多核心技术填补了先进机器控制的空白

封面故事:随着机器包含更复杂的组件和软件，多核工业pc (ipc)提供了处理和核心隔离功能，以实现智能工厂和工业4.0的概念。某些应用程序需要多少个内核?

通过埃里克•莱纳 2020年1月13日

当多核心技术应用于工业机械时，工程师们产生了疑问。“你能用这些处理能力做什么?”有些人想知道。“你什么时候需要它?”其他人问。当时，在基于pc的自动化软件中运行可编程逻辑控制器(PLC)程序需要一个核心。例如，即使有HMI和一些额外的程序，具有双16核处理器的工业服务器也显得过多。有一些空白是为未来的其他项目设计的，但工程师们不确定如何填补这些空白，用什么来填补。然而，生产机械已经不再是以前的样子了。

自动化技术(AT)的不断进步，以及AT、操作技术(OT)和信息技术(IT)的更大融合，创造了更高效、更可靠和更复杂的机器。智能工厂和工业4.0概念所必需的数据采集和响应能力也导致了重大变化。

例如，曾经使用一些plc、步进电机和基本现场总线的系统，在运动控制方面获得了重大更新，包括机器人和机电线性传输系统(LTSs)、EtherCAT通信、机器视觉系统、带有语音命令的操作员界面(OIs)、移动人机界面(HMIs)以及最近的机器学习(ML)。这些技术，以及许多新兴技术，继续填补空白，并证明了今天多核心技术的集成。

plc和可编程自动化控制器(pac)没有跟上随之而来的大量数据涌入的步伐。由于需要“握手”才能使系统协同工作，多供应商分布式控制体系结构并不总是被证明是有效的。先进的机器需要先进的控制。基于pc的控制多年来已经证明了它的能力，但这些能力是通过引入多核cpu而增长的。

今天，多核工业pc (ipc)仍然满足大多数机器控制需求，但需求的快速增长和获得竞争优势的机会使探索多核升级和未来机器设计的选择有了令人信服的理由。

什么是多核ipc ?

多核和多核控制之间的关键区别不在于处理器核的数量，而在于实际的处理器结构。多核构建在高性能计算(HPC)原则之上，通过使用为更高的并行性和吞吐量而优化的嵌入式处理器。由于任务的空间布局，大规模的数据流并行处理可以降低任务并发完成的功耗。多核还依赖于增强的线程同步来解决大多数低端cpu中出现的数据瓶颈问题。

在大多数应用中，多核技术可以同时轻松地执行许多复杂的任务，只要与标准机器控制逻辑和高级功能的合适自动化软件配对即可。多核cpu的设计目的是将这种能力扩展到最繁重的应用程序，并具有同样高的可伸缩性和灵活性。因此，多核控制原理可以扩展到一系列设备，从配备四核处理器的DIN轨道安装嵌入式pc，到配备双20核英特尔至强板的工业服务器，甚至更多。无论规模大小，该技术的一个关键优势是使用基于pc的自动化软件进行核心隔离。

高级控制应用:多少核?

具有核心隔离的IPC软件允许工程师将特定的任务分配到软件中的单个核心或集群。处理器的内存相关性导致更快的处理时间，任务数据缓存在特定位置以获得更高的性能。苛刻的程序，如集成ML或Matlab/Simulink实时仿真，可以占用彼此相邻的多个核心，并同时运行类似的任务。

这对于先进的运动控制体系结构也是如此，例如LTSs和平面电机系统与悬浮移动，这需要专用的神经网络。复杂的分析和示波器软件也可能需要多核，特别是通过千兆以太网和10gbit /s通信速度可获得的数据量。

IPC的选择还取决于支持的任务和系统数量以及可用的核心，而不是最高时钟速度。持久性也是生产环境的一个关注点。对于生产环境，持久性也是一个问题。因此，重要的是要选择提供坚固外形的可伸缩产品的供应商。

在较低范围的多核控制器上，一些供应商提供基于pc的标准DIN轨道安装式控制器。例如，一些嵌入式pc提供4到12个2.2 GHz处理器，8到64 GB DDR4 RAM，工作温度范围为-25到50°C。在高端，一些工业服务器拥有6到20个核心的双处理器，时钟速率根据核心数量而变化。这些可以提供从240 GB SSD到4 TB的硬盘容量，1,024 GB DDR4 RAM和0到50°C的工作范围。在这些情况下，可伸缩性非常重要;当然，并不是每个应用程序都需要40个内核的处理能力，但一个合理的数字可能需要超过4个内核。

智能工厂的工作负载整合

集中式控制系统的好处可以通过多核ipc实现。多核机器控制器通过整合所有任务来创建多任务设备，同时限制硬件，最小化占用空间并提高整体性能。与以前的系统相比，这是一个很大的改进，以前的系统将进程划分在各种plc、运动控制器和网络pc之间，这造成了通信延迟。

虽然ipc也可以连接到云端，但它们的存储容量和在设备上运行大量程序的能力使控制器更加自给自足，使许多行业的制造商和机器制造商原始设备制造商(oem)受益。一些原始设备制造商可能会选择通过在多核设备上运行自己的专有软件来开发自己的知识产权，以处理先进的机器学习和人工智能(AI)。例如，如果制造商的机器处理挥发性化合物，他们可能也会对云保持警惕。即使没有互联网连接，工程师也可以访问一个更有效的平台来实现工业4.0和智能工厂的概念。

这些控制器使用的自动化软件对整体性能的提高和能力有着至关重要的影响。有了多核和多核架构，oem和制造商可以面对许多新的挑战，因为基于pc的控制器随着时间的推移不断发展和扩展功能。同样先进的软件应该经过测试并证明能够适应这些挑战。在选择系统时，工程师应确保软件和硬件显示多年的现场经验和专门用于多核控制的准备工作的结果。

当代机器架构所要求的处理能力让一些供应商措手不及。然而，许多先进的机器和系统显示了多核心技术的价值。

埃里克•莱纳IPC产品专家，Beckhoff自动化．由副主编克里斯·瓦夫拉编辑，控制工程， CFE媒体与技术，cvavra@cfemedia.com．