边缘节点的典型应用，具备敏捷联接、实时计算、数据优化、应用智能、安全与隐私保护等能力。
• 需要支持多种工业通信协议和实时操作系统，以满足不同应用场景需求。

2.2 硬件主要需求与核心技术

• 工业级环境：需具备抗冲击、抗粉尘、防水防泼溅等特性。
• 工业级可靠性：支持宽温、宽电压、抗电磁干扰等设计。
• 工业接口：支持多种专用工业接口，如GPIB、EtherCAT、RS-485等。
• 易扩展性：支持模块化设计，便于定制不同接口。
• 硬件安全：需具备节点安全、身份认证、受信执行、功能安全等。
• 异构计算支持：支持CPU + FPGA等，实现性能、成本、功耗等方面的平衡。

2.3 系统软件主要需求与核心技术

• 实时连接性：需支持毫秒级甚至微秒级实时性能。
• 工业连接协议：支持EtherCAT、OPC UA、Profinet、Modbus等。
• 虚拟化与容器化：支持虚拟机和容器化技术，实现负载整合和隔离。
• 实时系统选型：可采用实时补丁（如INtime、Xenomai）或专用实时操作系统（如QNX、VxWorks）。
• 软件安全：包括网络安全、数据安全和应用安全。

2.4 应用软件主要需求与核心技术

• 实时应用软件：包括逻辑控制、运动控制、机器人控制等，需支持多种编程语言（如IEC 61131-3）。
• 非实时应用软件：包括IDE、CAM/CAD、协议转换、预测性维护等，适用于非实时任务。
• 开源方案：具备灵活性和免授权，但需较高的技术门槛和不确定的支持。
• 商用方案：标准化程度高，支持更广泛的应用，且有更完善的技术支持和文档。

新一代智能工业控制器：选型、搭建与测试

3.1 硬件选型与搭建

• 选择支持工业级宽温、长生命周期、兼容多种工业接口的硬件平台。
• 推荐采用模块化设计，便于不同场景下的定制化扩展。
• 支持多种工业标准，如Com-Express、Qseven等，同时也有私有标准方案。

3.2 硬件系统测试与验证

• EVT阶段：信号完整性、电源完整性测试。
• DVT阶段：兼容性、性能、可靠性、认证测试。
• PVT阶段：小批量测试，确保产品稳定性和性能。

3.3 软件选型

• BIOS选型：支持不同级别的实时性需求，如商用、嵌入式和工业级。
• 虚拟化/容器化选型：如KVM、Xenomai、ACRN等，支持不同实时与非实时任务。
• 实时系统选型：如Windows INtime、Linux Xenomai、Preempt-RT等。
• 工业通信协议选型：支持OPC UA、EtherCAT、Profinet等。
• 开发工具选型：如CODESYS、PLCopen、ROS2等。

3.4 软件系统搭建

• 商用方案：使用标准化工具，如CODESYS，支持从开发到部署的完整流程。
• 开源方案：采用单体式或微服务架构，如Xenomai、ACRN、Intel ECI等。
• Intel ECI搭建策略：通过安装、配置和部署，支持多种组件和平台，实现一站式解决方案。

3.5 软件系统测试

• 实时系统测试关注轮询周期、延时和抖动。
• 测试工具包括Cyclictest、INtime Jitter Display等。
• 抖动优化和最大延时控制是提升系统稳定性的关键。

典型应用与场景

4.1 智能机械控制器

• 基于x86架构，支持软件定义控制。
• 系统架构包括硬件平台、UEFI、实时操作系统、PLC运行时等。
• 优势：软硬件解耦、灵活开发、支持二次开发和智能制造需求。

4.2 CNC控制器

• 基于x86架构，支持G-code和PLC控制。
• 系统架构包括CNC内核、PLC、实时操作系统、UEFI等。
• 优势：具备高实时性、灵活性和开放性，支持智能制造需求。

4.3 机器人（机械臂）控制器

• 支持多种实时操作系统和现场总线协议。
• 系统架构包括机器人运动算法、运动控制库、软PLC、实时操作系统等。
• 优势：兼容性强、支持多种编程方式、便于二次开发和集成。

4.4 自主移动机器人（AMR）控制器

• 支持SLAM、路径规划、避障等算法。
• 系统架构包括传感器融合、HMI、实时操作系统等。
• 优势：支持多种通信协议、便于集成和扩展。

4.5 可编程自动化控制器（PAC）

• 通用运动控制器，支持复杂轴控。
• 系统架构支持多种接口和通信协议。
• 优势：灵活扩展、支持多种应用场景。

英特尔一站式解决方案

• 工业等级芯片：如11代英特尔®酷睿™i7处理器，支持高实时性、功能安全等。
• 工业边缘节点参考设计：提供硬件参考设计，便于快速开发。
• 工业边缘控制平台：支持虚拟化和容器化，实现灵活部署。
• 工业边缘洞见平台：支持数据分析、预测性维护等功能，提升智能化水平。

推荐硬件与软件产品方案

7.1 硬件方案OEM

• 和利时、汇川技术、沈机（上海）、天津新松、信捷电气等。

7.2 硬件方案ODM

• 大唐计算机、康士达、诺达佳、锐宝智联、卓信创驰、信步科技等。

7.3 系统解决方案SI

• 大族智控等。

8.1 商用软件方案

• Beckhoff、CODESYS、Real-Time Systems、TenAsys等。

8.2 开源软件方案

• 如Xenomai、ACRN、Docker、K8S、ROS2等。

结语

新一代智能工业控制器在硬件、软件、通信、安全等多个方面具备显著优势，支持智能制造的发展需求。英特尔通过提供工业芯片、边缘平台及解决方案，助力行业生态发展，推动工业自动化向更高层次演进。