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工作負載整合強化IIoT管理效能 虛擬化技術讓系統運作更順暢
[作者 王明德]   2019年04月02日 星期二 瀏覽人次: [6266]

軟硬融合是工業4.0的重要特色,工作負載整合可在單一平台上運作不同硬體設備,從而降低系統成本、提高管理效益,在此架構中,虛擬化技術將扮演重要角色。


圖一
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工業4.0掀起全球製造業新一波革命浪潮,與之前幾次的工業革命不同,這次的智慧化變革,不僅透過各種技術強化原有OT體系效能,更與數位化IT系統鏈結,藉此優化企業營運能力,由這兩年IIoT(工業物聯網)落地速度的加快,就可看出整體趨勢已然成形。然而在數位轉型的同時,新型態的系統也為製造業帶來新難題,而目前看來急迫性最高的問題,就是平台工作負載量。


與過去幾次工業革命不同,工業4.0最大的突破,就是融合了OT與IT兩大系統,透過數位化讓OT系統的設備數據可被擷取、傳輸、儲存、管理與分析,在此要求下,過去獨立運作的各類工控設備,開始被集中到通用型的單一平台,也因此,此一平台需要具備強大的運算能力,以處理不同型態的OT設備。過去IT系統強化平台效能的做法,大多是從硬體面著手,不過OT系統由於涉及製程,穩定性求向來是第一要求,而過多硬體元件的運算平台,將直接影響系統穩定性,目前雖已有許多硬體廠商提出運算解決方案,然而要讓過多異質性設備共存於同一空間,將提升資訊與系統整合的難度,對效能與成本也都有影響。因此在如何在減少硬體組件的同時,維持平台效能,就成為業者急欲解決的問題,而要解決此一問題,平台的工作負載整合(workload consolidation)將是必要做法。



圖二 : 虛擬化與容器化的差異。(Source: Intel)
圖二 : 虛擬化與容器化的差異。(Source: Intel)

虛擬化將是工作負載整合平台關鍵


簡單來說,工作負載整合就是將多個已經數位化自動設備,整合到少量或單一平台,並以體積較小的軟體運算技術,取代過去各類設備的專用運算硬體。過去OT系統中包括PLC、PAC、HMI…等設備,都有專屬的運作邏輯,設備之間的硬體各自獨立作業,彼此之間再透過各種工業通訊協定串接,此一特色雖已運作多年,穩定性方面也無庸置疑,但同一體系中同時存在不同硬體架構,不只讓後續的維修難度增高,而且不同廠商的軟硬設備均為封閉式設計,彼此無法鏈結,必須透過第3方系統整合商於後端整合,不但讓系統的架構更複雜,同時建構時間與成本支出都會增加,工作負載整合則將各封閉性設備的軟體移轉至開放性平台,並以虛擬化技術運算,讓系統在減少平台硬體元件數量的同時,具備維持運算效能、運作穩定性、降低資本支出(CapEx)、增加系統未來擴展彈性等優勢。


工作負載整合在單一功能強大的平台上,以虛擬化建構獨立的隔離環境,在每一環境中,各設備都有獨立的操作系統,而虛擬化目前有兩大關鍵技術,包括虛擬機器(Virtual machine)與虛擬容器(Container)。虛擬機器是建立隔離環境,並透過Hypervisor(虛擬機器監視器)鏈結底層硬體設備,透過軟體規劃,讓每一設備在主機中都具有虛擬的的網路與儲存環境。虛擬容器則是在使用者端的空間中,建立可透過中央應用程序共享內核與硬體資源的獨立程序。


虛擬機器和虛擬容器各自有其優缺點與適用場域,後者在工業物聯網的應用漸多,不過對製造系統而言,完全隔離環境十分重要,因此虛擬機器仍是目前工業系統的架構首選。而由此趨勢也可看出,在新世代的IIoT架構中,虛擬化將成為系統的主要驅動力量,未來系統中各種只為單一設備設計的功能將會轉為以軟體處理的開放式架構,在虛擬化設計中,主機平台會被劃分為多個以軟體定義的隔離環境,並透過硬體資源的共享,降低系統成本。此外當所有資料都會匯集至開放性架構後,系統將以統一的資安系統控管資料,這也可進一步提升系統的安全性。



圖三 : 生態系統虛擬化解決方案。(Source: Intel)
圖三 : 生態系統虛擬化解決方案。(Source: Intel)

Intel®VT強力支援虛擬化系統


由於虛擬化已成為新世代工業系統的必要設計,在系統中扮演運算關鍵角色的處理器也就必須同步進化,在晶片中支援虛擬化,以滿足系統所需。以Intel為例,Intel® Virtualization Technology (Intel®VT)透過多工負載平衡、虛擬機器隔離等設計,以滿足系統對虛擬化運算的需求。


另外Intel®VT也更有效分配了快取記憶體、I/O輸出入埠與主記憶體等運算資源


,同時提升其安全性,Intel的虛擬化技術可統一管理處理器、記憶體、I/O、網通等硬體資源,提供虛擬機器穩定且高效能運作。虛擬化的工作環境讓不同的工作負載容易在不同的Intel平台中移轉, 增進系統的彈性及方便未來的升級,並降低系統複雜度與成本,讓架構更精簡穩定。


工業4.0需要透過龐大的產業生態體系,方能建構出完整系統,在工作負載整合環節也是如此,在內部產品部分,Intel®Xeon®、Intel®Core™、Intel®Atom®等處理器產品,都已整合了Intel VT,至於外部生態系統,Project ACRN™則是符合IIoT即時、安全要求,由於開放原始碼,使其兼具彈性與輕量特色。


目前Intel VT在工業領域已開始落地應用,與美國Rockwell Automation將Intel Core i7作為旗下Allen-Bradley CompactLogix 5480控制器的運算核心,並可儲存其Logix工業控制和Windows 10 IoT Enterprise操作系統,並將PLC、HMI和作業軟體整合至單一系統中,落實系統可是化願景,並提升產線效能。


Intel的虛擬化產品已建立起完整的產業生態鏈,除了與各嵌入式軟體廠商合作外,硬體方面,台灣大部分工業電腦廠商、ODM皆已將Intel VT技術納入產品設計之中,將虛擬化技術建置於智慧製造系統,相關軟硬體廠商都可協助有意導入虛擬化技術的製造系統業者,設計出打造出最適化智慧製造平台,在嚴峻的市場站穩腳步。



圖四
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