基于OpenVINO? 與CMC模塊的AI-PAC的開發實戰

AI時代的PAC

可編程自動化控制器(Programmable Automation Controller，簡稱PAC）是一種先進的工業自動化設備，它結合了傳統可編程邏輯控制器（PLC）和工業個人計算機（IPC）的優點，旨在提供一個更加集成化、功能強大且靈活的控制解決方案。PAC的設計目標是滿足現代工業環境中日益復雜的控制需求，包括高速數據處理、高級計算能力、豐富的通信接口、以及對多種網絡協議的支持。

如今，人工智能（Artificial Intelligence，簡稱AI）的快速發展正在為工業帶來新的機遇和挑戰：

首先，工業領域正逐漸向智能化、自動化和數字化轉變。傳統的生產模式已經無法滿足當今復雜多變的市場需求和競爭壓力。工業企業迫切需要提升生產效率、降低成本、優化資源利用，以及提供高質量的產品和服務。這些要求推動了工業智能化的發展，AI作為其中的核心技術之一，成為實現智能化目標的重要工具。

其次，當前AI應用于工業領域面臨的一個困難是，AI模型往往局限于算法仿真，無法直接與硬件IO打通。在工廠應用中，涉及到眾多IO端口和總線，需要AI從設計、仿真到部署階段都參與進來。然而，由于算法仿真只是在虛擬環境中進行，很難準確模擬實際工廠的各種硬件接口和通信協議。這使得在實際部署過程中，需要額外的工作來適配AI模型與硬件之間的接口，增加了工程師的工作量和復雜度。

最后，部署于邊緣端的AI需要與云上的AI進行互通，才能實現工廠級別的AI。在工業生產中，往往需要將數據從邊緣設備收集到云端進行處理和分析。然而，邊緣設備通常具有有限的計算和存儲資源，無法直接處理復雜的AI模型。因此，需要將AI模型部署在云端進行計算，然后將結果傳輸回邊緣設備。這就需要邊緣端的AI與云上的AI進行有效的通信和數據傳輸，以實現實時的工廠級別的AI應用。這種邊緣與云的互通性需要考慮網絡延遲、數據安全性和通信協議等方面的問題，增加了系統的復雜性和實施的挑戰。

由此，一個具備AI算力的可編程控制器+配套的集成開發環境則是PAC的未來，即AI-PAC。

什么是AI-PAC

AI-PAC（AI Programmable Automation Controller）是一種集成了AI功能的可編程控制器，它具備硬件加速AI、硬件通信和邊云協同等功能。其功能架構可以描述如下：

AI模塊：

AI-PAC內部包含了專門設計的AI加速硬件模塊，該模塊能夠高效地執行AI算法，提供快速的AI推理能力。這個硬件加速模塊可以處理大規模的數據和復雜的AI模型，實現高性能的實時決策和分析。

控制器模塊：

AI-PAC具備可編程的控制器模塊，用于實現工廠設備的自動化控制和監控。該模塊具有豐富的輸入輸出（IO）端口和通信接口，可以與各種傳感器、執行器和其他設備進行實時的數據交互和控制操作。

硬件通信模塊：

AI-PAC內置了多種通信接口和總線，用于與工廠設備進行連接和數據交換。這些通信接口可以支持多種通信協議，如以太網、Modbus、CAN等，實現與工廠設備的快速、可靠的數據傳輸。

邊云協同平臺：

AI-PAC能夠實現邊緣端與云端的協同工作。它可以將采集到的實時數據進行初步的處理和分析，然后通過安全的通信協議將部分數據傳輸到云端。在云端，AI-PAC可以與云上的AI平臺進行交互，進行更深入的數據分析和模型訓練，得出更準確的預測和決策結果。同時，云端的AI模型也可以下發到AI-PAC進行本地的AI推理，實現邊緣端的實時響應和決策能力。

通過以上功能架構，AI-PAC能夠將AI技術與工業自動化控制相結合，實現高效、智能的工廠生產和管理。它不僅具備高性能的AI計算能力和靈活的控制功能，還能與硬件設備、云平臺之間實現快速、可靠的數據傳輸和協同工作。

寧波工業互聯網研究院

AI PAC方案

寧波工業互聯網研究院作為一家主攻工業互聯網、智能制造、人工智能等前沿領域的新型研發機構，研究院致力于推動國家工業轉型發展、重大關鍵核心技術的創新突破和技術成果轉化， 2020年入選首批“浙江省省級新型研發機構”，2021年研究院牽頭建設的“浙江省智能工廠操作系統技術創新中心”入選浙江省級首批技術創新中心，2022年8月，入選首批“科創中國”創新基地，2022年10月，獲批建設智能制造國家新一代人工智能開放創新平臺。

基于行業積累和自身優勢，寧波工業互聯網研究院推出了AI-PAC平臺，該平臺特點如下：

01

提供多種AI大模型的支持，包括OpenVINO 等在內的主流模型，結合Intel提供的主板大幅度提升算力運行效能。

02

全自主研發CMC模塊，覆蓋工業IO全部需求：AI-PAC不僅提供強大的算力，還具備全自主研發的IO模塊，可滿足工業領域中各種常見的IO需求，如GPIO（通用輸入輸出）、總線接口等。AI-PAC可以直接與工業設備和傳感器進行無縫連接，實現與現有工業系統的集成。

03

supOS云接入實現智能邊緣節點：結合supOS操作系統（supOS工業操作系統是我國首個具備自主知識產權的工業操作系統，為中國工業轉型升級打造“統一的數字化底座”攻關工業操作系統核心關鍵技術）AI-PAC能夠方便地將數據接入云端，實現智能邊緣節點的功能。通過將AI-PAC與云端服務相連，工業數據可以實時上傳到云端進行分析和處理，從而實現智能化的決策和優化。這樣，通過工業大數據的應用可以促進人工智能在工業領域的發展和應用。

04

軟硬件無縫鏈接：AI-PAC提供了一個全面的軟件平臺，使開發人員能夠方便地調用主流的模型進行原型設計和部署。通過提供的API接口，AI-PAC實現了硬件通訊與AI模型的無縫打通，包括GPIO、CAN、Ethernet、EtherCAT、Modbus、Serial、AI/AO等各種硬件通訊方式。這使得在AI模型的設計過程中和在部署過程中，開發人員能夠輕松地與硬件進行交互和通信。

在原型設計階段，開發人員可以利用AI PAC提供的軟件平臺，輕松調用主流的AI模型，并通過API接口與各種硬件通訊進行交互。例如，可以將AI模型與GPIO接口結合，實現對外部設備的控制和監測；可以利用CAN或Ethernet接口與其他設備進行數據交換和通信；還可以通過Modbus、Serial、AI/AO等通訊方式與工業控制設備進行連接和控制。

在部署階段，AI-PAC同樣提供軟硬件無縫鏈接的能力。開發人員可以將經過訓練和優化的AI模型部署到AI-PAC上，通過API接口與各種硬件通訊進行數據的采集和控制。例如，在工業生產過程中，可以利用AI PAC與傳感器和執行器進行實時數據交換和控制，實現智能化的生產和優化。

行業應用

01

四足機器人平臺（云深處）

AI-PAC助力云深處四足大狗機器人構建四足機器人通用移動平臺。AI-PAC 使能人工智能算力作為大腦處理復雜信息，構建云上通訊，四足機器人本體控制器作為小腦，控制信號融合，步態控制，快速適配不同工業場景應用。

02

智能工廠

通過AI-PAC集成了傳統的工控機加PLC的功能，更加緊湊?？梢詫崿F針對機器視覺檢測中對于AI 模型的訓練，并且通過內置的CMC可以提供執行器的控制和信號采集，比如傳輸機，機械臂控制，限位開關等。同時通過Niii Edge Pro軟件平臺可以在集成的環境中進行AI圖像算法和IO端口的控制，保證學生在有限的課時中完成整個工業測試站的開發。同時可以通過內置的supOS 數據采集點擴展工業大數據，工業智能的內容。內置的CMC也可以進一步通過PLC梯形圖環境進行具體執行器算法的控制。實現一個平臺覆蓋多個課程內容。

總結

在智改數轉的大背景下，AI-PAC可以方便快速的實現智能化控制，賦能制造業轉型升級。跟AI-PAC配套的Niii Edge Pro軟件平臺可以在集成的環境中一站式實現AI圖像算法和運動控制。supOS工業操作系統將AI-PAC與云端服務相連，工業數據可以實時上傳到云端進行分析和處理，從而實現智能化的決策和執行。

作者：劉洋

寧波工業互聯網研究院 機器人事業部副總監




審核編輯：劉清