工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)所需的互操作平臺(tái)

帕特里克·曼尼翁，特約編輯

計(jì)劃在威斯康星州新建的富士康工廠是一個(gè)全新的開發(fā)項(xiàng)目，可以展示現(xiàn)代工業(yè)控制思維。從具有自我意識(shí)的連接組件和機(jī)器人到完全集成的云連接訪問和分析，工廠很可能成為優(yōu)化、安全、效率、成本和過程控制的模型。

到目前為止，嵌入式和工業(yè)控制工程師將熟悉實(shí)施新制造工廠所需的許多概念和物理元素：預(yù)測(cè)性維護(hù)、云連接、邊緣計(jì)算、霧計(jì)算、智能和無線傳感器以及網(wǎng)關(guān)。問題是在遺留系統(tǒng)（棕地部署）上安全、可擴(kuò)展且經(jīng)濟(jì)高效地實(shí)施這些想法，同時(shí)還要相信從封閉的專有流程轉(zhuǎn)移將帶來所承諾的改進(jìn)。

好消息是設(shè)計(jì)師和設(shè)施經(jīng)理不再孤單：升級(jí)數(shù)十年歷史的工廠所需的設(shè)備、資源、技術(shù)和合作伙伴關(guān)系正在迅速發(fā)展，以將后端運(yùn)營(yíng)技術(shù)與前端分析和決策聯(lián)系起來。雖然初創(chuàng)公司數(shù)量眾多，但通常依靠過程控制設(shè)備的傳統(tǒng)供應(yīng)商來帶頭，在為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 時(shí)代重新設(shè)計(jì)產(chǎn)品的同時(shí)帶來領(lǐng)域經(jīng)驗(yàn)。

羅克韋爾自動(dòng)化在富士康工廠的早期立足點(diǎn)，已簽署協(xié)議，與該公司合作在新的全球電子組裝運(yùn)營(yíng)工廠實(shí)施互聯(lián)企業(yè)和 IIoT 概念。該計(jì)劃旨在結(jié)合兩家公司的技術(shù)和領(lǐng)域?qū)I(yè)知識(shí)，以提供具有“無與倫比的運(yùn)營(yíng)效率水平”的最先進(jìn)的制造系統(tǒng)。

羅克韋爾已經(jīng)展示了先進(jìn)的數(shù)據(jù)采集、分析和建模如何改善結(jié)果。例如，卡夫亨氏公司使用羅克韋爾自動(dòng)化的 Pavilion8 模型預(yù)測(cè)控制 (MPC) 來更新其老化的 Ore-Ida 薯片制造設(shè)施，以將流程效率提高 10%，從而在 12 到 16 年內(nèi)獲得投資技術(shù)回報(bào)月（圖 1）。

圖 1：羅克韋爾自動(dòng)化的 Pavilion8 模型預(yù)測(cè)控制結(jié)合了許多改進(jìn)流程所需的元素。圖片：羅克韋爾自動(dòng)化。

Pavilion8 是一個(gè)模塊化軟件平臺(tái)，具有用于控制和分析生產(chǎn)系統(tǒng)各個(gè)方面的模塊。然而，其核心是一個(gè)混合過程模型，它將多變量過程模型與基于現(xiàn)場(chǎng)工廠測(cè)量的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)相結(jié)合，以確定未來的控制行動(dòng)。這有助于確保操作滿足處理限制，同時(shí)有助于隨著時(shí)間的推移提高性能。

需要開放平臺(tái)和互操作性雖然羅克韋爾自動(dòng)化和其他公司提供的軟件和流程管理工具在實(shí)現(xiàn)更具預(yù)測(cè)性的工廠環(huán)境方面向前邁出了一大步，但行業(yè)和技術(shù)的發(fā)展是快速且成本高昂的。與此同時(shí)，從 Cree 和 Bosch 到 Siemens、Honeywell 和 Schneider Electric 的組件和過程控制供應(yīng)商都在以自己的方式響應(yīng)以滿足客戶的需求。這促使客戶在硬件和軟件方面要求更開放、可互操作的平臺(tái)，以降低成本，同時(shí)允許他們利用最新技術(shù)。

這種必要性促使?？松梨趩?dòng)了開放過程自動(dòng)化論壇，該論壇現(xiàn)在在 The Open Group 的主持下運(yùn)作。它最終將導(dǎo)致一個(gè)“標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)”，該標(biāo)準(zhǔn)將選擇當(dāng)前存在的最好的，例如像現(xiàn)場(chǎng)總線這樣的接口（只是一個(gè)例子），并添加必要的東西來填補(bǔ)任何空白。許多工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)僅用于連接，包括 Modbus、BACnet、現(xiàn)場(chǎng)總線、以太網(wǎng)和 SCADA，以及無線接口，如 WirelessHART、zigbee、Z-Wave 和 Wi-Fi。然而，新論壇超越了連接性，還包括可互操作的過程控制軟件、安全性和數(shù)據(jù)格式。

其他互操作性工作也在進(jìn)行中：工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟正在努力為制造和控制尋找某種程度的互操作性，盡管目前更多地關(guān)注互聯(lián)網(wǎng)和云連接方面。它希望在協(xié)議、設(shè)備、接口、數(shù)據(jù)管理、分析和云操作方面找到共同點(diǎn)。

為此，它成立了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)互操作性聯(lián)盟（I 3 C），專注于互操作性的特定熱點(diǎn)（圖2）。

圖 2：I 3 C 小組的成立專注于確保關(guān)鍵熱點(diǎn)的互操作性，例如通信或數(shù)據(jù)交換格式。圖片：工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟。

該小組定義了需要特別關(guān)注的集群，例如制造中的智能設(shè)施運(yùn)營(yíng)集群，其中包括無線車間接口和數(shù)據(jù)交換格式。

連接 IT 和 OT隨著標(biāo)準(zhǔn)工作的繼續(xù)，設(shè)計(jì)人員和嵌入式開發(fā)人員仍然必須弄清楚如何響應(yīng)管理層對(duì)更多 OT 流程數(shù)據(jù)的需求，以提供分析引擎和演示儀表板。這意味著 IT 和 OT 必須協(xié)同工作以獲取必要的數(shù)據(jù)，同時(shí)不影響企業(yè)方面的安全性，同時(shí)保持已運(yùn)行數(shù)十年的舊舊系統(tǒng)的完整性。

在啟用此功能時(shí)脫穎而出的一個(gè)設(shè)備是邊緣網(wǎng)關(guān)設(shè)備。一方面是通過一系列異構(gòu)有線和無線工業(yè)網(wǎng)絡(luò)與當(dāng)前和遺留系統(tǒng)的接口。另一方面是到后端企業(yè) IT 網(wǎng)絡(luò)或直接到云的簡(jiǎn)單以太網(wǎng)有線和/或 LTE 無線連接。在網(wǎng)關(guān)本身內(nèi)，設(shè)計(jì)人員必須確保足夠的處理能力、內(nèi)存、連接支持和基于硬件的信任根安全性，以確保實(shí)施至少在 8 到 15 年內(nèi)不會(huì)過時(shí)。

華為和戴爾是兩家已加緊滿足這些要求的公司。華為推出了 AR502 系列敏捷網(wǎng)關(guān)，該網(wǎng)關(guān)基于 700 MHz 的 ARM 雙核 Cortex-A9，具有 256 MB 的 DDR3 RAM 和 512 MB 的閃存（圖 3）。它支持一個(gè)或兩個(gè)千兆以太網(wǎng)接口，用于本地、現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)連接，以及 802.11/b/g/n 無線、RS-232、RS-485/RS422、USB、DI/DO（RF45 連接器）、和LVTTL。對(duì)于主服務(wù)器或云端的數(shù)據(jù)回傳，它支持GSM、3G和4G/LTE回傳網(wǎng)絡(luò)。

圖 3：華為 AR502 敏捷網(wǎng)關(guān)基于運(yùn)行頻率為 700 MHz 的 ARM Cortex-A9，而戴爾 Edge Gateway 5000 使用運(yùn)行頻率高達(dá) 1.75 GHz 的 Intel Atom 處理器。圖片：戴爾（上）和華為（下）。

安全支持廣泛，包括 AAA 身份驗(yàn)證、RADIUS 身份驗(yàn)證和帶有 PKI 管理的 8021.X/MAC/MAC 繞過身份驗(yàn)證、CPU 保護(hù)以及拒絕服務(wù) (DoS) 和洪水攻擊預(yù)防。

就其本身而言，Dell Edge Gateway 5000 系列基于運(yùn)行頻率高達(dá) 1.75 GHz 的 Intel Atom 處理器和高達(dá) 8 GB 的 DDR3 內(nèi)存，以及高達(dá) 256 GB 的固態(tài)驅(qū)動(dòng)器 (SSD) 支持（圖3 ). 它還具有廣泛的本地網(wǎng)絡(luò)支持，包括 HDMI 支持，這有助于工業(yè)視覺系統(tǒng)越來越多地使用高分辨率視頻。它也包括多達(dá)兩個(gè) GbE 接口。它到網(wǎng)絡(luò)的回程是有線的，它支持英特爾的可信平臺(tái)模塊 (TPM) 2.0 實(shí)施。

戴爾和華為網(wǎng)關(guān)還支持 Tridium 的 Niagara 控制框架，允許對(duì)各種系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制、分析和可視化。Kodaro 最近將 Niagara 移植到戴爾網(wǎng)關(guān)，并與 IoTium 合作開發(fā)其 iNodeOS 托管操作系統(tǒng) (OS) 技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)安全、零接觸的網(wǎng)絡(luò)配置和遠(yuǎn)程更新。

這種協(xié)作很重要，因?yàn)?IoTium 的 iNodeOS 功能之一是它消除了要求 IT 打開端口或更改代理設(shè)置的需要。這樣做有助于保持 IT 網(wǎng)絡(luò)的完整性，同時(shí)確保快速部署。

工業(yè)邊緣計(jì)算華為和戴爾網(wǎng)關(guān)象征著這種邊緣計(jì)算形式的重要性。至關(guān)重要的是，IIC 已與中國(guó)邊緣計(jì)算聯(lián)盟 (ECC) 合作，以擴(kuò)展這種類型的邊緣處理，使其更具互操作性，并且所有更多的分析都發(fā)生在邊緣，而不是導(dǎo)致延遲和加載網(wǎng)絡(luò)通過不必要地向和從本地設(shè)備或網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)到云。如果網(wǎng)關(guān)可以進(jìn)行本地分析，那就讓它吧。

IIC 和 ECC 將在 IIoT 最佳實(shí)踐、標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)試臺(tái)開發(fā)方面進(jìn)行合作。當(dāng)他們這樣做時(shí)，生成數(shù)據(jù)的傳感器和微控制器將繼續(xù)在電機(jī)等設(shè)備上更加集成，而羅克韋爾已經(jīng)在計(jì)劃更多的自我感知系統(tǒng)。例如，它們可以檢測(cè)電機(jī)軸承何時(shí)過熱，并在整個(gè)裝配線受到損害之前減慢速度。

自我感知設(shè)備和 IIoT 最佳實(shí)踐以及先進(jìn)的機(jī)器人技術(shù)很可能成為富士康新工廠的重要組成部分。這很可能是一個(gè)關(guān)于什么是可取的和什么是可行的案例研究。中間的某個(gè)地方可能是可標(biāo)準(zhǔn)化的。

審核編輯 黃昊宇