分享：基于软件定义的控制解决方案全文
2020年12月17日，“2021中国运动控制/直驱产业高峰论坛”在深圳坪山隆重召开，五百多位业内人士汇聚一堂，共谋行业发展大计。在分论坛运动控制技术应用篇上，科东（广州）软件科技有限公司总经理龚鹏程就《基于软件定义的控制解决方案》内容进行主题分享。
以下内容根据演讲整理：
感谢这个机会，首先做一个简单的自我介绍，我是来自广州科东软件的，在自动控制领域是一个新兵，今天在这么大的场合，确实有一点紧张，有一个小请求，请大家给我一点掌声鼓励一下，让我更有信心把后面的内容介绍完。
今天主要是软件定义控制方案的介绍，我们做什么？我们从哪里来？为什么是我们做这个事情？回答大家这三个问题。
从工业发展的历程来看，蒸汽、电力、信息技术、智能化完整的四代演进，到第四代，最核心的是智能化。什么是智能化？简单来讲，一个是智慧，一个是能力，中间还需要一个“+”，综合起来就是“智慧+能力”。传统的IT更多是解决智慧的问题，大数据分析、人工智能这些内容解决的是计算的方法、算力，或者是智慧的问题；而传统的OT部分，现场的控制，就像人一样，肌肉端的能力问题，从我们科东软件来讲，我们重点解决的是中间“+”的问题。
在解决技术智能化的需求上，我们根据国家的战略，解决大家刚刚提到的卡脖子问题，卡在哪里呢？卡在三个事情上，芯片、操作系统、协议。
还是回到智能化时代，什么是智能化？就是从传统的控制系统的基础上，我们引入一些新的互联网技术，形成新的工业互联网的应用场景，比如说5G、人工智能、视觉系统和图像识别，结合我们传统的服务化应用发展的思路，软件定义的技术发展趋势，形成整个智能制造新的架构。在这个基础上，我们需要一个功能更复杂、适用范围更广、安全可靠性更高的操作系统，我们叫工业级网络操作系统。它具体怎么组成的呢？它具备什么特点呢？
首先，它是基于通用的工业PC或者嵌入式板卡的操作系统，从主流的X86、ARM、MIPS架构，不同的厂商，包括英特尔、AMD、恩智浦，还有国内的龙芯、飞腾、海光、兆芯等，从低功耗到高性能、大算力都能支持；其次是微内核，确保操作系统内核能够通过SIL类安全功能认证，满足一些高安全关键系统应用的需求，第三，它还能支持实时和非实时应用，同时在一个场景上，就像我们的大脑分左右半区，我们在这上面会分成视觉区、逻辑思维以及其他控制区，通过这种方式分成不同区来满足不同类型的业务需要，这是我们操作系统的核心。
我们科东提供了一个智能化的基础平台，这个平台助力工业控制系统打通任督二脉，用什么来打通呢？总线技术，符合IEC61158-28标准的AUTBUS总线技术，帮助我们的大脑和肌肉系统打通筋脉，形成完整的工业控制计算解决方案，这个方案具备融合、虚拟化、硬件支持广泛等特性。
图4主要强调几个问题：第一个是支持的应用，从实时应用控制，包括运动控制、机器人控制、CNC数控系统、嵌入式计算等，都可以支撑；同时我们能够提供小于50微秒的运动控制的精度支持。我们可以将机器视觉、数据库、视频、音频、图形仿真等等这样的非实时应用也能在操作系统上面做一个融合。当然，这整个系统是在统一的架构上，可以根据我们应用的需求做不同的定义。所谓软件定义，就是在标准化硬件之上，我们可以根据业务需求，支持实时或者非实时业务，或者支持两者融合运行，这样一个非常灵活的部署环境。
第二，我们的总线可以兼容或者接纳其他的国际标准总线，如EtherCAT、Profinet、Canopen、Modbus等，这样我们在与国际接轨的基础上，发展出一套新的总线，形成一套符合工业现场控制场景的完整解决方案。
第三，通过操作系统，可以非常灵活地和云端的各种应用做衔接，和传统的，大家听得比较多的工业互联网解决方案提供商，比如说腾讯云、阿里云等，我们可以很方便灵活地提供对接的机制来为用户解决数字化生产问题。
图5是操作系统基本的特性，提供的功能比较丰富，包括故障记录、文件系统、协议等。最典型的是微内核的验证，另外还有分区的时空隔离性，把不同的控制功能和非实时功能在不同的空间和时间运行，这样做到任何一个区以在开发阶段做到并行开发。
不同的应用可以并行开发，在运行阶段分区内的应用发生故障不会影响到操作内核，以及其他的应用。这样可以降低部分软件、个体的问题，对整体系统的破坏或者影响。
图6是针对控制系统要求比较高的操作系统实时性的一个概述，与工业领域应用比较多的Linux产品对比，我们可以看到红色的数据点是INTEWELL系统响应数据点，绿色是Linux的数据点，红色的数据点相对比较集中，而实时Linux相隔比较大，这是工信部电子五所权威测试的数据。同时我们也有跟国外的嵌入式操作系统Vxworks6.8版本也做了一个测试，具体参数性能如下图所示。
内核及部分关键模块源码自主率达到100%，我们能做到100%的覆盖需求，100%MC的覆盖，也能做到100%的二进制，这是国内唯一能做到这两点的嵌入式操作系统。我们通过了十多次全面测试和第三方机构的测试，这是我们操作系统的主要特性。
我们在操作系统之上提供了符合IEC61131-3标准的一套控制开发编程软件，这个软件也兼容相关的国际通用总线协议和AUTBUS总线。
再者，总线具备什么样的特点呢？首先，这是一个符合国际标准的总线；其次我们正在把它变成国标；再次，这个协议和AUTBUS总线芯片，目前已经成为中国石化领域的标准。在中俄的能源生命线上，我们的西部管道这个项目里面，所有的这种传感控制通信的设备都要和接入总线去传送和采集数据进行控制。
我们希望和更多的设备厂商、集成商大家一起来思考中国工业控制面临的问题，大家共同努力来解决它。其实，我们现在做的东西是大家很多年前想做而没做的，它受限于几个因素，首先是CPU的性能问题，其次是行业的操作系统、芯片技术的发展。随着这么多年的发展，我们现在已经具备了这样一些基础和条件，接下来需要我们大家一起共同打造这个生态圈，在这个核心基础上发展。
在方案应用方面，我们有一些典型的应用案例。一个是宜昌东土工厂，因为东土科技原来是做交换机的，在交换机的装配线上，我们在一台工业电脑上面运行了13个PLC的控制软件，实现了装配线上的各种机械臂、传动相关控制功能的实施，这是自身的应用，我们自己的产品，自己的生产基地在用这个东西，通过这个方案实现了OT、IT的打通，提高了效率，降低了库存成本。
在石化方面，基于PC架构的服务器，上面运行了操作系统，实现了HMI和相关的控制，还有一些控制系统的整合，所有这些应用都是通过一台机器实现的。
在工业机器人控制领域，科东和某机器人合作伙伴做了一个方案，两个6轴机械臂，各加一个转轴，一共14个轴，加上视觉识别系统。我们可以通过视觉识别去传递和控制一些指令，来控制机械臂的速度和运动的轨迹，这都是通过一台英特尔i7CPU的PC实现的全部功能。
在这个基础上，我们正在把自动驾驶的功能和算法放在操作系统上面，实现自动驾驶。目前在道路施工摊铺工程车上实现了自动摊铺操作，车上需要人，后面就不需要人了，它可以根据图像识别实现自动驾驶，自动执行摊铺动作，这个预计在明年初会实现。
最后一个是打造芯片缺陷检测显微镜的案例，通过边缘控制器和操作系统，接入5G信号，芯片封装后存在缺陷率，我们会导入图像识别算法，部署工业相机抓拍，通过图像识别去判断缺陷，然后操纵产线去做一些记录、分选相关的工作，把感知、决策、控制整合到一个PC架构上去完成所有的工作。
为什么我们的操作系统可以支撑这些？首先，我们科东是北京东土科技和广州科学城集团共同注资成立的企业，注册资金2.5亿，核心的目标是实现中国网络化控制现场层的自主创新、安全可控、全球领先的工业级网络操作系统。
我们的INTEWELL操作系统是什么时候产生的呢？我们的INTEWELL是经过了30年的发展，但大家日常过程中只会听说到WINDOWS、Linux，没有听说过我们，但其实国内有一个操作系统名气很大“道”，我们的系统就是源自于道系统，1990年电子科技大学的一个课题产生的操作系统的内核，2000年到2005年，大家现在去首都机场的安检门操作系统是用的道系统的产品，这是2001、2002年做的，2005年把我们的虚拟机、浏览器卖给了瑞士公司，后来这个团队被谷歌收购了。
谷歌、安卓初期版本里面有很多的产品是我们早先的构想，早期我们推国产化操作系统非常难，市场接受程度很低，不是行不行的问题，而是是否愿意用的问题，这个问题一直很难得到解决，在什么时候开始真正得到解决了呢？是在‘’十一五‘’和‘’十二五‘’期间，国家开始重视装备的国产化问题，从那个时候开始，我们的操作系统在国产化装备得到试点示范，逐步规模应用。2017年我们开始进入到东土科技，然后发布了工业级网络操作系统，可以做一些针对行业应用或者针对一些典型应用场景的东西，2019年成立了科东公司，目前在无人驾驶、工业机器人、视觉应用等等方面都有一些典型应用。
在软件定义控制解决方案，2019年我们获得了首界中国工业互联网大赛的一等奖，当时有两个一等奖，一个是我们，一个是工业富联公司。今年4月份，我们又拿到了全球工业智能峰会的技术创新奖，获得该奖项的有两家单位，一家是我们，另外一家是西门子，我们相关的专利和软著有多年的积累，让我们能够有信心在工业装备领域作出自己的贡献。
由于时间关系，我们就不过多展开分享。我们公司在成立的时候有一个梦想，要成为一个国际一流的操作系统的厂商，然后为振兴中国民族软件产业而努力，而过去二十年我实现了这个梦想的第一步，在防务装备里实现了很多这样的应用。我希望在接下来的20年中，我能够和在座的各位，以及今天没有到场的工业界的朋友们一起在智能制造这个领域共同打造出一片新的天空，让我的梦想能够继续飞翔。
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