工业

结合主流工业以太网络运作 工业物联网协议新秀辈出

字号+ 作者:Mark Patrick 来源:2cm 2018-06-27 11:11

工业连接通常须订制化解决方案,会面临维护不易、成本过高的问题,因此工业自动化正透过Profinet等工业以太网络协议的整合,来克服这些局限


图片来源:
https://pixabay.com/photo-2738423/
 


工业连接通常须订制化解决方案,会面临维护不易、成本过高的问题,因此工业自动化正透过Profinet等工业以太网络协议的整合,来克服这些局限。而MQTT、OPC、UA等协议也不断增强,以满足工业物联网(IIoT)所需技术。
 
工业物联网(IIoT)能够支持智慧工业的新时代。工业物联网基于开放性和互用性、易扩展性和大数据之概念,可以帮助企业在各种制造和业务流程中显著改进营运。
 
IIoT技术正在应对一些市场空间的问题以便充分利用机器与机器(M2M)的通讯、远程访问和密集数据撷取来支持统计制程控制、制造管理和持续的改进计划。事实上,现代工业企业中的数据流已经被组织成一个成熟的机制。
 
在监控和数据撷取(SCADA)层面及以下,工业以太网络协议已经在不断发展以满足过程自动化等相关之特定要求。一个特别的要求是须支持确定性控制(Deterministic Control),这种要求通常是实时的,只允许毫秒级之延迟。工业以太网络协议也被用来满足当今工业企业日益增长的数据需求,从而帮助他们更快地满足客户需求,提升产品质量,并降低成本。
 
即便这样的商业目标已经确立,但从历史上看,工业连接通常依赖基于专有标准的订制化解决方案,这些解决方案的实施成本很高,维护复杂且难以扩展。虽然IIoT技术可以帮助改变这一切,但工业自动化领域已经在尝试克服这些明显的局限性。例如,工业以太网络协议已经将Profinet等几个常用规格进行了整合。
 
关键业务型工业以太网络
 
Profinet非常适合工业自动化任务,同时支持不断增长的M2M通讯和数据撷取之需求,它也能够适用于满足工业过程的特定需求。基于来自不同制造商的装置和系统的互操作性和互换性,大量的应用程序配置档案可以确保装置系列以相同的方式使用Profinet。这种例子包括用于驱动器/马达的PROFIdrive、适用于能源管理的PROFIenergy以及与功能安全相关的PROFIsafe等。此外,Profinet I/O配置档案还提供了连接机械开关等非智能装置的方法,以监控状态并发送指令。
 
Profinet还设计用于处理特殊的工业要求,例如在无法使用以太网络的危险环境中进行安全的操作。Profinet透过代理进行处理,允许安全的现场总线端点将处于危险区域的装置连接到基于以太网络的基础设施。以这种方式可以支持多种现场总线规格,包括PROFIBUS DP、PROFIBUS PA、Interbus、DeviceNet、Foundation Fieldbus等,以及使用Profinet I/O等配置档案的非智能装置。
 
Profinet已经安装了超过1,700多万个节点,这种成功表明SCADA系统和制程自动化装置之间连接的监控得到了很好管理和有效执行。IIoT技术可以帮助数据撷取,尤其是使制造活动中的数据在SCADA层面之上的整个企业IT基础设施能够关联并可访问。
 
物联网能带来什么?
 
从商业角度来看,IIoT技术作为一种实现数字化转型的途径,将使企业更加有兴趣采纳,最终将可以提高制造生产率,提高企业的营运效率,并推动创新。
 
用于制程控制统一架构的对象链接和嵌入(OPC UA)是一种新兴的基于以太网络的协议,可处理工业制程数据、警报、事件和历史数据之间的通讯。它是一种中立的平台,具有内建的安全性,能够支持自主和智能的系统。透过这些特性,它提供了一个用于开放的、与供货商无关的通讯平台,在控制器层面将可编程逻辑控制器(PLC)、传感器数据与SCADA系统、MES、ERP和云端连接在一起。
 
轻量级协议/开放标准
 
消息队列遥测传输(MQTT)把营运技术(OT)和讯息技术(IT)两个领域整合在一起,可能会成为一个普遍的协议。最初,MQTT被设计为一个轻量级、数据未知、低开销的协议,主要用于石油和天然气行业的低带宽数据连接。现在它已经用于Facebook Messenger等讯息应用程序,以及亚马逊和IBM IoT平台等等。
 
MQTT透过运作将数据生成者与数据用户分离的发布/订阅模型,能够提供IIoT技术所期望的可扩展性和灵活性。这与工业领域采用的通常是主/从式的传统M2M原则,或者从特定来源重复请求数据的轮询响应有着根本不同。在这个传统模型中,导入传感器等新的数据源,改变或扩展应用程序以使用更大的数据集,都是复杂且严格的挑战。
 
在MQTT使用的发布/订阅方法中,数据生成端(例如传感器)只要数据准备就绪即可发布,这些数据通常可供任何订阅用户使用。只需最少干预,即可导入新装置或改变订阅。以异常报告(RBE)为基础发布数据可释放网络带宽,以供关键的OT装置和企业系统使用。此外,低数据封包开销和简单的功能有助于更加简化,报头(Header)仅占用微薄的2字符,有效负载关联于特定应用,并且只支持连接、断开连接、发布、订阅和Ping等操作。
 
许多其他发布/订阅协议可能对IIoT场景中的数据撷取有用。数据分发服务(DDS)是一种开放协议,不须像MQTT服务器那样集中式代理,因此允许更简单的网络管理以及更快的通讯。微秒级分辨率使DDS适用于实时和嵌入式系统,以及关键业务应用。
 
在其他发布/订阅协议中,高级消息队列协议(AMQP)已经在金融服务部门得到广泛应用,并且具备保证交易完成的机制。然而,AMQP并非轻量级协议,可能会阻碍其在带宽受限之工业通讯中的采用。
 
作为发布/订阅的替代方案,受限应用协议(CoAP)等互联网协议,由于使用代表性状态转移(REST),透过请求可在服务器上提供资源,可以像与一个Web API互动一样,能够轻松地从传感器获取数据,并且可以应对各种不同类型的有效载荷。CoAP支持多种数据类型,包括HTML、JavaScript、JSON和XML。基于HTTP的JSON在更广泛的物联网中已经非常流行。CoAP与HTTP很相似,但只有4个字符的报头,以及紧凑的编码和简化的请求结构,非常适合基于微控制器之小型装置。它还可以透过使用与复杂RSA密钥一样强大的数据包传输层面安全性(DTLS)来保护通讯。
 
既有协议不会立即被取代
 
面向SCADA的工业自动化多年来一直采用基于以太网络的通讯,以利用这种技术更快的速度,更高的效率和未来保障的优势。透过一些流行规格(如Profinet)的融合可以更好地利用针对工业自动化优化的通讯强固性,并且可以处理实时和任务关键型的互动,并可确保来自不同制造商模块之间的互用性,从而实现高度专业化之目标。
 
未来可能会出现一些适合高严格性和高性能表现的基于互联网的协议。但就目前而言,当今IIoT技术的关键角色是要连接OT和IT领域,这可以透过实现更高效和轻量的数据交换,并简化IT系统对相关数据的访问来实现。可扩展性和灵活性是物联网实施的基本原则,在企业学习如何利用IIoT,并寻求更多业务优势时,这种可扩展性和灵活性对于其演进同样很重要。
 
在工业场合,所有投资都被认真考虑并预期能够具有相应的回报,因此简单的拆除和替换并不是一种受推崇的方式。基于互联网的协议仅有在能够提供可运算的收益时才有可能进入工业自动化领域。因此,像MQTT、OPC UA及CoAP等其他协议将不断增强,但不会立即取代像Profinet这样的已有协议。


相关文章
  • 工业物联网边缘计算将进一步取代云端功能

    工业物联网边缘计算将进一步取代云端功能

    2018-07-16 11:01

  • 工业物联网落地成真

    工业物联网落地成真

    2018-07-13 11:33

  • 普利司通导入工业物联网技术 轮胎自动化延伸到上下游

    普利司通导入工业物联网技术 轮胎自动化延伸到上下游

    2018-07-10 11:13

  • 工业4.0是循序演进过程 而非一夜之间革命

    工业4.0是循序演进过程 而非一夜之间革命

    2018-05-31 11:09