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工业自动化系统 工业物联网

本文的讨论将会针对在工业自动化系统中应用IoT技术的一般原理给出建议。为了将这种工业应用于基于网络的物联网区分开来并引起工业界的注意,我们暂且将这种概念定义为工业物联网(I2
关键词: 工业物联网
时间:2013-12-04 23:51 来源:物联网在线 作者:Ioter 点击:

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本文的讨论将会针对在工业自动化系统中应用IoT技术的一般原理给出建议。为了将这种工业应用于基于网络的物联网区分开来并引起工业界的注意,我们暂且将这种概念定义为工业物联网(I2oT)。

物联网(IoT)和机器对机器(M2M)的概念吸引了很多公众和投资财团的关注,围绕此概念的会议已经在全球范围举行了多次。IoT是指各种个体之间的互联,从家庭应用到工业应用中的设备,以以太网或者类似以太网的架构连接。这一尝试背后的理念就是地球上任何位置的智能设备之间应该能够互相通讯,或者能够与人员通讯——这将极大地提升生产力。
工业M2M网络非常成熟,早已被广泛地采用,不过在某些M2M的宣传资料中,仍旧将这种概念渲染成新鲜事物。IoT技术能够给这些工业网络带来好处,前提是应用得当,如果没有计划地或者随意地使用,也会带来缺点。
I2oT必须首先强调自动化网络的安全性、鲁棒性和适时型,同时将远程存取功能作为辅助要求。
为什么用和为什么不在自动化领域中,I2oT技术代表实现工业自动化通讯部分集中的一种可能性。它将会给功能型、安全性、灵活性、易用性和成本节省带来提升。从长远来看,它对供应商和用户都是有好处的。它会给整个自动化工业打上一针强心剂,所有采用这种技术的用户都会从中获益。
从短期角度来看,它是一个具有破坏性的技术,它要求使用者做出改变,如果使用者不具备更改所需的资源或者领导力,它就会带来威胁。它会跨越组织机构的界限,模糊各种协议的分界。实现这种技术的优势挑战在于更多地组织架构上而不是技术上。实际上,比较下来技术上的挑战微乎其微。目前来说,将I2oT技术应用于工业自动化领域是否必要仍未有定论。
它到底是什么?
本文讨论的意图在于为I2oT提供一种模型,它必须非常简单,但是又足以支撑后续的讨论和定义。本文并非建议花费大量的努力对新通讯技术进行研究,而是建议以一种合理的方法应用已经存在的技术。需要进行大量的磨合,而且仍有一些欠缺需要弥补。
要素——I2oT将会提供一种利用多项通用技术将多种物理媒介和多种应用集成在一个工业网络系统中的方法。I2oT并非是只有一个应用层或者只有一种物理媒介的简单堆栈。事实上,一种物理媒介无法满足所有的安装需求,我们需要多个应用层来为所有的情况服务。
应用——在通讯堆栈之上,我们有很多应用层(还存在一些用户层,可能是应用层的一部分也有可能不是,取决于具体应用)。很容易就能得出这个结论,我们的应用层远超所需,但是这种争论是无意义的,因为它们的存在已经是既有事实,而且数量还非常大。关于一种应用层是否能够取代所有现存的应用层的讨论也值得商榷。每一种应用层都有其强项和弱点,都能在市场上争得一席之地。较为简单和合理的方法是假设需要多种接口,而且在考虑工业通讯技术的未来时我们应该期望能够支持所有的这些接口。

IPv6——如果I2oT支持所有现有的媒介和应用层(它也应该支持),那么I2oT到底集中了什么?答案很简单:在I2oT的世界里,所有的协议都是用以太网协议第6版本(IPv6),将其作为通讯堆栈的网络层。IPv6还有一个扩展版本叫做6LoWPAN,它允许网络层在低功率和带宽受限的网络中使用。它最初是针对电池供电的无线电网络而设计的,但是也适用于有线网络。具有6LoWPAN的IPv6才真正赋予了协议在全球范围内任何设备之间找到并发送信息的能力。任何媒介都应该支持IP,任何应用应该都能够在IP层上运作,而且很多应用已经这么做了。
通用网络层的使用实现了集中的第一步,包括在多个应用之间共享媒介,针对特定任务选择最佳媒介和应用,无需重新构建基础架构。
物理媒介包括:
■ 单根或者多根双绞线;
■ 同轴电缆;
■ 单模和多模光纤;
■ 各种无线电;
■ 声音;
■ 红外线。
PHY/MAC规格适用于这些媒介类型中,无需重新建立。所有这些种类的媒介都应该受到不间断的支持。然而,很多这些物理层规格和链路层规格都被某些协议捆绑于一种单一的应用。这种联系必须被打破,而且打破这种联系并不费什么力气。这种联系被打破之后,任何媒介都应该能够被多种应用共享。
由于一些物理上的局限性(例如距离),有些应用具有较高的延迟和较窄的带宽,这些应用要求在IP层之上的各层做些调整,同时为可以使用单独媒介做出一些限制。当网络具有直接的高速/低延迟链路层时,还是有一些捷径和简化策略可取的。
通讯堆栈模型在上层和底层都有多种选项,但是单一网络层有时被称为时间沙漏型,或者Hedy Lamarr模型,以纪念她在二战期间发明了直接序列扩频技术。
交换和路由——交换网络是一种选择技术。不支持交换和路由的协议必须升级,通用网络层可以起到帮助。点对点和多路总线在未来世界里必须配有网关才能够通讯,但是新型网络应该只要与交换机或者路由器相连即可。这种模型中,交换机和路由器能够在没有网关的情况下完成媒介转换。
有了合适的交换和路由技术,网络层就可以选择IPv4作为额外的协议选择,这值得一试。
通用的时间——对于事件标签、通讯和应用程序规划以及安全性所需的实时网络来说,时间同步是必须的。最好使用GMT或者TAI时间。简单的时间计数器或者本体时间会在系统搭建和维护的过程中引发问题,也会降低安全性,所以某些协议需要升级。不幸的是,标准化的时间同步没那么容易实现,因为网络和应用的需求不同。对于那些对时间同步要求不严格的应用,可以使用SNTP。很多网络和某些应用要求达到毫秒级的时间同步,有很多实现方法。这就进入了标准标准化的范畴。
令牌不应该用作安排时序,每一台设备中都有时钟,可以实现更加有效和可靠的时序机制。令牌可以用于一些不确定性总线控制(TCP),但是总的来说,令牌和工业通讯不应该混合使用。那么就有更多的网络需要升级。
架构——ISA100.15针对I2oT所适用的架构发布了模型和术语。文件中并没有明确提及架构是如何组成的,它仅仅给出了一些用例。如果要依赖I2oT实现一些交互作业能力,那么还需要一些细节内容。
I2oT的架构原则如下:
■ ISA100.15解释了将自动化网络分隔成多个区域并使用适配装置将多个区域连接起来的方法。区域和适配装置的概念由ISA99依据ISA/IEC 62443提出。
■ ISA100.15解释了创建并实施一种策略的方法,用来明确哪些实体可以通过工业网络进行通讯,以及如何为这些通讯分配带宽或者优先级。
■ 作为一种通用原则,很多自动化节点和网络都对数据带宽和数据处理能力进行限制。从这些节点发出的主要数据源必须独立缓存和存储,并且为需要这些数据点用户提供足够的带宽。直接对节点进行存取要求有系统的限制做保障。
■ 本地自行控制和本地历史数据收集和压缩是工业自动化系统应对低带宽或者可变延迟网络的两种技术。为了满足这些需求,使用了很多专利架构,这些特性还是有机会标准化的。
通用的网络管理——这项工作已经在ISA100.20中开始进行,以实现一致的网络管理。这一欠缺必须弥补,一致的网络管理意味着使用同一种工具对多种不同的网络进行管理的方法。某些工具已经可以使用,但是很多网络的设计并不支持使用外部工具。还有一些网络是无法管理的。这是一个着手点。
通用的安全管理——这一方面也要关注。将这一方面内容与通用的网络管理区分开来并不容易,实际上它很有可能是采用同样的方法实现。通用安全管理需要包含供给程序和工具。大多数工业协议并不具备足够的安全性。它们需要升级以获取这些标准的特性。
用来支持合规性认证的规范和条款——我们需要即插即用而不是听天由命。这意味着我们需要足够的合规性条款和规范,认证机构可以藉此进行合规性测试。标准撰写机构所撰写的标准能够找到相关内容,但是并不足以满足工业需求。
未来的着手点在哪里?
有多种途径甚至多种方法来实现这种技术移植。到底通过什么方法或者什么终端来实现最终的目的都是不确定的,唯一确定的就是这种技术会发生改变,而这种改变改变将带来更大的多样性。
当前的状态——很多组织正在致力于解决这个问题,但是没有一个组织能够覆盖所有方面,而且没有组织能够在这场技术变动中发挥引领作用。
一些标准组织已经开始标准化通讯堆栈的水平层。IEE撰写了PHY/MAC(或者链路)层的标准。IETF撰写了网络层和传输层的标准。链路程和网络层的临界技术上的协调发展正具有蓬勃之势,有时甚至你追我赶。
很多基金会针对通讯堆栈的规格采用了纵向方法,撰写了完整的从上至下的堆栈描述。很多都仅仅支持一种PHY和一种应用,且两者之间仅有一个堆栈。其他具有多个PHY层级的堆栈描述在层级之间具有首先的堆栈。这些基金会都是市场中的竞争对手。
所有这些组织要么只解决了通讯问题的横向部分或者纵向部分,亦或者仅仅解决问题的一小部分。所有这些组织都可以采用最佳的技术缓慢集中,也有可能不。如果市场的推动力最终促使这种集中式的变化发生,那么比较保守的估计是在市场条件下,这种集中会发生得很缓慢、很混沌。
先进的组织——成功需要领袖,或者多家组织的联盟。相互联合的企业不胜枚举,供应商、标准化组织和基金会都需要领袖企业的出现。


不要忘记中间地带
作者:Daniel Drolet

在过去25年间,人们一直在思考如何才能够正确地发展和利用IoT和I2oT,围绕着这一思维图谱似乎总存在着两个极端的想法。
工业自动化和控制总是需要通过各种设备实现机械化,在那场革命中我们开始注重提升效率减少劳动力。随后我们发展到了分布式控制,然后是分布式传感,然后是关键系统的分布式智能。
同时,图谱的另外一端——人类越来越依赖于工厂生产出来的各种设备,人类对便利、舒适和生活的改善变得好奇、着迷甚至沉迷。
这会最终导致两种有趣的结果;一个极端是改善生产机制(例如工业和工厂车间),另一个极端是通过用户实现的利益和价值进一步促进了消费市场的繁荣。
正如我们都知道的,收音机、电视等消费市场的发展,以及手机、平板电脑和智能设备等应用的普及,为我们的生活带来了巨大的便利。
这创造了一种非常重要而且经常被忽视的事实——记住了两个极端,通常让我们忘记了两个极端的结合体,以及这种结合体到底代表什么——例如全部的商务工业服务、产品、销售终端、支付系统、安全和我们每天生活工作中都要融入其中的整个社会基础设施。
这个结合体就是IoT,它结合了分布式控制、分布式传感、分布式智能、M2M通讯以及人机界面和交互体验,例如社交媒介,它们受到电子商务的理念和基础架构的推动。从本质上来讲,IoT与对人类或者实体重要的各种活动都有关,Herman Storey描述的是图谱的两端。PCN公司认为聚焦于两端之间的结合部分并且通过智能基础架构来使中间部分更紧密地结合才是IoT或者I2oT成功的源泉。
PCN公司通过重新勾画和使用现有架构,针对“智能基础架构”的快速升级开发了相应技术和产品。根据I2oT的最高目标和期待中的样子来实现I2oT,保证“工业通讯革命”最终会发生。考虑到成本、时间节点、生产停顿、安全和固定资产花费,社会的运转不能简单地停顿以使用IP通讯基础设施来替换原有的通讯基础设施,并实现IoT和I2oT的全部目标。横向的各种新技术和今天使用的各种哪怕是恼人的技术都是未来的铺垫,为的就是在单一通讯基础设施或者现有通讯基础设施上实现多种架构。
现有的基础设施可以使用,同时在这一基础设施之内的任何位置都可以应用IP以太网网络,网络拥有者可以轻松地增加新设备、应用和系统,不会影响目前正在工作的设备、应用和系统。向工业以太网和I2oT的可控的移植现在可以成功地实现了,确保关键基础设施在工业系统、能源、使用和天然气、运输和其他领域都能够得到升级。


简单、灵活且功能强大的技术解决方案
Rick Bullotta

如果不考虑如下内容,那么任何希望将IoT应用到工业领域的考虑都是不完整的:
■ 老式系统和设备——这些设备如何融入新架构,在堆栈的所有层级融入吗?虽然IPv6和6LoWPAN是非常重要的发展方向,但是现有设备和终端也不能弃之不用。
■ IoT和I2oT并不是一个通讯问题(或者时机问题);它们是为了创造有效的应用。虽然将较低层级的网络标准化非常有用,但是它将难以全面解放这种技术的潜力,并且仅仅满足需求的一部分。其他的关键组件包括:
1.一个发现、定位和使用IoT/I2oT所提供的数据、服务和事件的语义模型。虽然IoT中的“I”代表以太网,但是实际上以太网并非我们在日常生活中见证的各种革新的源泉。在以太网之上发挥作用的更多的是WWW和相关的标准。
2.高细粒度的安全模型,可以针对每一台设备的能力进行准入保护。有了这种方法,我们可以有选择地进行共享和准入控制,更好地应对网络安全问题。
3.网络层的服务质量(QoS)和安全性。并不是所有通过IoT和I2oT发送的信息和比特都具有相同的重要性,这一点必须在堆栈设计时考虑在内。IPV6在这一领域做了考虑,但是并不足够。
不要忘记这一讨论中人的因素。人仍旧是很多工业过程中的传感器、执行器和知识储备。如果不考虑人如何与I2oT交互,那么结果一定是以失败告终。
虽然有些供应商持反对意见,但是IoT和I2oT并不能简单地归结为云设备架构。事实上,为了成功地实现安全、可靠和作业能力,我们需要考虑将其作为分布式系统架构来考虑。我们之中有些人来自于工业自动化领域,他们已经有了几十年的处理这种类型问题的经验,从过去的经验中我们可以学到很多,并将其应用到IoT和I2oT技术中。标准很重要,但是我们需要仔细考虑我们的精力需要首先放在标准化的哪一个部分。例如:
哪一个部分具有最直接的影响?
■ 我们如何落实老式设备碰到的问题?
■ 我们如何在标准化进程中兼顾未来的发展,以确保当IPv24、无限速度、零重力、无源无线通讯成为可能时,我们不至于手足无措?
■ 不要只考虑过往,还要考虑未来的应用。
此外,我们应该如何接纳IoT和I2oT的其他组件?
■ 资产、人员甚至数据的定位。数据包括时间、价值、质量和位置。
■ 通过超文本标记语言元标记和其他机制实现数据的语境化,例如放弃单纯的历史数据备份,使用智能历史数据备份。
■ 移动设备和新型交互特性,包括基于推送功能的通知、基于搜索功能的信息存取和任何位置的安全连接。
■ 扩展工作环境中的设备、过程、系统和人员的社交网络概念。
在ThingWorx公司,我们将工业领域的丰富经验应用到IoT和I2oT的课程和技能培训上。我们分享了开放将会带来巨大价值的观点。我们热切地相信只要我们能够提供简单、灵活和功能强大的解决方案,开放就能够实现。这些组件并不互相排斥,安全和可靠性就是一个例子。我们还强烈地意识到在两个方向上共享经验和技术也非常重要——将从开放的、移动协同的和兼容并包的IoT领域学到的经验应用到工业范畴,同时借助在工业界长达数十年的关于可靠的、高性能驱动的分布式系统相关知识和经验,一定会受益良多。


(责任编辑:ioter)


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