克里夫·奥特梅尔,纽瓦克技术营销全球主管
如今,那些从事工业自动化工作的人将工业物联网(IIoT)视为一种创建设备和应用程序内聚系统的方法。工业物联网增强了跨机器和站点无缝共享数据的能力,优化生产,并找到新的成本节约机会。
但许多工业物联网探索者很快发现,他们的传统操作技术(OT)架构无法扩展,定价过高,需要复杂的配置和支持。为了使工业物联网工作,它应该从边缘到云端构建,需要一个更分布式的架构,为传感器和执行器以及与之连接的输入/输出(I/O)系统和控制器提供现场到云端的连接。
传统上,工业自动化体系结构在层次结构中处理数据处理,如经典的普渡模型。这种分层方法明确了数据的来源、存储位置以及处理和交付位置。但这种方法的问题是需要大量的工作来设计、物理连接、配置、数字映射、通信,然后维护现场数据点。在这种层次结构中传输和处理数据非常困难,因为连接设备和应用程序需要很多层设备。
跨越边缘,雾,云
当计算能力、网络带宽和安全特性非常有限时,分层方法是必要的。从基本的硬连线传感器到云的层次结构的每一步都需要访问更多的计算和网络资源。
如今,这种关系已经发生了变化,因为传感器和其他边缘设备在处理和通信能力方面已经取得了长足的进步。该体系结构现在可以变得更扁平和更分布式,底层设备能够直接将数据发送到目的地。
这种底层设备的网络优势仍然是重要的数据来源,云仍然是重量级计算的宝贵资源。然而,介于两者之间的资源正成为数据生成设备和数据处理基础设施的混合。这种模糊的中间地带之所以被称为雾,是因为它就像一种广泛的、无处不在的、中等重量的云。
目标是平衡边缘系统和高级系统之间的计算和网络需求。边缘计算免除了中央处理,保持了数据保真度,提高了本地响应性和安全性,并提高了数据传输到云的效率。但是这种新型的从边缘到云的架构需要在边缘获得、保护、存储和处理现场数据的新选项。
它从一种更智能的分布式I/O方法开始。传统的体系结构需要大量的工作来设计、连接、配置、数字映射、通信,然后维护现场数据的I/O点。在以后的日期添加一个点可能需要重新考虑所有这些步骤。
相反,工业自动化设计师应该绕过真实世界和中间或顶层分析系统之间的层。有了足够的计算能力,实现通信的所有必要软件都可以直接嵌入到I/O设备中。I/O设备现在可以自己传输信息,而不是要求控制器配置、轮询和向更高级别通信I/O数据。这种方法称为智能远程I/O,有时也称为边缘I/O。
边缘I/O利用了这些技术,并将它们与标准IT协议相结合,如TLS(传输层安全)加密、VPN(虚拟专用网络)用于安全远程连接,以及DHCP(动态主机配置协议)用于自动寻址。边缘I/O设备是分布式系统中的一流参与者,而不是需要支持中间件的层。
接下来是边缘控制器,将它们连接在一起。传统工业控制器的范围有限,需要中间系统将过程数据连接到组织的其他部分。与边缘I/O一样,由Opto 22首次引入工业自动化市场的现代边缘可编程工业控制器(EPICs)利用新技术吸收了比前几代更多的自动化功能。
通过工业加固组件、安全网络、多语言编程和多核处理,边缘控制器(如Opto 22的groov EPIC)可以提供传统的实时I/O控制,同时还可以托管通信、可视化甚至数据库服务器。在工业物联网应用中,边缘控制器可以利用这种灵活性与一系列数据生产者通信,以有意义的方式转换他们的数据,并安全地将其交付给数据消费者。
新的架构选项
那么,对于使用现代边缘I/O和边缘控制器的设计师来说,有哪些新的架构可能性呢?随着边缘设备使边缘和更高组织级别的计算资源可以使用本地数据,即使地理分布扩大,逻辑层次结构也可以变平。
当现场信号分布在大的地理区域或多个站点时,边缘设备可以将数据传输到网络应用程序和数据库,提高本地基础设施的效率和安全性,或取代Windows pc等高维护中间件。智能硬件和软件的结合缩小了OT和IT系统之间的差距,创建了一个可扩展和集中管理的统一数据网络。
边缘I/O还可以帮助集成遗留设备。它可以为棕地站点现有的设备I/O形成一个基本的数据处理结构,并与更强大的边缘控制器和物联网网关结合使用。这种方法在不干扰现有控制系统的情况下提高了安全性和连接性。
工程师还可以设计简单、平坦的数据处理网络,只使用边缘I/O设备(没有控制器或网关),根据需要扩展以监视额外的现场信号。这样的分布式I/O系统可以处理数据,并直接向基于云的监控系统、预测性维护数据库或MQTT代理报告数据。
带有嵌入式MQTT客户机的边缘设备可以直接将字段数据发布到共享的MQTT代理/服务器或位于网络到达的任何地方的冗余MQTT服务器组:内部、云中或作为区域雾计算资源的一部分。然后代理可以管理该数据的订阅者—跨组织的感兴趣的网络客户机的数量,包括控制系统、web服务和其他边缘设备。
这种新架构也使无缝连接成为现实,这要感谢那些使无处不在的数据交换成为可能的技术。新的硬件和软件产品实现了现场、本地控制室、前台办公室、跨地理区域和全球数据中心的物理位置之间的互连。
分布式边缘I/O、边缘控制器和相关的网络技术支持通过工业体系结构的边缘、雾和云部分进行数据传输。使用这种方法,设计人员可以消除IT和OT领域之间以前的边界,并获得优化操作所需的数据。
最终的想法
自动化设计师在工业物联网中遇到的主要挑战是复杂性、安全性和高成本。从网络的边缘——从工厂、商业建筑和远程站点中的传感器和执行器——到数据库和需要使用这些数据的人——获取数据可能令人生畏。
新一代分布式I/O技术和控制现在为他们提供了基于ioo的连接基础设施的新可能性,该基础设施可以跨机器和站点无缝共享数据,以提高自动化能力,同时降低成本。
纽瓦克
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