利用实时数据控制现代工业应用的重要性

Windows 或 macOS 等传统高级操作系统 (OS) 的调度程序的目标是最大化 CPU 利用率。在这种情况下，多个用户可能希望同时执行多个应用程序。所有底层进程和线程都应该获得公平的 CPU 时间份额。

图 1 .工业操作系统的描述。图片由Pixabay提供

另一方面，实时操作系统有不同的目标。该操作系统必须确保每个线程都在预先确定的时间范围内以有效顺序严格执行。在处理工业应用中常见的实际时间限制时，在不考虑时序和执行顺序的情况下最大化 CPU 利用率和数据吞吐量是不够的。

本文研究工程师在设计需要高数据吞吐量、准确延迟和抖动控制的应用程序时可以做些什么。

不同的机器及其网络需求

当查看与其环境的其余部分隔离的单个设备时，纯实时系统通常是解决方案。

然而，现代化的工厂车间不仅仅是生产车间的机器。随着工业物联网（IIoT）、工业4.0和边缘计算在过去几年的稳步增长，单个生产车间内的通信需求变得越来越复杂。这部分是由于连接设备的增加，但每个设备的不同通信需求也起着关键作用。

在这种情况下，工程师经常使用术语运营技术 (OT) 和信息技术 (IT) 来对网络通信的两个主要不同类别进行分类。 OT 是时间关键型流量，例如，当零件准备好拾取时，从一台机器发送到机械臂。在这里，信息必须在给定的时间范围内到达所有接收者。

图 2 .机械工业网络。

另一方面，IT 通常需要更高的数据吞吐量。通常，这是来自安全摄像头或办公应用程序（如电子邮件）的视频流等数据。在 IT 中，吞吐量很重要。可靠性、延迟和抖动通常是次要问题。

工程师希望设计一个能够同时满足 IT 和 OT 流量要求而又不会增加太多复杂性和成本的单一网络——之前的一篇文章更详细地讨论了这两个概念。它进一步研究了时间敏感网络 (TSN) 如何帮助解决在同一网络上合并 IT 和 OT 流量的问题，并研究网络硬件（如 Layerscape LS1028A）如何帮助工程师设计现代工业解决方案。

为什么 OT 和 IT 齐头并进：一个应用示例

在现代工业控制系统环境中，实时和非实时功能不再分离。相反，实时和非实时功能必须齐头并进，以确保生产设施高效、正确地运行。

可以将发电厂视为一个具体示例，其中包含可能使用不同标准连接的数百个设备。例如，各种传感器会定期实时报告它们的读数。此类传感器可包括但不限于温度传感器、压力传感器和检测过程可能产生的有害气体的装置。

图 3。 牛奶厂的压力表。

来自这些传感器的数据可能只在短时间内有效、准确和有用——通常是在设备提供后续读数之前。因此，收集和聚合传感器数据的第一个入口点必须能够实时进行。

在此示例中，传感器相距很远且位于难以到达的位置。它们通过无线网络连接，第一个与传感器通信的接入点必须具有实时能力。

除了传感器之外，工厂内的机器还包含许多输入/输出 (I/O) 模块，例如连接到执行器的模块。在这种情况下，电厂工程师决定使用有线网络连接 I/O 模块和可编程逻辑控制器 (PLC)。

I/O 模块、执行器和 PLC 都实时工作，并且需要具有实时能力的通信桥来连接设备。 I/O 模块可能需要运行裸机代码的微控制器，而 PLC 和通信桥将使用运行实时操作系统的微处理器，例如 NXP 的实时边缘软件。

上游的 IT 系统收集统计数据，监控整个系统，并从摄像机传输视频数据。这些系统没有运行实时操作系统。同样，与 IT 系统之间的数据传输也不是实时发生的。

支持 OT 和 IT 的软件解决方案

除了网络方面，在单个处理器上合并 IT 和 OT 操作也是有益的。与用于时间关键任务的专用处理器和单独执行其他不太关键的操作的处理器相比，这样做将降低整体系统的复杂性和成本。实时操作系统在时间要求严格的应用中发挥着关键作用。

图 4。 恩智浦实时边缘软件的框图。图片由 NXP 提供

一些现有的软件解决方案允许工程师使用开源 Linux 构建安全、可扩展和可维护的时间关键型应用程序。凭借其实时边缘软件，恩智浦为需要确定性延迟和可预测抖动的应用程序提供安全可靠的实时环境。

典型应用包括工业控制、楼宇自动化、汽车控制、安全和信息娱乐系统等各个专业领域的连接设备。

总结

许多商业系统在与其他设备通信时需要精确的计时和确定的延迟。随着连接设备数量的增加，工程师正在寻找一种在单个网络上集成 OT 和 IT 流量的方法。 OT 流量通常需要可靠的实时网络基础设施，而 IT 数据通常需要高吞吐率。

恩智浦的实时软件创建的网络能够使用 TSN 以太网在单条线路上合并 OT 和 IT 流量。这样做可以降低网络的复杂性和总体成本。恩智浦还提供由三个主要构建块组成的实时边缘软件，每个构建块都支持实时通信的不同关键方面。