工业物联网所需的互操作平台

帕特里克·曼尼翁，特约编辑

计划在威斯康星州新建的富士康工厂是一个全新的开发项目，可以展示现代工业控制思维。从具有自我意识的连接组件和机器人到完全集成的云连接访问和分析，工厂很可能成为优化、安全、效率、成本和过程控制的模型。

到目前为止，嵌入式和工业控制工程师将熟悉实施新制造工厂所需的许多概念和物理元素：预测性维护、云连接、边缘计算、雾计算、智能和无线传感器以及网关。问题是在遗留系统（棕地部署）上安全、可扩展且经济高效地实施这些想法，同时还要相信从封闭的专有流程转移将带来所承诺的改进。

好消息是设计师和设施经理不再孤单：升级数十年历史的工厂所需的设备、资源、技术和合作伙伴关系正在迅速发展，以将后端运营技术与前端分析和决策联系起来。虽然初创公司数量众多，但通常依靠过程控制设备的传统供应商来带头，在为工业物联网 (IIoT) 时代重新设计产品的同时带来领域经验。

罗克韦尔自动化在富士康工厂的早期立足点，已签署协议，与该公司合作在新的全球电子组装运营工厂实施互联企业和 IIoT 概念。该计划旨在结合两家公司的技术和领域专业知识，以提供具有“无与伦比的运营效率水平”的最先进的制造系统。

罗克韦尔已经展示了先进的数据采集、分析和建模如何改善结果。例如，卡夫亨氏公司使用罗克韦尔自动化的 Pavilion8 模型预测控制 (MPC) 来更新其老化的 Ore-Ida 薯片制造设施，以将流程效率提高 10%，从而在 12 到 16 年内获得投资技术回报月（图 1）。

图 1：罗克韦尔自动化的 Pavilion8 模型预测控制结合了许多改进流程所需的元素。图片：罗克韦尔自动化。

Pavilion8 是一个模块化软件平台，具有用于控制和分析生产系统各个方面的模块。然而，其核心是一个混合过程模型，它将多变量过程模型与基于现场工厂测量的经验知识相结合，以确定未来的控制行动。这有助于确保操作满足处理限制，同时有助于随着时间的推移提高性能。

需要开放平台和互操作性虽然罗克韦尔自动化和其他公司提供的软件和流程管理工具在实现更具预测性的工厂环境方面向前迈出了一大步，但行业和技术的发展是快速且成本高昂的。与此同时，从 Cree 和 Bosch 到 Siemens、Honeywell 和 Schneider Electric 的组件和过程控制供应商都在以自己的方式响应以满足客户的需求。这促使客户在硬件和软件方面要求更开放、可互操作的平台，以降低成本，同时允许他们利用最新技术。

这种必要性促使埃克森美孚启动了开放过程自动化论坛，该论坛现在在 The Open Group 的主持下运作。它最终将导致一个“标准标准”，该标准将选择当前存在的最好的，例如像现场总线这样的接口（只是一个例子），并添加必要的东西来填补任何空白。许多工业标准仅用于连接，包括 Modbus、BACnet、现场总线、以太网和 SCADA，以及无线接口，如 WirelessHART、zigbee、Z-Wave 和 Wi-Fi。然而，新论坛超越了连接性，还包括可互操作的过程控制软件、安全性和数据格式。

其他互操作性工作也在进行中：工业互联网联盟正在努力为制造和控制寻找某种程度的互操作性，尽管目前更多地关注互联网和云连接方面。它希望在协议、设备、接口、数据管理、分析和云操作方面找到共同点。

为此，它成立了工业互联网互操作性联盟（I 3 C），专注于互操作性的特定热点（图2）。

图 2：I 3 C 小组的成立专注于确保关键热点的互操作性，例如通信或数据交换格式。图片：工业互联网联盟。

该小组定义了需要特别关注的集群，例如制造中的智能设施运营集群，其中包括无线车间接口和数据交换格式。

连接 IT 和 OT随着标准工作的继续，设计人员和嵌入式开发人员仍然必须弄清楚如何响应管理层对更多 OT 流程数据的需求，以提供分析引擎和演示仪表板。这意味着 IT 和 OT 必须协同工作以获取必要的数据，同时不影响企业方面的安全性，同时保持已运行数十年的旧旧系统的完整性。

在启用此功能时脱颖而出的一个设备是边缘网关设备。一方面是通过一系列异构有线和无线工业网络与当前和遗留系统的接口。另一方面是到后端企业 IT 网络或直接到云的简单以太网有线和/或 LTE 无线连接。在网关本身内，设计人员必须确保足够的处理能力、内存、连接支持和基于硬件的信任根安全性，以确保实施至少在 8 到 15 年内不会过时。

华为和戴尔是两家已加紧满足这些要求的公司。华为推出了 AR502 系列敏捷网关，该网关基于 700 MHz 的 ARM 双核 Cortex-A9，具有 256 MB 的 DDR3 RAM 和 512 MB 的闪存（图 3）。它支持一个或两个千兆以太网接口，用于本地、现场网络连接，以及 802.11/b/g/n 无线、RS-232、RS-485/RS422、USB、DI/DO（RF45 连接器）、和LVTTL。对于主服务器或云端的数据回传，它支持GSM、3G和4G/LTE回传网络。

图 3：华为 AR502 敏捷网关基于运行频率为 700 MHz 的 ARM Cortex-A9，而戴尔 Edge Gateway 5000 使用运行频率高达 1.75 GHz 的 Intel Atom 处理器。图片：戴尔（上）和华为（下）。

安全支持广泛，包括 AAA 身份验证、RADIUS 身份验证和带有 PKI 管理的 8021.X/MAC/MAC 绕过身份验证、CPU 保护以及拒绝服务 (DoS) 和洪水攻击预防。

就其本身而言，Dell Edge Gateway 5000 系列基于运行频率高达 1.75 GHz 的 Intel Atom 处理器和高达 8 GB 的 DDR3 内存，以及高达 256 GB 的固态驱动器 (SSD) 支持（图3 ). 它还具有广泛的本地网络支持，包括 HDMI 支持，这有助于工业视觉系统越来越多地使用高分辨率视频。它也包括多达两个 GbE 接口。它到网络的回程是有线的，它支持英特尔的可信平台模块 (TPM) 2.0 实施。

戴尔和华为网关还支持 Tridium 的 Niagara 控制框架，允许对各种系统和网络进行控制、分析和可视化。Kodaro 最近将 Niagara 移植到戴尔网关，并与 IoTium 合作开发其 iNodeOS 托管操作系统 (OS) 技术，以实现安全、零接触的网络配置和远程更新。

这种协作很重要，因为 IoTium 的 iNodeOS 功能之一是它消除了要求 IT 打开端口或更改代理设置的需要。这样做有助于保持 IT 网络的完整性，同时确保快速部署。

工业边缘计算华为和戴尔网关象征着这种边缘计算形式的重要性。至关重要的是，IIC 已与中国边缘计算联盟 (ECC) 合作，以扩展这种类型的边缘处理，使其更具互操作性，并且所有更多的分析都发生在边缘，而不是导致延迟和加载网络通过不必要地向和从本地设备或网络发送数据到云。如果网关可以进行本地分析，那就让它吧。

IIC 和 ECC 将在 IIoT 最佳实践、标准和测试台开发方面进行合作。当他们这样做时，生成数据的传感器和微控制器将继续在电机等设备上更加集成，而罗克韦尔已经在计划更多的自我感知系统。例如，它们可以检测电机轴承何时过热，并在整个装配线受到损害之前减慢速度。

自我感知设备和 IIoT 最佳实践以及先进的机器人技术很可能成为富士康新工厂的重要组成部分。这很可能是一个关于什么是可取的和什么是可行的案例研究。中间的某个地方可能是可标准化的。

审核编辑 黄昊宇