既有的工控系統(tǒng)如何向物聯(lián)網(wǎng)化演進(jìn)？

　　摘要：首先介紹了傳統(tǒng)工控系統(tǒng)的漸進(jìn)式發(fā)展思路，以及物聯(lián)網(wǎng)的革命式(一步到位)發(fā)展思路。并探討了邊緣計(jì)算的重要性。并以風(fēng)河公司的Titamiun Control物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)為例，探討了工業(yè)用物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)的特點(diǎn)。

　　關(guān)鍵詞：工控;物聯(lián)網(wǎng);操作系統(tǒng)

　　從傳統(tǒng)工控到物聯(lián)網(wǎng)化

　　目前，工業(yè)控制系統(tǒng)正從傳統(tǒng)的復(fù)雜無序的控制系統(tǒng)，向簡(jiǎn)化、整潔、開放的物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)演變。圖1是埃克森美孚公司的傳統(tǒng)控制系統(tǒng)和新的物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)的架構(gòu)，圖2和圖3是放大的局部圖。由圖2和圖3可見，二者的區(qū)別是：過去各個(gè)OT(操作技術(shù))和IT(信息技術(shù))設(shè)備是分立的(圖2)，而現(xiàn)在控制端在云端(如圖3)。圖1~圖3中，黃色框是運(yùn)營(yíng)/操作功能(OT)，藍(lán)色框是典型的IT功能，包括監(jiān)控體系、資產(chǎn)體系等。

　　圖1 傳統(tǒng)工控系統(tǒng)的漸進(jìn)式演變

圖2 傳統(tǒng)架構(gòu)的歷史演進(jìn)(圖1的左半部分)

圖3 新的開放系統(tǒng)架構(gòu)(圖1的右半部分)

　　圖2黃色產(chǎn)品塊來自GE、西門子、施耐德等公司的產(chǎn)品?，F(xiàn)在的任務(wù)是把這些實(shí)體的小盒子變成虛擬的，放到云端上，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的簡(jiǎn)化。例如，過去沒有虛擬化，需要增加一類功能就要增加一臺(tái)服務(wù)器，缺點(diǎn)是過去一臺(tái)服務(wù)器也許不能用滿，會(huì)造成服務(wù)器資源的浪費(fèi)?，F(xiàn)在(如圖3)同一個(gè)大盒子按照資源量進(jìn)行虛擬功能分塊，可把資源集中在一臺(tái)服務(wù)器上。

　　從圖2到圖3的演變可能需要5~10年時(shí)間。時(shí)間長(zhǎng)短主要取決于各企業(yè)的商業(yè)模式，例如有的公司剛購(gòu)置了一個(gè)如圖1的黃色小塊的功能，為了實(shí)現(xiàn)投資回報(bào)，不可能把以前的設(shè)備全部推倒重來。另外，新技術(shù)的應(yīng)用也需要時(shí)間，例如核電廠的測(cè)試需要花費(fèi)時(shí)間。再有不同行業(yè)對(duì)科技的應(yīng)用速度也有快有慢。

　　云與邊緣

　　云是無處不在的。我們身邊的產(chǎn)品就有云服務(wù)，例如手機(jī)和電腦都用到了云服務(wù)。著名的云服務(wù)提供商有美國(guó)的微軟Azure、亞馬遜AWS等，中國(guó)有BAT(百度阿里騰訊)等。

圖4 物聯(lián)網(wǎng)從云到邊緣的框架

　　圖4左側(cè)是云，右側(cè)是邊緣(Edge)，中間是二者的接入。實(shí)際上，物聯(lián)網(wǎng)計(jì)算覆蓋了云和邊緣，因此均需要保證安全。

　　Titamiun Control定位工控/邊緣

　　近日，風(fēng)河公司行業(yè)解決方案部門高級(jí)總監(jiān)Ricky Watts來京，向電子產(chǎn)品世界的記者介紹了用于邊緣的虛擬化平臺(tái)(圖3中的紅色框)及風(fēng)河2017年的新產(chǎn)品——Titamiun Control。

　　眾所周知，邊緣有Fog(霧)和Mist(薄霧)。那么為何有了云，還要有邊緣?首先為了節(jié)省時(shí)間，計(jì)算盡可能放在離邊緣/設(shè)備近的地方。例如機(jī)器人要執(zhí)行一項(xiàng)任務(wù)：擰一個(gè)螺釘。如果把控制功能放在云上，再?gòu)脑频皆O(shè)備、再返回到云，耗時(shí)較長(zhǎng)。其次是監(jiān)管的需要，例如中國(guó)的工廠，諸如核電廠，把數(shù)據(jù)放到美國(guó)的云上，是不太合理、合法的。再有是邊緣會(huì)產(chǎn)生海量的數(shù)據(jù)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在邊緣生成的數(shù)據(jù)99%被扔掉了，因?yàn)閿?shù)據(jù)量太大，不能送到云端上，例如一些電機(jī)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量會(huì)達(dá)到TB級(jí)的數(shù)據(jù)量。

　　但是這些控制端也需要安全和高效。為此，風(fēng)河推出了Titamiun Control產(chǎn)品。據(jù)悉，?？松梨诠?021年將部署風(fēng)河Titanium Control系統(tǒng)，2024年將正式運(yùn)行。

　　實(shí)際上，風(fēng)河Titanium家族有三款產(chǎn)品：Titamiun Cloud, Titamiun Edge和Titamiun Control。前兩款基于通信/電信，后者定位工控等邊緣設(shè)備。

　　可見，Titamiun Control是基于Titamiun Cloud的整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)而產(chǎn)生的，特點(diǎn)是高可靠性和低延遲性。另外，工業(yè)市場(chǎng)需要有針對(duì)性的產(chǎn)品，例如水、電、氣等系統(tǒng)對(duì)安全性和可靠性要高，為此，相比Titamiun Cloud，Titamiun Control增加了安全性。

　　Titamiun Control的亮點(diǎn)是安全

　　Titamiun Control軟件包括三部分。

　　*開源軟件。Titamiun Control軟件有三層集成系統(tǒng)，這對(duì)工業(yè)客戶十分重要，例如二三年后可能更換硬件平臺(tái)，又不會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生影響。同時(shí)在安全方面，增加安全性能時(shí)不會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)造成干擾。

　　*實(shí)時(shí)性。在物聯(lián)網(wǎng)邊緣希望始終實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的要求。

　　*安全。傳統(tǒng)工控系統(tǒng)中有一整套特有的方式來保證安全。如果做成工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)方案，Titamiun Control有三種方法確保安全。1.自上而下的經(jīng)典安全模型，原理像筆記本電腦的開機(jī)，需要密碼認(rèn)證。2.自下而上，有受信平臺(tái)模型(TPM)。如果一個(gè)軟件沒有解密密碼，軟件就無法安裝到平臺(tái)上。3.穿越整個(gè)系統(tǒng)。Titamiun Control有ITA(集成測(cè)量架構(gòu))，在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，如果有人想登陸或改變數(shù)據(jù)，軟件會(huì)模擬并自動(dòng)關(guān)閉系統(tǒng)。

　　應(yīng)用案例：水處理系統(tǒng)

　　Titamiun Control的系統(tǒng)平臺(tái)可用于公用事業(yè)，諸如水處理和發(fā)電等，特點(diǎn)是高安全性。

　　圖4是水處理使用模型。無論是地下取水或回收水等，都要確保系統(tǒng)安全。在水處理過程中需要用到水泵和檢測(cè)器等，需要用到模擬器(simulator)，把運(yùn)轉(zhuǎn)過程放到模擬器上去模擬運(yùn)轉(zhuǎn)(圖5中)，即把它放到Titanium Control上。為何這么做?因?yàn)門itanium Contro平臺(tái)能盡可能接近工廠中的實(shí)際情況。如果在模型器中運(yùn)轉(zhuǎn)良好，就會(huì)復(fù)制到真實(shí)的工廠中(見圖5藍(lán)色箭頭)。綠色箭頭是把模型復(fù)制到真實(shí)工廠之后，會(huì)衡量結(jié)果，同時(shí)和模擬器中的結(jié)果對(duì)比。

　　圖5 水處理使用模型

　　現(xiàn)在模型系統(tǒng)和操作系統(tǒng)是分開的。但是隨著技術(shù)可用性更高，可以把模型系統(tǒng)和實(shí)際操作系統(tǒng)放到同一平臺(tái)上。

　　目前此過程還是手動(dòng)/人為過程，需要很多人參與，最終將實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的全自動(dòng)化，無需耗費(fèi)人力。盡管這是未來的目標(biāo)，但相信會(huì)很快實(shí)現(xiàn)。

　　小結(jié)

　　對(duì)于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)(圖3)，傳統(tǒng)工控系統(tǒng)(圖2)不可能像新興企業(yè)一樣一步到位。這時(shí)對(duì)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)操作系統(tǒng)的需求特點(diǎn)是：開放性強(qiáng)，可擴(kuò)展性強(qiáng)，安全可靠性高。

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