3月15日，在慕尼黑上海電子展國際嵌入式系統(tǒng)創(chuàng)新論壇上，瑞薩電子中國負責工業(yè)業(yè)務的譚紹鵬部長演講了構建新一代的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)。

如何實施工業(yè)4.0的解決方案

首先我們回顧一下工業(yè)革命的歷程。

第四次工業(yè)革命并非一個顛覆性的革命，它只是基于第三次工業(yè)革命的基礎上進行的技術創(chuàng)新。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)或者工業(yè)4.0是一個完美風暴，它是專注于在資源上結(jié)合可持續(xù)性或減少浪費的技術。工業(yè)4.0作為一個價值鏈的組織使用基礎和概念集中的名詞，最早是出現(xiàn)在德國政府提出的《第四次工業(yè)革命高科技戰(zhàn)略計劃》。隨后美國提出的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，中國提出了《中國制造2025》，實際上這些概念是一樣的，是建立在一個原有自動化基礎上做一些改良或者優(yōu)化的措施，并非是顛覆性革命。

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)讓我們可以對機器、計算機、人進行定位，把各種業(yè)務轉(zhuǎn)化所得到的一些數(shù)據(jù)進行一些分析，實現(xiàn)一些智能化的工業(yè)操作。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)實質(zhì)是物聯(lián)網(wǎng)當中最大最重要的組成部分。

工業(yè)4.0工廠構想

要實現(xiàn)我們所謂的智慧工廠或者數(shù)字工廠，首先必須是傳感器實現(xiàn)自動化，以前傳感器只進行數(shù)據(jù)的傳輸，以后將更注重傳感器資產(chǎn)的管理運營，從而防止一些意外的停機，提高生產(chǎn)率。

實時分析最重要的目的是優(yōu)化整個工廠的吞吐量。因為工業(yè)4.0面向的是物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)，它有大量的數(shù)據(jù)需要處理，如何優(yōu)化這些數(shù)據(jù)并減少浪費？首先要構建整個硬件和操作系統(tǒng)可以通用的實時操作系統(tǒng)，特殊的工業(yè)組件會被一些標準化實時的以太網(wǎng)組件或者協(xié)議取代。

另一個熱門的是虛擬制造，如何使用工廠的一些虛擬工具建造自己的一個虛擬的環(huán)境，整個運營、產(chǎn)品開發(fā)到制造后面的生產(chǎn)，整個建模，是非常重要的。

還有一個最關鍵的部分，物理網(wǎng)絡系統(tǒng)。它解決的問題是人工與機器人之間如何協(xié)同工作，使生產(chǎn)單元和虛擬單元更加便利。這一部分是工業(yè)4.0很重要的一個環(huán)節(jié)，它把每個智能制造體系當中的每個小腦或神經(jīng)系統(tǒng)里面的節(jié)點，甚至具有信息加工的二元屬性的一些屬性單元結(jié)合起來，這些信息屬性包括了網(wǎng)絡通訊、計算還有一些數(shù)據(jù)分析。所以，在建設信息物理系統(tǒng)的時候，每個單元當中的通訊、計算跟分析都要具備，這些單元著重于如何把物理世界的一些東西進行虛擬化或者信息化，這也是實現(xiàn)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)或者工業(yè)4.0很重要的一個組成部分。

整個工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)會對整個制造行業(yè)產(chǎn)生高達1.2萬億美元的經(jīng)濟利益影響。

建立物聯(lián)網(wǎng)工廠要具備什么要素

人、資產(chǎn)和工藝之間的無縫操作

通過技術增強傳感器與機器之間的反饋

自主的“自我意識”

可配置的、可定制的

連接

實時域、非實時域

有線和云組件

安全和保障

本身固有的安全性

用戶身份驗證與上下文感知安全

智能化分析

描述性、預測性和規(guī)范性分析

在每個工廠層面進行調(diào)節(jié)

數(shù)據(jù)管理

可重復使用、可擴展的數(shù)據(jù)模型

何為“智能信息”——最常被引用的是環(huán)境信息（如位置和時間）

傳統(tǒng)工業(yè)企業(yè)如何擴展邁向工業(yè)4.0

整個傳統(tǒng)業(yè)務的價值鏈從最底層開始，瑞薩電子就類似于最底層的芯片級、半導體廠商，往上是一些中間電子提供商，再往上就是一些嵌入式軟硬件提供商、OEM廠商、系統(tǒng)集成商、設備提供商，最后是企業(yè)服務者。舉個例子，比方說現(xiàn)在的OEM廠商要連入工業(yè)4.0的話需要接入類似于云服務、軟件分析服務。半導體廠商要集成更多的安全性或?qū)?a target="_blank">通信安全協(xié)議集成到新硬件里面去。另外系統(tǒng)集成商不僅僅提供了軟硬件的集合，同時也提供了一些軟件級服務，比如SaaS。所以，整個產(chǎn)業(yè)鏈可以看到不同決策級的玩家或者生態(tài)鏈里面的伙伴，由于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)要素的改變導致整條產(chǎn)業(yè)鏈會向上或者向下進行一個延伸，這是非常關鍵的一個價值鏈。

IT/OT 困境-復雜的網(wǎng)絡層

目前縱觀整個系統(tǒng)架構，一個工廠從不同層面來看可以分成企業(yè)層面，控制層面和現(xiàn)場層面?，F(xiàn)場層面很簡單理解，是各種不同的傳感器，不同的數(shù)據(jù)模塊?？刂茖用姘?a href="http://m.makelele.cn/v/tag/323/" target="_blank">PLC、機器的主控部分、IO卡等等，企業(yè)層面上面比方說企業(yè)的ERP、CRM管理等等。把它劃分成兩個區(qū)域，一個叫IT域，一個叫OT域。IT域傳統(tǒng)叫做企業(yè)信息技術網(wǎng)，OT域主要是運營層面的技術，這是兩個不同層面的領域。

在 IT端主要是基于一些傳統(tǒng)的以太網(wǎng)的工作原理，比方說使用了CSMA監(jiān)聽多路訪問或沖突的技術，它使用的是雙導線、UPP線進行組網(wǎng)；再比如標準的以太網(wǎng)4兆，快速的100兆或千兆等等，這都是符合傳統(tǒng)的以太網(wǎng)，它遵循的是QoS的優(yōu)先機制進行轉(zhuǎn)化。在一個數(shù)據(jù)里面一部分數(shù)據(jù)端肯定會被丟棄掉，所以在 IT域中有一個不成文的規(guī)定就是如果帶寬占用率超過40%的時候，就需要選擇拓寬，因為帶寬嚴重不足的情況下會導致?lián)矶隆Ｔ贠T端我們強調(diào)的是信息或訊息的及時性，叫做實時性。這里面包括警示、事件告知、狀態(tài)檢測、電力狀況、判斷干擾等等，這些數(shù)據(jù)如何讓OT端的人員能夠及時解決問題或提前進行維護，減少宕機，這非常關鍵。所以，我們要做的是，如何透過IT端與OT端的融合來找到一種最優(yōu)的自動化平臺來實現(xiàn)自動化，然后落實數(shù)字轉(zhuǎn)型和一些智能制造，這些業(yè)務可以實現(xiàn)可視化生產(chǎn)，來保證整個產(chǎn)線的能耗降低、效率提高。

開始實施工業(yè)4.0策略的注意事項

選擇符合您應用需求的云平臺

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用

什么叫邊緣網(wǎng)關？邊緣網(wǎng)關是一個接入網(wǎng)關，它的目的是快速增加遠程或者移動用戶一些安全遠程的連接接入，不同設備傳感器的搜集、加密分析數(shù)據(jù)、全部數(shù)據(jù)集中然后發(fā)送到云端到控制器、服務器進行后端的數(shù)據(jù)分析，它是一個數(shù)據(jù)的接入層。邊緣網(wǎng)關是以IT為中心的，雖然所有的數(shù)據(jù)會經(jīng)過它來進行生成，但它并不能做出一個很實時性的決策，原因在于它的響應時間到云至少是在毫秒級別，可能是25毫秒到50毫秒之間，這樣使用云計算會產(chǎn)生一個很嚴重的延遲。比如工業(yè)系統(tǒng)里面的一些檢測、控制或者執(zhí)行命令的要求時限很高，部分產(chǎn)品要求在10毫秒以內(nèi)，因而20毫秒或以上延遲都是完全不可接受的。另外，它對于一些趨勢數(shù)據(jù)分析、非實時性的數(shù)據(jù)推算反應，都是無法實現(xiàn)的。

在云端分析的時候有一個叫做受限的粒度計算，粒度計算是一種方法論，是人工智能里面研究的一個方向。由于人類本身認知的能力是有限的，人類在處理大量信息的時候會把大量復雜信息按照不同特性進行一些劃分，劃分成簡單的塊，然后這些塊就會當成一個粒，所以在云端會用到“?！钡母拍?。

瑞薩電子提出如何將OT域運營技術這一端的數(shù)據(jù)以及我們常說的信息技術這一塊的域融通起來，這里面包括了我們在工業(yè)領域常用到的一些工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)都是實時性數(shù)據(jù)，或者周期性、過程性的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)如何實時傳輸?shù)?a href="http://m.makelele.cn/tags/iot/" target="_blank">IOT的網(wǎng)關，讓物聯(lián)網(wǎng)的協(xié)議進行云端的分析。如何實現(xiàn)這個實時數(shù)據(jù)與指令控制相互反應交互，也是至關重要的。

RZ/N系列 — 實現(xiàn)工業(yè)網(wǎng)絡互通并橋接IT/OT 網(wǎng)絡

瑞薩電子提出了基于RZ/N的芯片，它是一個事先打通并橋接了兩塊域的解決方案，具備多協(xié)議工業(yè)以太網(wǎng)絡和智能控制，提供了五端口的千兆位交換機，另外還具備一個安全的網(wǎng)絡保障。智能控制會有一個內(nèi)核，單核或者雙核的ARM Cortex A7處理器，再加一個M3硬件實時操作系統(tǒng)的網(wǎng)絡引擎。

再介紹一下冗余網(wǎng)絡。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)如何保障安全性？除了我們提供很多不同的拓撲，還構建了一個叫HSR的環(huán)形冗余特性，這是可以真正實現(xiàn)零秒的網(wǎng)絡冗余，它避免了網(wǎng)絡通訊當中的數(shù)據(jù)丟包，或者說真正實現(xiàn)了零切換。這個協(xié)議HSR/PRP已內(nèi)置在里面。

下面是內(nèi)部芯片的系統(tǒng)框圖，在應用層端有Cortex A7，這里面主要包括一些工業(yè)應用控制等等。右邊是一些以太網(wǎng)的實時通訊，有一個硬件操作系統(tǒng)，它可以處理多重網(wǎng)絡的冗余。

內(nèi)建高效的任務切換硬件RTOS系統(tǒng)

瑞薩電子的解決方案內(nèi)嵌了一個RTOS系統(tǒng)，如下圖。可以看到整個效率下降對比于軟件操作系統(tǒng)會有更大的優(yōu)勢。硬實時系統(tǒng)是一個剛性的，不可改變的時間限制，它不允許任何超出時限的錯誤，超過時限的錯誤會帶來整個系統(tǒng)的失敗，所以我們叫硬實時系統(tǒng)，它區(qū)分于分時操作系統(tǒng)。分時操作系統(tǒng)會將資源平均分配，但為什么用硬實時系統(tǒng)？因為強調(diào)實時性。用軟實時系統(tǒng)行不行？軟實時是一個柔性靈活的實時系統(tǒng)，它可以容忍偶然的超時錯誤跟失敗，并不會導致嚴重的后果。

如何做到整個工業(yè)協(xié)議與芯片系統(tǒng)的靈活操作

瑞薩電子定義了一個協(xié)議的抽象層，這個協(xié)議的抽象層可以將各種不同的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議進行無縫切換。我們可以看到所有不同生態(tài)的主要協(xié)議棧都在這里面，然后綠色部分是瑞薩電子已經(jīng)做的一些軟件，它可以讓這些不同部分的協(xié)議通過我們網(wǎng)絡硬件的引擎進行故障的切換。再向大家介紹一下IO-Link的工業(yè)現(xiàn)場主線，這是非常重要的一個開放式的標準創(chuàng)新通信協(xié)議，它支持各種IO-Link的傳感器。可以把IO-Link通信理解成是傳感器領域的USB，非常易于使用和裝配。所以，在展望工業(yè)4.0的時候，最關鍵的一點就是如何讓傳感器變得更加智能化，IO-Link通訊就是實現(xiàn)它最完美的一個方式。

如何在使用以太網(wǎng)控制器跟總線進行一些交換數(shù)據(jù)，可以看到我們有一個內(nèi)部的網(wǎng)絡組織，在芯片內(nèi)部實現(xiàn)的，所有應用層的數(shù)據(jù)通過這些總線與網(wǎng)絡控制單元進行不同的一些數(shù)據(jù)交換。這個速度會非?？?，比外圍的數(shù)據(jù)交換快很多。

為此，我們提出一個解決方案，在OT端接入了一個實時工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)關，這個網(wǎng)關同時可以實現(xiàn)傳統(tǒng)工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，也同時可以兼顧實時數(shù)據(jù)在工業(yè)領域的一些控制，包括機械手、傳感器等等，將本地的數(shù)據(jù)跟云端的數(shù)據(jù)進行分析，也打通了整個IT域跟OT域的融通關系。

除了動態(tài)工業(yè)自動化以外，這個方案還可以關聯(lián)到其他的一些領域，比方說一些關鍵的基礎設施。從另一個角度來說，這個方案里面有很多工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議的切換，如果用到不同行業(yè)，它也有一些行業(yè)不同協(xié)議的切換。例如，樓宇自動化里面樓宇的網(wǎng)絡協(xié)議，如何讓樓宇網(wǎng)絡協(xié)議接入物聯(lián)網(wǎng)，這個平臺也可以達成。所有協(xié)議都是軟件，只是怎么把這個軟件固化到我們芯片本身。當然，包括醫(yī)療設備的自動化，還有物聯(lián)網(wǎng)的一些解決方案。所以，它的應用范圍不僅僅局限在工業(yè)網(wǎng)絡智能化。