工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)所需的互操作平臺

帕特里克·曼尼翁，特約編輯

計劃在威斯康星州新建的富士康工廠是一個全新的開發(fā)項目，可以展示現(xiàn)代工業(yè)控制思維。從具有自我意識的連接組件和機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施新制造工廠所需的許多概念和物理元素：預測性維護、云連接、邊緣計算、霧計算、智能和無線傳感器以及網(wǎng)關。問題是在遺留系統(tǒng)（棕地部署）上安全、可擴展且經(jīng)濟高效地實施這些想法，同時還要相信從封閉的專有流程轉移將帶來所承諾的改進。

好消息是設計師和設施經(jīng)理不再孤單：升級數(shù)十年歷史的工廠所需的設備、資源、技術和合作伙伴關系正在迅速發(fā)展，以將后端運營技術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備的傳統(tǒng)供應商來帶頭，在為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 時代重新設計產(chǎn)品的同時帶來領域經(jīng)驗。

羅克韋爾自動化在富士康工廠的早期立足點，已簽署協(xié)議，與該公司合作在新的全球電子組裝運營工廠實施互聯(lián)企業(yè)和 IIoT 概念。該計劃旨在結合兩家公司的技術和領域專業(yè)知識，以提供具有“無與倫比的運營效率水平”的最先進的制造系統(tǒng)。

羅克韋爾已經(jīng)展示了先進的數(shù)據(jù)采集、分析和建模如何改善結果。例如，卡夫亨氏公司使用羅克韋爾自動化的 Pavilion8 模型預測控制 (MPC) 來更新其老化的 Ore-Ida 薯片制造設施，以將流程效率提高 10%，從而在 12 到 16 年內獲得投資技術回報月（圖 1）。

圖 1：羅克韋爾自動化的 Pavilion8 模型預測控制結合了許多改進流程所需的元素。圖片：羅克韋爾自動化。

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

需要開放平臺和互操作性雖然羅克韋爾自動化和其他公司提供的軟件和流程管理工具在實現(xiàn)更具預測性的工廠環(huán)境方面向前邁出了一大步，但行業(yè)和技術的發(fā)展是快速且成本高昂的。與此同時，從 Cree 和 Bosch 到 Siemens、Honeywell 和 Schneider Electric 的組件和過程控制供應商都在以自己的方式響應以滿足客戶的需求。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，以降低成本，同時允許他們利用最新技術。

這種必要性促使埃克森美孚啟動了開放過程自動化論壇，該論壇現(xiàn)在在 The Open Group 的主持下運作。它最終將導致一個“標準標準”，該標準將選擇當前存在的最好的，例如像現(xiàn)場總線這樣的接口（只是一個例子），并添加必要的東西來填補任何空白。許多工業(yè)標準僅用于連接，包括 Modbus、BACnet、現(xiàn)場總線、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，盡管目前更多地關注互聯(lián)網(wǎng)和云連接方面。它希望在協(xié)議、設備、接口、數(shù)據(jù)管理、分析和云操作方面找到共同點。

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（圖2）。

圖 2：I 3 C 小組的成立專注于確保關鍵熱點的互操作性，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注的集群，例如制造中的智能設施運營集群，其中包括無線車間接口和數(shù)據(jù)交換格式。

連接 IT 和 OT隨著標準工作的繼續(xù)，設計人員和嵌入式開發(fā)人員仍然必須弄清楚如何響應管理層對更多 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)，同時不影響企業(yè)方面的安全性，同時保持已運行數(shù)十年的舊舊系統(tǒng)的完整性。

在啟用此功能時脫穎而出的一個設備是邊緣網(wǎng)關設備。一方面是通過一系列異構有線和無線工業(yè)網(wǎng)絡與當前和遺留系統(tǒng)的接口。另一方面是到后端企業(yè) IT 網(wǎng)絡或直接到云的簡單以太網(wǎng)有線和/或 LTE 無線連接。在網(wǎng)關本身內，設計人員必須確保足夠的處理能力、內存、連接支持和基于硬件的信任根安全性，以確保實施至少在 8 到 15 年內不會過時。

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，該網(wǎng)關基于 700 MHz 的 ARM 雙核 Cortex-A9，具有 256 MB 的 DDR3 RAM 和 512 MB 的閃存（圖 3）。它支持一個或兩個千兆以太網(wǎng)接口，用于本地、現(xiàn)場網(wǎng)絡連接，以及 802.11/b/g/n 無線、RS-232、RS-485/RS422、USB、DI/DO（RF45 連接器）、和LVTTL。對于主服務器或云端的數(shù)據(jù)回傳，它支持GSM、3G和4G/LTE回傳網(wǎng)絡。

圖 3：華為 AR502 敏捷網(wǎng)關基于運行頻率為 700 MHz 的 ARM Cortex-A9，而戴爾 Edge Gateway 5000 使用運行頻率高達 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 身份驗證、RADIUS 身份驗證和帶有 PKI 管理的 8021.X/MAC/MAC 繞過身份驗證、CPU 保護以及拒絕服務 (DoS) 和洪水攻擊預防。

就其本身而言，Dell Edge Gateway 5000 系列基于運行頻率高達 1.75 GHz 的 Intel Atom 處理器和高達 8 GB 的 DDR3 內存，以及高達 256 GB 的固態(tài)驅動器 (SSD) 支持（圖3 ). 它還具有廣泛的本地網(wǎng)絡支持，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。它也包括多達兩個 GbE 接口。它到網(wǎng)絡的回程是有線的，它支持英特爾的可信平臺模塊 (TPM) 2.0 實施。

戴爾和華為網(wǎng)關還支持 Tridium 的 Niagara 控制框架，允許對各種系統(tǒng)和網(wǎng)絡進行控制、分析和可視化。Kodaro 最近將 Niagara 移植到戴爾網(wǎng)關，并與 IoTium 合作開發(fā)其 iNodeOS 托管操作系統(tǒng) (OS) 技術，以實現(xiàn)安全、零接觸的網(wǎng)絡配置和遠程更新。

這種協(xié)作很重要，因為 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置的需要。這樣做有助于保持 IT 網(wǎng)絡的完整性，同時確保快速部署。

工業(yè)邊緣計算華為和戴爾網(wǎng)關象征著這種邊緣計算形式的重要性。至關重要的是，IIC 已與中國邊緣計算聯(lián)盟 (ECC) 合作，以擴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，而不是導致延遲和加載網(wǎng)絡通過不必要地向和從本地設備或網(wǎng)絡發(fā)送數(shù)據(jù)到云。如果網(wǎng)關可以進行本地分析，那就讓它吧。

IIC 和 ECC 將在 IIoT 最佳實踐、標準和測試臺開發(fā)方面進行合作。當他們這樣做時，生成數(shù)據(jù)的傳感器和微控制器將繼續(xù)在電機等設備上更加集成，而羅克韋爾已經(jīng)在計劃更多的自我感知系統(tǒng)。例如，它們可以檢測電機軸承何時過熱，并在整個裝配線受到損害之前減慢速度。

自我感知設備和 IIoT 最佳實踐以及先進的機器人技術很可能成為富士康新工廠的重要組成部分。這很可能是一個關于什么是可取的和什么是可行的案例研究。中間的某個地方可能是可標準化的。

審核編輯 黃昊宇