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【兆恒機械】邊緣控制推動 IT/OT 走向融合,賦能工業(yè)自動化——3個邊緣控制自動化舉例

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  • 添加日期:2022年04月15日

隨著運營和信息技術的角色在工業(yè)自動化領域中逐漸重疊,融合運營技術/信息技術(OT/IT)的解決方案變得越來越有必要。

對于以自動化為重點的制造業(yè)和基礎設施行業(yè)來說,越來越多地使用數(shù)據(jù)來驅(qū)動分析洞察力,推動傳統(tǒng)的運營技術(OT)與信息技術(IT)融合,創(chuàng)造了對更多聯(lián)合實施的需求。作為對這些需求的響應,硬件、軟件和網(wǎng)絡方面的商業(yè)進展已被越來越多地采用到工業(yè)平臺中。

這些趨勢是由可用的技術和成熟的最終用戶推動的,他們希望獲得與消費者應用同樣的靈活性和便利性。然而,在將 OT 與 IT 融合的道路上會有一些坎坷。

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT)依賴于 OT 和 IT 領域中協(xié)調(diào)良好的產(chǎn)品和性能。為了使 OT 和 IT 逐漸重疊的角色發(fā)揮最大效力,有必要合并 OT 和IT學科的優(yōu)勢。研究這些學科的優(yōu)勢是什么,以及如何將 OT/IT 解決方案融合在一起,從而使得融合后的優(yōu)勢大于二者的獨立應用,這種研究是非常有價值的。

尋求突破的 OT 和 IT


一個現(xiàn)實是,在 OT 和 IT 環(huán)境中進行的工作受到了特有的限制。一個關鍵的挑戰(zhàn)是 OT 和 IT 使用的傳統(tǒng)硬件和軟件解決方案是從不同的出發(fā)點演變而來的。它們由不同的人群使用,他們的目標和技能組合并不相同。當 OT 和 IT 專家接觸到另一群體使用的基本工具時,他們經(jīng)常發(fā)現(xiàn)自己不能運用這些工具。

OT 工具的產(chǎn)生主要是面向本領域的專業(yè)人員,主要是具有電氣或機械工程背景的工程師,主要目的是以最大的可靠性監(jiān)測和控制生產(chǎn)設備。

自動化設計和物理設備往往受到能力的限制,需要控制工程師應用受限的熟悉的知識來開發(fā)。梯形圖邏輯、結(jié)構化文本(ST)和功能塊圖(FBD)是 OT 行業(yè)用來管理可編程邏輯控制器(PLC)、分布式控制系統(tǒng) (DCS)、監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集(SCADA)、歷史數(shù)據(jù)庫和其他典型 OT 應用的特定的工業(yè)開發(fā)語言。

IT 工具產(chǎn)生于另一領域,既面向于軟件和計算機工程師的。最近,包括云開發(fā)人員、數(shù)據(jù)工程師和數(shù)據(jù)科學家在內(nèi)的其他人員也開始參與進來。將應用程序限制在一個小的邊緣設備上的想法對 IT 界來說是陌生的,就像開發(fā)一個基于 C 語言或 Java 語言的應用對于一 些 OT 專家來講也是一樣陌生的。

數(shù)據(jù)推動了 OT/IT 的融合


從通用的數(shù)據(jù)中獲得洞察力的需求,正在使用于采集、分發(fā)和分析數(shù)據(jù)的工具被強制融合——這種融合需要使用 OT 和 IT 的應用。起初,面向 IT開發(fā)人員認為所有的分析都會被轉(zhuǎn)移到云端,在那 里,一個龐大的開源社區(qū)已經(jīng)創(chuàng)造了一系列非常適合分析大型數(shù)據(jù)集的工具。許多企業(yè)的舉措都是以這一目標為出發(fā)點的,但結(jié)果往往并不理想。

OT 應用從全天候運行的機器中產(chǎn)生大量的"小數(shù)據(jù) "??偟膩碚f,一個工業(yè)設施可以創(chuàng)造的" 大數(shù)據(jù)" 大大超過消費者應用,甚至是那些擁有數(shù)百萬用戶的用(圖 1)。

圖 1 :眾多的工業(yè) " 小數(shù)據(jù) "源匯聚成整個站點的" 大數(shù)據(jù) ",其數(shù)據(jù)量很容易超過典型消費者應用的數(shù)據(jù)量。本文圖片來源 :艾默生

某些 OT 應用,如歷史數(shù)據(jù)庫,已經(jīng)發(fā)展到通過內(nèi)置壓縮算法和非常高速的索引數(shù)據(jù)訪問來高效地存 儲這些數(shù)據(jù)。將如此大量的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移到云端并存儲在那里是非常麻煩和昂貴的。典型的云計算軟件工具在存儲和訪問速度方面的效率不高,因此與基于云計算的數(shù)據(jù)的交互對于分析一臺機器的數(shù)據(jù)集來說也是較少能夠被接受的。

另一方面,IT 工具通過使用軟件基礎設施中內(nèi)置的并行計算技術,在分析整個資產(chǎn)數(shù)據(jù)的大型數(shù)據(jù)集方面更有效率。解決性能方面 的挑戰(zhàn)通常就像在系統(tǒng)中增加一個額外的服務器一樣簡單。同樣,IT 基礎設施的設計是為了向全部用戶提供信息,因為它們結(jié)合了瀏覽器、網(wǎng)絡服務器和移動設備,向人們提供信息,而不必考慮物理位置。

最后一點是,OT 應用往往需要系統(tǒng)始終連續(xù)運行,因為任何故障都會導致設備和生產(chǎn)停工。另一 方面,基于 IT云應用通??梢岳每捎玫挠嬎愫瓦B接資源,在部分連接的模式下運行。

融合邊緣計算 / 云工具在一 個平臺


為了應對上述挑戰(zhàn),開發(fā)工具正在融合 OT 和 IT 的最佳使用性能,通過轉(zhuǎn)移到位于邊緣的平臺,該平臺可以獨立使用或與基于云的工作相結(jié)合。出于需要,OT 和 IT 應用和用戶現(xiàn)在正在共享邊緣平 臺,這已成為工業(yè)數(shù)據(jù)管理任務的一個關鍵因素(圖 2)。

圖2 :OT 和 IT 人員創(chuàng)建 IIoT 解決方案所需的應用程序最好部署在邊緣設備上。

IT 用戶了解在邊緣執(zhí)行分析的好處,被設計成高保真度和低延遲的關鍵任務數(shù)據(jù)和架構始終是可靠的。對于全廠、多個工廠和整個企業(yè)集團級別的分析,數(shù)據(jù)必須被傳輸?shù)礁呒墑e的系統(tǒng)。邊緣平臺 非常適合將每個站點合適的數(shù)據(jù)子集傳送到基于云的平臺,然后在云平臺可以使用大規(guī)模的并行計算架 構來獲得大數(shù)據(jù)洞察力。當與基于云的系統(tǒng)失去連接時,邊緣平臺通常在本地存儲數(shù)據(jù),直到與云平臺的連接恢復。

OT 用戶也正在采用更常見的面向 IT 的開發(fā)工具,如 NodeRED 和 Python,它們現(xiàn)在可以在邊緣硬件設備上運行。他們正在使用這些工具和其他工具來開發(fā)以 OT 為重點的應用程序,以減少停 機時間、預測故障和提高生產(chǎn)效率。這些工具在分析和儀表盤應用方面比傳統(tǒng)的 OT 選項更強大,而且它 們能夠創(chuàng)建先進的 IIoT 應用。

這種級別的 IT/OT 平臺融合的證據(jù)是在邊緣出現(xiàn)的 IT 協(xié)議, 例如消息隊列遙測傳輸協(xié)議(MQTT)、高級信息隊列協(xié)議 (AMQP),以及最近采用的 OPC UA(一種傳統(tǒng)的 OT 協(xié)議),用于傳輸生產(chǎn)數(shù)據(jù)到 IT 應用。

利用 OT 和 IT 的優(yōu)勢賦能自動化


邊緣控制的硬件產(chǎn)品將繼續(xù)發(fā)展,以支持 OT 和 IT 用戶在開發(fā)、部署、操作和優(yōu)化系統(tǒng)時希望得到更好結(jié)果。例如,經(jīng)典的 OT 工具允許儀表盤上的圖形對象,如轉(zhuǎn)速表,可以根據(jù)需要進行拖放、鏈接和移動,但要在相對受限的情況下進行。在 IT 領域內(nèi),開發(fā)人員可以以任何方式創(chuàng)建這樣的對象,但這往往需要定 制化。

OT 和 IT 融合的演化必須使 OT 和 IT 人員更容易訪問所有這些元素。它需為 OT 工程師量身定做,同時融入必要的 IT 技術的 先進性,能夠快速將信息傳遞給正確的人而不管他們在哪里。OT 系統(tǒng)提供了最好的運行可靠性, 但對于更高級的計算,如對于企業(yè)集團級別的分析并不理想。IT 系統(tǒng)最適合用于分析目的,并且可以跨越多個 OT 裝置。通過在 云 / 邊緣基礎設施中無縫共享邊緣設備,OT 和 IT 分析可以在同一數(shù)據(jù)上進行。

必須解決 OT 和 IT 人員的易訪問性問題,以便所有學科都能舒適地使用所涉及的硬件、軟件和網(wǎng)絡技術。這也包括快速創(chuàng)建、使用和重新使用結(jié)合了 OT 和 IT 原理的 IIoT 應用程序的能力。

邊緣產(chǎn)品和工具需要保留 OT 用來實現(xiàn)設備自動化和與輸入 / 輸出(I/O)連接的傳統(tǒng)系統(tǒng)的強大可靠的操作功能,同時讓工廠操作和維護人員可以使用。然而,在每個單獨的使用點管理邊緣應 用是一個問題。

為了解決這個問題,可以利 用 IT 概念,使邊緣應用像 IT 應 用一樣被集中管理,使它們能夠保持最新的軟件版本和安全更新,然后輕松地自動分發(fā)到使用它們的邊緣節(jié)點。全面和無縫訪問以 IT 為中心的功能,如網(wǎng)絡、云處 理和先進的計算和可視化選項,應對這些挑戰(zhàn)是必須的。

OT/IT 的融合 :3 個邊緣控制自動化舉例


在客戶看來,一些軟件產(chǎn)品 和服務是經(jīng)過精心設計和被保護的,而另一些則是公開的。前者比后者有更好的定義和更高級別的保護,但一般來說,前者的成本更高,靈活性更差。這兩種方法都可行,有時需要結(jié)合使用。

同樣,今天的工業(yè)自動化平臺和工具在 OT 方面有足夠的嚴謹性,而在結(jié)合 IT 技術方面有足夠的自由度。請參考下面 3 個例子 :

1

邊緣控制器

提供可靠的硬件,在許多方面與傳統(tǒng)的 PLC 技術相似,但可擴展以實現(xiàn)通用計算(圖 3)。

2

邊緣堆棧

在 IT 界有許多軟件選擇,但精心策劃的對邊緣 項目最有用的軟件元素堆棧可以大大簡化 IIoT 的實施。

3

邊緣網(wǎng)絡

這是設備級網(wǎng)絡,如工業(yè)以太網(wǎng)、OPC UA 和 其他特定的工業(yè)協(xié)議,對于采集源數(shù)據(jù)是必需的。其他對 IT 更友好的協(xié)議,如 MQTT,則需要有效地將數(shù)據(jù)傳遞給更高層次的、面向 IT 的系統(tǒng)。盡管網(wǎng)絡架構正在扁平化,但邊緣計算在協(xié)調(diào)這兩種類型的網(wǎng)絡方面扮演著關鍵 角色。

隨著越來越多的最終用戶踏上數(shù)字化轉(zhuǎn)型之旅,他們需要合適的平臺和工具來構建 IIoT 應用。一個成功的 OT 和 IT 系統(tǒng)演進創(chuàng)建了無縫融合,并產(chǎn)生一個邊緣解決方案,這種方案從使用中提取技術,可為最終用戶提供方便的訪問和擴展功能。