基于OpenVINO™ 与CMC模块的AI-PAC的开发实战

AI时代的PAC

可编程自动化控制器(Programmable Automation Controller，简称PAC）是一种先进的工业自动化设备，它结合了传统可编程逻辑控制器（PLC）和工业个人计算机（IPC）的优点，旨在提供一个更加集成化、功能强大且灵活的控制解决方案。PAC的设计目标是满足现代工业环境中日益复杂的控制需求，包括高速数据处理、高级计算能力、丰富的通信接口、以及对多种网络协议的支持。

如今，人工智能（Artificial Intelligence，简称AI）的快速发展正在为工业带来新的机遇和挑战：

首先，工业领域正逐渐向智能化、自动化和数字化转变。传统的生产模式已经无法满足当今复杂多变的市场需求和竞争压力。工业企业迫切需要提升生产效率、降低成本、优化资源利用，以及提供高质量的产品和服务。这些要求推动了工业智能化的发展，AI作为其中的核心技术之一，成为实现智能化目标的重要工具。

其次，当前AI应用于工业领域面临的一个困难是，AI模型往往局限于算法仿真，无法直接与硬件IO打通。在工厂应用中，涉及到众多IO端口和总线，需要AI从设计、仿真到部署阶段都参与进来。然而，由于算法仿真只是在虚拟环境中进行，很难准确模拟实际工厂的各种硬件接口和通信协议。这使得在实际部署过程中，需要额外的工作来适配AI模型与硬件之间的接口，增加了工程师的工作量和复杂度。

最后，部署于边缘端的AI需要与云上的AI进行互通，才能实现工厂级别的AI。在工业生产中，往往需要将数据从边缘设备收集到云端进行处理和分析。然而，边缘设备通常具有有限的计算和存储资源，无法直接处理复杂的AI模型。因此，需要将AI模型部署在云端进行计算，然后将结果传输回边缘设备。这就需要边缘端的AI与云上的AI进行有效的通信和数据传输，以实现实时的工厂级别的AI应用。这种边缘与云的互通性需要考虑网络延迟、数据安全性和通信协议等方面的问题，增加了系统的复杂性和实施的挑战。

由此，一个具备AI算力的可编程控制器+配套的集成开发环境则是PAC的未来，即AI-PAC。

什么是AI-PAC

AI-PAC（AI Programmable Automation Controller）是一种集成了AI功能的可编程控制器，它具备硬件加速AI、硬件通信和边云协同等功能。其功能架构可以描述如下：

AI模块：

AI-PAC内部包含了专门设计的AI加速硬件模块，该模块能够高效地执行AI算法，提供快速的AI推理能力。这个硬件加速模块可以处理大规模的数据和复杂的AI模型，实现高性能的实时决策和分析。

控制器模块：

AI-PAC具备可编程的控制器模块，用于实现工厂设备的自动化控制和监控。该模块具有丰富的输入输出（IO）端口和通信接口，可以与各种传感器、执行器和其他设备进行实时的数据交互和控制操作。

硬件通信模块：

AI-PAC内置了多种通信接口和总线，用于与工厂设备进行连接和数据交换。这些通信接口可以支持多种通信协议，如以太网、Modbus、CAN等，实现与工厂设备的快速、可靠的数据传输。

边云协同平台：

AI-PAC能够实现边缘端与云端的协同工作。它可以将采集到的实时数据进行初步的处理和分析，然后通过安全的通信协议将部分数据传输到云端。在云端，AI-PAC可以与云上的AI平台进行交互，进行更深入的数据分析和模型训练，得出更准确的预测和决策结果。同时，云端的AI模型也可以下发到AI-PAC进行本地的AI推理，实现边缘端的实时响应和决策能力。

通过以上功能架构，AI-PAC能够将AI技术与工业自动化控制相结合，实现高效、智能的工厂生产和管理。它不仅具备高性能的AI计算能力和灵活的控制功能，还能与硬件设备、云平台之间实现快速、可靠的数据传输和协同工作。

宁波工业互联网研究院

AI PAC方案

宁波工业互联网研究院作为一家主攻工业互联网、智能制造、人工智能等前沿领域的新型研发机构，研究院致力于推动国家工业转型发展、重大关键核心技术的创新突破和技术成果转化， 2020年入选首批“浙江省省级新型研发机构”，2021年研究院牵头建设的“浙江省智能工厂操作系统技术创新中心”入选浙江省级首批技术创新中心，2022年8月，入选首批“科创中国”创新基地，2022年10月，获批建设智能制造国家新一代人工智能开放创新平台。

基于行业积累和自身优势，宁波工业互联网研究院推出了AI-PAC平台，该平台特点如下：

01

提供多种AI大模型的支持，包括OpenVINO 等在内的主流模型，结合Intel提供的主板大幅度提升算力运行效能。

02

全自主研发CMC模块，覆盖工业IO全部需求：AI-PAC不仅提供强大的算力，还具备全自主研发的IO模块，可满足工业领域中各种常见的IO需求，如GPIO（通用输入输出）、总线接口等。AI-PAC可以直接与工业设备和传感器进行无缝连接，实现与现有工业系统的集成。

03

supOS云接入实现智能边缘节点：结合supOS操作系统（supOS工业操作系统是我国首个具备自主知识产权的工业操作系统，为中国工业转型升级打造“统一的数字化底座”攻关工业操作系统核心关键技术）AI-PAC能够方便地将数据接入云端，实现智能边缘节点的功能。通过将AI-PAC与云端服务相连，工业数据可以实时上传到云端进行分析和处理，从而实现智能化的决策和优化。这样，通过工业大数据的应用可以促进人工智能在工业领域的发展和应用。

04

软硬件无缝链接：AI-PAC提供了一个全面的软件平台，使开发人员能够方便地调用主流的模型进行原型设计和部署。通过提供的API接口，AI-PAC实现了硬件通讯与AI模型的无缝打通，包括GPIO、CAN、Ethernet、EtherCAT、Modbus、Serial、AI/AO等各种硬件通讯方式。这使得在AI模型的设计过程中和在部署过程中，开发人员能够轻松地与硬件进行交互和通信。

在原型设计阶段，开发人员可以利用AI PAC提供的软件平台，轻松调用主流的AI模型，并通过API接口与各种硬件通讯进行交互。例如，可以将AI模型与GPIO接口结合，实现对外部设备的控制和监测；可以利用CAN或Ethernet接口与其他设备进行数据交换和通信；还可以通过Modbus、Serial、AI/AO等通讯方式与工业控制设备进行连接和控制。

在部署阶段，AI-PAC同样提供软硬件无缝链接的能力。开发人员可以将经过训练和优化的AI模型部署到AI-PAC上，通过API接口与各种硬件通讯进行数据的采集和控制。例如，在工业生产过程中，可以利用AI PAC与传感器和执行器进行实时数据交换和控制，实现智能化的生产和优化。

行业应用

01

四足机器人平台（云深处）

AI-PAC助力云深处四足大狗机器人构建四足机器人通用移动平台。AI-PAC 使能人工智能算力作为大脑处理复杂信息，构建云上通讯，四足机器人本体控制器作为小脑，控制信号融合，步态控制，快速适配不同工业场景应用。

02

智能工厂

通过AI-PAC集成了传统的工控机加PLC的功能，更加紧凑。可以实现针对机器视觉检测中对于AI 模型的训练，并且通过内置的CMC可以提供执行器的控制和信号采集，比如传输机，机械臂控制，限位开关等。同时通过Niii Edge Pro软件平台可以在集成的环境中进行AI图像算法和IO端口的控制，保证学生在有限的课时中完成整个工业测试站的开发。同时可以通过内置的supOS 数据采集点扩展工业大数据，工业智能的内容。内置的CMC也可以进一步通过PLC梯形图环境进行具体执行器算法的控制。实现一个平台覆盖多个课程内容。

总结

在智改数转的大背景下，AI-PAC可以方便快速的实现智能化控制，赋能制造业转型升级。跟AI-PAC配套的Niii Edge Pro软件平台可以在集成的环境中一站式实现AI图像算法和运动控制。supOS工业操作系统将AI-PAC与云端服务相连，工业数据可以实时上传到云端进行分析和处理，从而实现智能化的决策和执行。

作者：刘洋

宁波工业互联网研究院 机器人事业部副总监




审核编辑：刘清