工業(yè)控制系統(tǒng)的全國產(chǎn)化,正在出現(xiàn)新突破。更重要的是,它立足于未來工廠,面向數(shù)據(jù)驅(qū)動的數(shù)字化車間。
基于龍芯中科3A5000芯片與國產(chǎn)編譯器,通過在指令集、代碼級的完美融合,一款響應(yīng)速度達到30微秒(0.03毫秒)的全國產(chǎn)化自主JIC PLC(可編程邏輯控制器)已經(jīng)在實際應(yīng)用中得到驗證。
除了完成常規(guī)功能,該控制器響應(yīng)速度甚至超過一些國外主流產(chǎn)品。當(dāng)前,國內(nèi)占優(yōu)勢地位的控制器主要是歐系、美系、日系三大流派,F(xiàn)在,中國工業(yè)控制產(chǎn)品也有了新的標(biāo)桿產(chǎn)品。這是信創(chuàng)在工業(yè)控制領(lǐng)域的重大突破。
該JIC PLC由深圳華龍訊達信息技術(shù)股份有限公司(以下簡稱“華龍訊達”)與龍芯中科技術(shù)股份有限公司(以下簡稱“龍芯中科”)聯(lián)合打造。
華龍訊達CEO龍小昂說:“30微秒的JIC PLC控制器,只是國產(chǎn)控制系統(tǒng)的一個新起點。”龍芯中科副總裁杜安利指出:“龍芯中科與華龍訊達的合作,目的是擺脫X86和ARM在工業(yè)控制系統(tǒng)最底層的‘卡脖子’難題。”
工業(yè)控制系統(tǒng)是智能制造、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵底層技術(shù),其自主創(chuàng)新與最新突破,對以智能制造為主攻方向的中國工業(yè)轉(zhuǎn)型意義重大。
一點彎路都沒走
PLC是工業(yè)控制系統(tǒng)的核心“組件”。工業(yè)控制系統(tǒng)是一個泛稱,由PLC、SCADA(數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng))、DCS(分布式控制系統(tǒng))、IPC(工業(yè)計算機)等組成。
全球工業(yè)革命從機械化到電子化、自動化,從自動化到信息化、數(shù)字化,逐漸形成了龐大復(fù)雜的工業(yè)控制系統(tǒng)生態(tài),推動著工業(yè)制造的螺旋式發(fā)展。
一條工業(yè)生產(chǎn)線,可以抽象為工業(yè)裝備與工業(yè)控制系統(tǒng),后者與工業(yè)裝備的融合,保證了生產(chǎn)的自動化、柔性化。隨著工業(yè)生產(chǎn)向人機協(xié)同發(fā)展,要求從工業(yè)控制系統(tǒng)、各信息系統(tǒng)中共享數(shù)據(jù)并發(fā)揮數(shù)據(jù)價值,以實現(xiàn)數(shù)字化、智能化的數(shù)字化工廠。
生產(chǎn)是工業(yè)企業(yè)的本質(zhì)。工業(yè)控制系統(tǒng)是數(shù)字化轉(zhuǎn)型的底座,而這個底座牢牢掌握在國外企業(yè)“手中”。
長期以來,從芯片到操作系統(tǒng)再到應(yīng)用,信息技術(shù)形成了Wintel(Windows+Intel)和AA(ARM+Android)兩大生態(tài)。
在工業(yè)控制系統(tǒng)領(lǐng)域,則形成了四層嵌套結(jié)構(gòu),第一層是芯片,主要是英特爾、ARM。第二層是操作系統(tǒng),主要是Windows、VxWorks。第三層是軟件編譯器。第四層是控制器。
目前,全球工業(yè)控制系統(tǒng)基本都基于X86、ARM架構(gòu)。而國內(nèi)工控系統(tǒng)機器端,90%以上都采用了國外芯片。
這是工業(yè)控制系統(tǒng)最底層的“卡脖子”技術(shù),也是PLC信創(chuàng)最需要“攻克”的目標(biāo)。而“華龍訊達和龍芯中科的合作成果,基本上解決了這個問題”。
這是一種基于供應(yīng)鏈的聯(lián)合創(chuàng)新。從三年前開始探討聯(lián)合打造新型工業(yè)控制系統(tǒng)開始,華龍訊達與龍芯中科的團隊進行了深度的嵌合,組成聯(lián)合攻關(guān)組。龍芯開放了底層的芯片指令集,而華龍訊達則將其融合在高速高動態(tài)響應(yīng)的各種工業(yè)場景。
這種開放指令集的動作,對于行業(yè)占主導(dǎo)地位的Intel或者ARM芯片,是根本不可能的。而現(xiàn)在,有了芯片、控制器和用戶的三方信任和聯(lián)動,控制器的進展速度就很快。
2021年,龍芯中科推出具有100%自研LoongArch指令集的3A5000芯片,就已經(jīng)考慮到很多工業(yè)應(yīng)用的場合。其跟華龍訊達的控制器構(gòu)成了原生態(tài)的匹配。2022年11月,華龍訊達成功研制出基于龍芯的中大型JIC PLC。
“將芯片直接嵌入到場景中進行打磨,可以說是一點彎路都沒走。”杜安利說。
這只是雙方合作的階段性成果。隨著不久前龍芯3D5000的發(fā)布,以及未來龍芯系列化產(chǎn)品的迭代,下一步,雙方將共同開發(fā)更快的工控系統(tǒng)。
中國的控制器系統(tǒng),第一次開始基于自主芯片版本迭代進行同步更新。
為什么是華龍訊達
工業(yè)控制系統(tǒng)的核心技術(shù)有四大版塊:芯片技術(shù)、操作系統(tǒng)技術(shù)、編譯器技術(shù)和控制器技術(shù),構(gòu)成了國產(chǎn)化的巨大鴻溝。
工業(yè)控制市場西門子、歐姆龍等PLC,往往都是基于傳統(tǒng)指令的全封閉結(jié)構(gòu)。
德國倍福在15年前推出微秒級IPC,是西門子毫秒級的幾十倍,F(xiàn)在,盡管倍福在全球風(fēng)電市場、煙草市場“獨領(lǐng)風(fēng)騷”,但從全行業(yè)看,倍福的市場占有率是“頂流”的零頭。
華龍訊達和龍芯中科成功推出完全自主的微秒級PLC,是因為基于新的技術(shù)架構(gòu)的升級:一是龍芯自主LoongArch指令集和基礎(chǔ)操作系統(tǒng),二是華龍訊達多年對于控制器架構(gòu)的深度研發(fā)。
對PLC信創(chuàng)而言,從0到1尤其珍貴。這意味著華龍訊達由此成為工業(yè)控制系統(tǒng)的“攪局者”。
但是,為什么是華龍訊達?
華龍訊達成立于2003年,從成立之日起就聚焦于工業(yè)控制系統(tǒng)的升級、改造、迭代。一直在幕后。
早在2011年,華龍訊達就已經(jīng)研發(fā)出基于英特爾的編譯器,以及推出了國內(nèi)第一款基于英特爾芯片的PLC,并在機臺上得到十幾年實際應(yīng)用,積累了豐富的控制經(jīng)驗。
與此同時,2004年公司開始做數(shù)據(jù)采集,也就是從控制系統(tǒng)中拿數(shù)據(jù),相繼,做了物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字孿生,從而打通工業(yè)網(wǎng)關(guān),實現(xiàn)數(shù)據(jù)互聯(lián)互通與數(shù)據(jù)應(yīng)用。2017年,開始研發(fā)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺。從底層到云端,從硬件到軟件,打通云、邊、端。
二十多年來,華龍訊達圍繞頂級的國外PLC產(chǎn)品進行電氣配套與升級工作,對國際各種PLC的內(nèi)部架構(gòu)和電氣電子實現(xiàn)方式了如指掌。通過吃透這些工控產(chǎn)品的各種參數(shù),發(fā)展出“深井打水”的獨特競爭力,在數(shù)據(jù)采集、數(shù)字孿生等技術(shù)在國內(nèi)拔得頭籌,得到廣泛應(yīng)用。
今天,公司的主營業(yè)務(wù)收入中,工業(yè)控制占50%以上,包括新機內(nèi)置、系統(tǒng)升級等。
2020年,公司做出一個重大決定, 將內(nèi)部使用的控制系統(tǒng),對外開放出來,并且跟工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺相結(jié)合。從內(nèi)部產(chǎn)品化,到外部商業(yè)化。跟國產(chǎn)芯片合作,打造全國產(chǎn)化的控制系統(tǒng),則水到渠成,從而可以徹底解放數(shù)據(jù)生產(chǎn)力。
控制才是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的底盤
隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的深入,企業(yè)的需求正在發(fā)生全新變化。企業(yè)不再滿足諸多控制系統(tǒng)、人機界面之間的頻繁切換——這形成了很多孤島。在產(chǎn)線機器上,多層系統(tǒng)、多層協(xié)議導(dǎo)致數(shù)據(jù)流動非常不暢,無法形成有效的數(shù)據(jù)驅(qū)動和決策。
華龍訊達希望能夠?qū)崿F(xiàn)一個工業(yè)控制級的自動化平臺。它將PLC、物聯(lián)網(wǎng)、傳感器、工業(yè)網(wǎng)關(guān)等物理資產(chǎn)進行打通,實現(xiàn)監(jiān)控軟件SCADA、人機界面HMI等軟件的無縫切換。這意味著底層的控制系統(tǒng),可以直接跟整個機器的軟件環(huán)境連接在一起。
在這個過程中,把工業(yè)控制與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺、數(shù)字孿生打通。而控制系統(tǒng)是最為核心的底層技術(shù)。
當(dāng)工業(yè)控制的指令集和數(shù)字孿生打通后,數(shù)字孿生的每個動作、每個防控、每個開關(guān)、每個傳感器等每一個指標(biāo),都將是由控制節(jié)點進行實時驅(qū)動。圍繞著過程優(yōu)化的實時動態(tài)數(shù)字孿生,將發(fā)揮洞察機器“黑洞”的能力。
也只有將控制系統(tǒng)與數(shù)字孿生真正打通,數(shù)字孿生才開始具備采用“活數(shù)據(jù)”支撐實時決策的能力。
華龍訊達的自動化平臺,是將各種軟件系統(tǒng)進行原生的融合。在底層,龍芯指令集與華龍訊達工業(yè)控制系統(tǒng)指令集進行融合與匯編;诖,在控制器進行編譯的時候,才可以實現(xiàn)原生的HMI和SCADA,實現(xiàn)各個機臺之間無差別的交互操作。
龍小昂認為,工業(yè)控制才是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的核心能力。而工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的實施往往費時費力,難點在于OT與IT的融合,在于控制系統(tǒng)如何與其他數(shù)據(jù)進行同步分析與處理。芯片級的指令交互,是整個工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)大廈的根基。
新的工業(yè)自動化平臺,可以實現(xiàn)平臺級的編譯器。這是基于控制器的IT和OT融合的平臺。它可以實現(xiàn)每個傳感器、每個工位,以及每個設(shè)備、生產(chǎn)線、車間、工廠的真正連接。通過平臺,向上,可以與ERP、MES、物流、WMS等整個信息系統(tǒng)對話,向下,可以和機器對話。
這些,都得益于華龍訊達和龍芯的合作,實現(xiàn)了控制系統(tǒng)的向上夠頂、向下扎根的全棧式連通。
生態(tài)遷移之戰(zhàn)
中國信創(chuàng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,很多時候就是生態(tài)之戰(zhàn),而非單點技術(shù)的突破。龍芯已經(jīng)將芯片做的很扎實,而在自動化控制系統(tǒng)領(lǐng)域,則需要有一個完整的生態(tài)支撐。
以前的工業(yè)控制系統(tǒng),由于底層系統(tǒng)由國外廠商壟斷,不會開放源代碼,因此非常封閉。如果沒有源代碼,要實現(xiàn)架構(gòu)遷移很困難。這使得國內(nèi)大量的生態(tài),不得不根植在既有的壟斷格局之上。
龍芯中科是國產(chǎn)自主CPU的引領(lǐng)者,已形成大、中、小三條處理器產(chǎn)品線,分別是1、2、3號系列。性能由低到高,可以廣泛用在工業(yè)控制系統(tǒng)上。龍芯1號系列芯片可以做邊緣層的數(shù)據(jù)采集和傳輸工作。2號可以做控制器、網(wǎng)關(guān)等,而3號則適合工業(yè)計算機/服務(wù)器、工業(yè)云的應(yīng)用。
可以說,龍芯已經(jīng)搭建一個很好的底層基礎(chǔ),但向上“生產(chǎn)”,則還需要更多的“主干”。對此,華龍訊達提供了很大的支撐。龍芯中科副總裁杜安利對此表示,“華龍訊達的控制系統(tǒng)線非常全面。我很少見到國內(nèi)企業(yè)能夠在工業(yè)控制領(lǐng)域把編譯器做得這么深的同時,又能將控制軟件、數(shù)字孿生、標(biāo)識解析等全部打通的企業(yè)。”
現(xiàn)在,基于龍芯完全自主、國產(chǎn)的指令系統(tǒng)、CPU、操作系統(tǒng),華龍訊達可以跟龍芯一起,跟很多工業(yè)合作伙伴打造真正的自主的工業(yè)解決方案。這為中國自動化新生態(tài)的建設(shè),提供了主干支撐的能力。
企業(yè)可以直接調(diào)用龍芯的指令系統(tǒng),基于國產(chǎn)的軟硬件技術(shù),建設(shè)面向未來數(shù)字工廠的各種應(yīng)用。國產(chǎn)工業(yè)軟件開發(fā)商的軟件應(yīng)用,完全可以在龍芯平臺上進行遷移。從車間最底層,到管理最上層,都可以形成全面連通的解決方案。
2022年12月,中國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)研究院、龍芯中科、華龍訊達舉行“新型工業(yè)控制系統(tǒng)聯(lián)合實驗室”簽約儀式。實驗室未來將在新型工業(yè)控制系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、體系、架構(gòu)等層面不斷迭代。這意味著,新型工業(yè)控制系統(tǒng),可以向更多工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺進行賦能。
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展已經(jīng)進入深水區(qū),新型控制系統(tǒng)的攻堅將成為一個重點。華龍訊達和龍芯,提供了一條控制級里的OT和IT的融合之路,未來有望建立一個全國產(chǎn)自動化生態(tài)系統(tǒng)。這會有力推動中國自動化的國產(chǎn)化進程,助力建設(shè)數(shù)據(jù)驅(qū)動、高效運轉(zhuǎn)的數(shù)字工廠。(馬永和)