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信创新突破 最快国产芯的自动化控制系统引领未来数字化工厂

放大字体  缩小字体 发布日期:2023-05-04     来源:中国工业新闻网     浏览次数:3315
 信创新突破 最快国产芯的自动化控制系统引领未来数字化工厂

 

工业控制系统的全国产化,正在出现新突破。更重要的是,它立足于未来工厂,面向数据驱动的数字化车间。

基于龙芯中科3A5000芯片与国产编译器,通过在指令集、代码级的完美融合,一款响应速度达到30微秒(0.03毫秒)的全国产化自主JIC PLC(可编程逻辑控制器)已经在实际应用中得到验证。

除了完成常规功能,该控制器响应速度甚至超过一些国外主流产品。当前,国内占优势地位的控制器主要是欧系、美系、日系三大流派。现在,中国工业控制产品也有了新的标杆产品。这是信创在工业控制领域的重大突破。

该JIC PLC由深圳华龙讯达信息技术股份有限公司(以下简称“华龙讯达”)与龙芯中科技术股份有限公司(以下简称“龙芯中科”)联合打造。

华龙讯达CEO龙小昂说:“30微秒的JIC PLC控制器,只是国产控制系统的一个新起点。”龙芯中科副总裁杜安利指出:“龙芯中科与华龙讯达的合作,目的是摆脱X86和ARM在工业控制系统最底层的‘卡脖子’难题。”

工业控制系统是智能制造、工业互联网关键底层技术,其自主创新与最新突破,对以智能制造为主攻方向的中国工业转型意义重大。

一点弯路都没走

PLC是工业控制系统的核心“组件”。工业控制系统是一个泛称,由PLC、SCADA(数据采集与监控系统)、DCS(分布式控制系统)、IPC(工业计算机)等组成。

全球工业革命从机械化到电子化、自动化,从自动化到信息化、数字化,逐渐形成了庞大复杂的工业控制系统生态,推动着工业制造的螺旋式发展。

一条工业生产线,可以抽象为工业装备与工业控制系统,后者与工业装备的融合,保证了生产的自动化、柔性化。随着工业生产向人机协同发展,要求从工业控制系统、各信息系统中共享数据并发挥数据价值,以实现数字化、智能化的数字化工厂。

生产是工业企业的本质。工业控制系统是数字化转型的底座,而这个底座牢牢掌握在国外企业“手中”。

长期以来,从芯片到操作系统再到应用,信息技术形成了Wintel(Windows+Intel)和AA(ARM+Android)两大生态。

在工业控制系统领域,则形成了四层嵌套结构,第一层是芯片,主要是英特尔、ARM。第二层是操作系统,主要是Windows、VxWorks。第三层是软件编译器。第四层是控制器。

目前,全球工业控制系统基本都基于X86、ARM架构。而国内工控系统机器端,90%以上都采用了国外芯片。

这是工业控制系统最底层的“卡脖子”技术,也是PLC信创最需要“攻克”的目标。而“华龙讯达和龙芯中科的合作成果,基本上解决了这个问题”。

这是一种基于供应链的联合创新。从三年前开始探讨联合打造新型工业控制系统开始,华龙讯达与龙芯中科的团队进行了深度的嵌合,组成联合攻关组。龙芯开放了底层的芯片指令集,而华龙讯达则将其融合在高速高动态响应的各种工业场景。

这种开放指令集的动作,对于行业占主导地位的Intel或者ARM芯片,是根本不可能的。而现在,有了芯片、控制器和用户的三方信任和联动,控制器的进展速度就很快。

2021年,龙芯中科推出具有100%自研LoongArch指令集的3A5000芯片,就已经考虑到很多工业应用的场合。其跟华龙讯达的控制器构成了原生态的匹配。2022年11月,华龙讯达成功研制出基于龙芯的中大型JIC PLC。

“将芯片直接嵌入到场景中进行打磨,可以说是一点弯路都没走。”杜安利说。


 

这只是双方合作的阶段性成果。随着不久前龙芯3D5000的发布,以及未来龙芯系列化产品的迭代,下一步,双方将共同开发更快的工控系统。

中国的控制器系统,第一次开始基于自主芯片版本迭代进行同步更新。

为什么是华龙讯达

工业控制系统的核心技术有四大版块:芯片技术、操作系统技术、编译器技术和控制器技术,构成了国产化的巨大鸿沟。

工业控制市场西门子、欧姆龙等PLC,往往都是基于传统指令的全封闭结构。

德国倍福在15年前推出微秒级IPC,是西门子毫秒级的几十倍。现在,尽管倍福在全球风电市场、烟草市场“独领风骚”,但从全行业看,倍福的市场占有率是“顶流”的零头。

华龙讯达和龙芯中科成功推出完全自主的微秒级PLC,是因为基于新的技术架构的升级:一是龙芯自主LoongArch指令集和基础操作系统,二是华龙讯达多年对于控制器架构的深度研发。

对PLC信创而言,从0到1尤其珍贵。这意味着华龙讯达由此成为工业控制系统的“搅局者”。

但是,为什么是华龙讯达?

华龙讯达成立于2003年,从成立之日起就聚焦于工业控制系统的升级、改造、迭代。一直在幕后。

早在2011年,华龙讯达就已经研发出基于英特尔的编译器,以及推出了国内第一款基于英特尔芯片的PLC,并在机台上得到十几年实际应用,积累了丰富的控制经验。

与此同时,2004年公司开始做数据采集,也就是从控制系统中拿数据,相继,做了物联网、数字孪生,从而打通工业网关,实现数据互联互通与数据应用。2017年,开始研发工业互联网平台。从底层到云端,从硬件到软件,打通云、边、端。

二十多年来,华龙讯达围绕顶级的国外PLC产品进行电气配套与升级工作,对国际各种PLC的内部架构和电气电子实现方式了如指掌。通过吃透这些工控产品的各种参数,发展出“深井打水”的独特竞争力,在数据采集、数字孪生等技术在国内拔得头筹,得到广泛应用。

今天,公司的主营业务收入中,工业控制占50%以上,包括新机内置、系统升级等。

2020年,公司做出一个重大决定, 将内部使用的控制系统,对外开放出来,并且跟工业互联网平台相结合。从内部产品化,到外部商业化。跟国产芯片合作,打造全国产化的控制系统,则水到渠成,从而可以彻底解放数据生产力。

控制才是工业互联网的底盘

随着工业互联网应用的深入,企业的需求正在发生全新变化。企业不再满足诸多控制系统、人机界面之间的频繁切换——这形成了很多孤岛。在产线机器上,多层系统、多层协议导致数据流动非常不畅,无法形成有效的数据驱动和决策。

华龙讯达希望能够实现一个工业控制级的自动化平台。它将PLC、物联网、传感器、工业网关等物理资产进行打通,实现监控软件SCADA、人机界面HMI等软件的无缝切换。这意味着底层的控制系统,可以直接跟整个机器的软件环境连接在一起。

在这个过程中,把工业控制与工业互联网平台、数字孪生打通。而控制系统是最为核心的底层技术。

当工业控制的指令集和数字孪生打通后,数字孪生的每个动作、每个防控、每个开关、每个传感器等每一个指标,都将是由控制节点进行实时驱动。围绕着过程优化的实时动态数字孪生,将发挥洞察机器“黑洞”的能力。

也只有将控制系统与数字孪生真正打通,数字孪生才开始具备采用“活数据”支撑实时决策的能力。

 

华龙讯达的自动化平台,是将各种软件系统进行原生的融合。在底层,龙芯指令集与华龙讯达工业控制系统指令集进行融合与汇编。基于此,在控制器进行编译的时候,才可以实现原生的HMI和SCADA,实现各个机台之间无差别的交互操作。

龙小昂认为,工业控制才是工业互联网平台的核心能力。而工业互联网平台的实施往往费时费力,难点在于OT与IT的融合,在于控制系统如何与其他数据进行同步分析与处理。芯片级的指令交互,是整个工业互联网大厦的根基。

新的工业自动化平台,可以实现平台级的编译器。这是基于控制器的IT和OT融合的平台。它可以实现每个传感器、每个工位,以及每个设备、生产线、车间、工厂的真正连接。通过平台,向上,可以与ERP、MES、物流、WMS等整个信息系统对话,向下,可以和机器对话。

这些,都得益于华龙讯达和龙芯的合作,实现了控制系统的向上够顶、向下扎根的全栈式连通。

生态迁移之战

中国信创产业的发展,很多时候就是生态之战,而非单点技术的突破。龙芯已经将芯片做的很扎实,而在自动化控制系统领域,则需要有一个完整的生态支撑。

以前的工业控制系统,由于底层系统由国外厂商垄断,不会开放源代码,因此非常封闭。如果没有源代码,要实现架构迁移很困难。这使得国内大量的生态,不得不根植在既有的垄断格局之上。

龙芯中科是国产自主CPU的引领者,已形成大、中、小三条处理器产品线,分别是1、2、3号系列。性能由低到高,可以广泛用在工业控制系统上。龙芯1号系列芯片可以做边缘层的数据采集和传输工作。2号可以做控制器、网关等,而3号则适合工业计算机/服务器、工业云的应用。

可以说,龙芯已经搭建一个很好的底层基础,但向上“生产”,则还需要更多的“主干”。对此,华龙讯达提供了很大的支撑。龙芯中科副总裁杜安利对此表示,“华龙讯达的控制系统线非常全面。我很少见到国内企业能够在工业控制领域把编译器做得这么深的同时,又能将控制软件、数字孪生、标识解析等全部打通的企业。”

现在,基于龙芯完全自主、国产的指令系统、CPU、操作系统,华龙讯达可以跟龙芯一起,跟很多工业合作伙伴打造真正的自主的工业解决方案。这为中国自动化新生态的建设,提供了主干支撑的能力。

企业可以直接调用龙芯的指令系统,基于国产的软硬件技术,建设面向未来数字工厂的各种应用。国产工业软件开发商的软件应用,完全可以在龙芯平台上进行迁移。从车间最底层,到管理最上层,都可以形成全面连通的解决方案。

2022年12月,中国工业互联网研究院、龙芯中科、华龙讯达举行“新型工业控制系统联合实验室”签约仪式。实验室未来将在新型工业控制系统的标准、规范、体系、架构等层面不断迭代。这意味着,新型工业控制系统,可以向更多工业互联网平台进行赋能。

工业互联网发展已经进入深水区,新型控制系统的攻坚将成为一个重点。华龙讯达和龙芯,提供了一条控制级里的OT和IT的融合之路,未来有望建立一个全国产自动化生态系统。这会有力推动中国自动化的国产化进程,助力建设数据驱动、高效运转的数字工厂。(马永和)

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