众核控制原理在工业机器中的应用：倍福CX2042嵌入式控制器与智能工厂的未来

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多核控制原理可以扩展到安装在 DIN 导轨上的机器控制器，例如  的嵌入式控制器。本文图片来源：

作者 |埃里克

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随着机器包含越来越复杂的组件和软件，众核IPC（工业计算机）提供强大的处理能力和核心隔离能力，以实现智能工厂和工业4.0概念。

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当多核技术可用于工业机器时，工程师们将会产生疑问。有些人还想知道“所有这些处理能力可以做什么”。其他人会想知道什么时候需要多核处理。在基于 PC 的自动化软件中运行可编程逻辑控制器 (PLC) 程序的时代，只需要一个内核。即使在运行HMI和其他程序时，配置双16核处理器的工业服务器仍然是大材小用。虽然这为未来可能的程序扩展留下了空间，但工程师们不确定如何利用它们。

自动化技术的不断进步，加上操作技术（OT）和信息技术（IT）的进一步融合，创造了更加高效、可靠和精密的机器。智能工厂和工业4.0概念所需的数据收集和响应能力也正在带来重大变化。

例如，历史上使用少量 PLC、步进电机和基本现场总线的系统已在机器人和机电线性运输系统、工业通信、机器视觉系统、带有语音命令的操作员界面、移动人机界面 (HMI) 中找到应用和机器学习。其他方面也取得了重要进展。这些新技术领域的开发和应用将继续填补空白并证明多核心控制技术的集成是合理的。

PLC 和可编程自动化控制器 (PAC) 的发展未能跟上海量数据的涌入。由于系统协同工作需要“同步切换”功能，多供应商分布式控制架构并不总是高效的。先进的机器需要先进的控制。

基于 PC 的控制功能已被证明多年，但随着多核 CPU 的引入，这些功能还可以进一步提高。多核工业PC（IPC）可以满足大多数机器的控制需求，但需求的快速增长和获得优势的机会让我们有理由为未来的机器设计探索更多的升级和核心选项。

什么是众核IPC？

众核和多核控制之间的主要区别不在于处理器核心的数量，而在于实际的处理器架构。众核基于高性能计算原理，使用针对更高并行性和吞吐量进行优化的嵌入式处理器。大规模并行数据流处理意味着由于任务的空间布局，可以降低同时完成任务的功耗。许多核心还可以通过增强的线程同步来解决大多数低端CPU中存在的数据瓶颈问题。

一般有几个多核和几十个众核，总线结构也会有所不同。一种是片上总线矩阵，另一种是片上网络。

在大多数应用中，多核技术与标准机器控制逻辑和高级功能的自动化软件配合使用时，可以轻松完成许多复杂的任务。精心设计的多核 CPU 可以扩展此功能，为应用程序带来相同程度的可扩展性和灵活性。因此，多核控制原理可以轻松扩展到一系列设备，从具有 4 核处理器的 DIN 导轨安装嵌入式计算机到具有双 20 核 Intel Xeon 主板和其他版本的工业服务器。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。

▎ C6670 工业控制柜工业服务器具有多达 20 个内核的 Intel Xeon CPU 选件，利用内核隔离功能在 3 个自动化软件中同时运行一系列流程和程序。

高级控制需要多少个核心？

具有核心隔离功能的 IPC 软件允许工程师将特定任务分配给软件内的各个核心或集群。处理器存储将任务数据缓存在特定位置，从而减少处理时间并提高性能。要求较高的程序，例如集成机器学习或使用/执行实时模拟的程序，可以占用多个彼此相邻的核心并同时运行多个类似的任务。

对于先进的运动控制架构，例如机电线性运输系统和带有悬挂动子的电机系统，它们确实需要使用专门的神经网络。复杂的分析和示波器软件可能需要多个内核，特别是当数据以 10 Gbit/s 的通信速度通过千兆位以太网传输时。 IPC 的选择还取决于支持的任务和系统的数量以及可用的内核，而不是最高时钟速度。耐用性和耐用性也是生产环境中关注的问题。因此，选择一家提供坚固耐用、可扩展产品的供应商非常重要。

在低端多核控制器上，一些供应商提供标准 DIN 导轨安装格式的基于计算机的控制器。某些嵌入式计算机配备 4 至 12 个 2.2 GHz 处理器、8 至 64 GB，工作温度范围为 -25 至 500°C。在高端领域，一些工业服务器具有双处理器，提供 6 到 20 个内核，时钟速率根据内核数量而变化。它们可提供从 240 GBSSD 到 4 TB 的硬盘容量、1024 GB DDR4 RAM 以及 0 到 50°C 的工作温度范围。可扩展性很重要；并非每个应用程序都需要 40 个核心的处理能力，但某些应用程序可能需要 4 个以上的核心。

▎在生产线上运行多台机器和流程的集中控制系统为制造商和原始设备制造商创造了巨大的价值。

众核工控机可以实现集中控制系统的优点。多核机器控制器通过合并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，这是一个重大改进，以前的系统将过程划分为各种 PLC、运动控制服务器和网络计算机，这可能会导致通信延迟。

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，这极大地有利于许多行业的制造商和原始设备制造商（OEM）。一些 OEM 可能会选择通过在多核设备上运行其专有软件来开发知识产权，以处理先进的机器学习和人工智能。如果制造商的机器处理挥发性化合物，他们也可能害怕使用云。即使没有网络连接，工程师也可以使用更高效的平台来实施工业 4.0 和智能工厂概念。

控制器软件对整体性能改进和功能具有至关重要的影响。随着基于 PC 的控制器不断发展和扩展，OEM 和制造商可能会在使用多核和众核架构时面临许多新的挑战。先进的软件应该经过测试和证明可以应对这些挑战。

现代机器架构所需的处理能力让一些供应商措手不及，尽管许多先进机器和系统已经证明了多核技术的价值。

关键概念：

■ 众核技术可以帮助公司跟上升级和未来面向IPC 的机器设计的步伐。

■ 众核CPU 的设计目的是将这种功能扩展到最苛刻的应用程序，并具有同等的可扩展性和灵活性。

■ 众核IPC 可以整合操作并简化数据管理。

想一想：

您的公司可以从众核技术中获得哪些好处？它在哪些方面最有用？