既有的工控系统如何向物联网化演进?

物联网与传感器   作者:王莹 时间:2018-02-06来源:电子产品世界

  摘要:首先介绍了传统工控系统的渐进式发展思路,以及物联网的革命式(一步到位)发展思路。并探讨了边缘计算的重要性。并以风河公司的Titamiun Control物联网操作系统为例,探讨了工业用物联网操作系统的特点。

  关键词:工控;物联网;操作系统

  从传统工控到物联网化

  目前,工业控制系统正从传统的复杂无序的控制系统,向简化、整洁、开放的物联网控制系统演变。图1是埃克森美孚公司的传统控制系统和新的物联网控制系统的架构,图2和图3是放大的局部图。由图2和图3可见,二者的区别是:过去各个OT(操作技术)和IT(信息技术)设备是分立的(图2),而现在控制端在云端(如图3)。图1~图3中,黄色框是运营/操作功能(OT),蓝色框是典型的IT功能,包括监控体系、资产体系等。

  图1 传统工控系统的渐进式演变


图2 传统架构的历史演进(图1的左半部分)


图3 新的开放系统架构(图1的右半部分)

  图2黄色产品块来自GE、西门子、施耐德等公司的产品。现在的任务是把这些实体的小盒子变成虚拟的,放到云端上,从而实现系统的简化。例如,过去没有虚拟化,需要增加一类功能就要增加一台服务器,缺点是过去一台服务器也许不能用满,会造成服务器资源的浪费。现在(如图3)同一个大盒子按照资源量进行虚拟功能分块,可把资源集中在一台服务器上。

  从图2到图3的演变可能需要5~10年时间。时间长短主要取决于各企业的商业模式,例如有的公司刚购置了一个如图1的黄色小块的功能,为了实现投资回报,不可能把以前的设备全部推倒重来。另外,新技术的应用也需要时间,例如核电厂的测试需要花费时间。再有不同行业对科技的应用速度也有快有慢。

  云与边缘

  云是无处不在的。我们身边的产品就有云服务,例如手机和电脑都用到了云服务。著名的云服务提供商有美国的微软Azure、亚马逊AWS等,中国有BAT(百度阿里腾讯)等。

图4 物联网从云到边缘的框架

  图4左侧是云,右侧是边缘(Edge),中间是二者的接入。实际上,物联网计算覆盖了云和边缘,因此均需要保证安全。

  Titamiun Control定位工控/边缘

  近日,风河公司行业解决方案部门高级总监Ricky Watts来京,向电子产品世界的记者介绍了用于边缘的虚拟化平台(图3中的红色框)及风河2017年的新产品——Titamiun Control。

  众所周知,边缘有Fog(雾)和Mist(薄雾)。那么为何有了云,还要有边缘?首先为了节省时间,计算尽可能放在离边缘/设备近的地方。例如机器人要执行一项任务:拧一个螺钉。如果把控制功能放在云上,再从云到设备、再返回到云,耗时较长。其次是监管的需要,例如中国的工厂,诸如核电厂,把数据放到美国的云上,是不太合理、合法的。再有是边缘会产生海量的数据。据统计,在边缘生成的数据99%被扔掉了,因为数据量太大,不能送到云端上,例如一些电机产生的数据量会达到TB级的数据量。

  但是这些控制端也需要安全和高效。为此,风河推出了Titamiun Control产品。据悉,埃克森美孚公司2021年将部署风河Titanium Control系统,2024年将正式运行。

  实际上,风河Titanium家族有三款产品:Titamiun Cloud, Titamiun Edge和Titamiun Control。前两款基于通信/电信,后者定位工控等边缘设备。

  可见,Titamiun Control是基于Titamiun Cloud的整个生态系统而产生的,特点是高可靠性和低延迟性。另外,工业市场需要有针对性的产品,例如水、电、气等系统对安全性和可靠性要高,为此,相比Titamiun Cloud,Titamiun Control增加了安全性。

  Titamiun Control的亮点是安全

  Titamiun Control软件包括三部分。

  *开源软件。Titamiun Control软件有三层集成系统,这对工业客户十分重要,例如二三年后可能更换硬件平台,又不会对网络产生影响。同时在安全方面,增加安全性能时不会对整个系统造成干扰。

  *实时性。在物联网边缘希望始终实现实时的要求。

  *安全。传统工控系统中有一整套特有的方式来保证安全。如果做成工业物联网方案,Titamiun Control有三种方法确保安全。1.自上而下的经典安全模型,原理像笔记本电脑的开机,需要密码认证。2.自下而上,有受信平台模型(TPM)。如果一个软件没有解密密码,软件就无法安装到平台上。3.穿越整个系统。Titamiun Control有ITA(集成测量架构),在系统运行过程中,如果有人想登陆或改变数据,软件会模拟并自动关闭系统。

  应用案例:水处理系统

  Titamiun Control的系统平台可用于公用事业,诸如水处理和发电等,特点是高安全性。

  图4是水处理使用模型。无论是地下取水或回收水等,都要确保系统安全。在水处理过程中需要用到水泵和检测器等,需要用到模拟器(simulator),把运转过程放到模拟器上去模拟运转(图5中),即把它放到Titanium Control上。为何这么做?因为Titanium Contro平台能尽可能接近工厂中的实际情况。如果在模型器中运转良好,就会复制到真实的工厂中(见图5蓝色箭头)。绿色箭头是把模型复制到真实工厂之后,会衡量结果,同时和模拟器中的结果对比。

  图5 水处理使用模型

  现在模型系统和操作系统是分开的。但是随着技术可用性更高,可以把模型系统和实际操作系统放到同一平台上。

  目前此过程还是手动/人为过程,需要很多人参与,最终将实现系统的全自动化,无需耗费人力。尽管这是未来的目标,但相信会很快实现。

  小结

  对于工业物联网的实现(图3),传统工控系统(图2)不可能像新兴企业一样一步到位。这时对工业物联网操作系统的需求特点是:开放性强,可扩展性强,安全可靠性高。

  参考文献:

  [1]周万木.制造业在转型:进入一个全新的数字世界.电子产品世界,2017(11):6-14

  [2]王莹,王金旺.工业物联网浪潮下的嵌入式系统. 电子产品世界,2017(11):20-22

  [3]迎九.NB-IoT有望应用于水表和气表行业.电子产品世界,2017(11):23-25

  [4]李龙.新工业时代下中国工业物联网发展现状及趋势.电子产品世界,2016(2-3):9-12

  [5]Karimi K.从自动化到物联网.电子产品世界,2015(2-3):24-26

关键词: 物联网 工控

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