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工業物聯網的數據集成

工業物聯網的數據集成

2022/11/21 10:11:49

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隨著網關技術的不斷發展,創新、高效的軟件解決方案及IT架構在工業物聯網系統架構中將發揮著更為重要的作用。其中,工業物聯網集成工業數據的一個關鍵問題在于如何利用軟件、IT和創新算法來部署網絡解決方案,從而使得生產效率更高。

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(在一個典型的物聯網應用拓撲中,包括兩個網關層,一個在自動化網絡中,另一個在兩個防火墻之間的“隔離區”。)

當提及擴展和實施創新的物聯網解決方案時,IT架構可以發揮關鍵的作用。關于IT與OT的接口模型,我們會面臨哪些問題呢?這種接口對邊緣和云有什么意義呢?數字化時代下的傳統網關又是如何演變為靈活、高效的數據集成軟件解決方案的呢?

 IT架構問題

無論是數字化、工業4.0,還是工業物聯網(IIoT),這些都具有一個共同點:如何利用軟件、IT和創新算法來提高生產效率。很多公司和用戶早在應用測試和驗證項目中看到了這一點,但是,在將這投入到生產環境并進行廣泛使用之前,還需要克服一些挑戰。

關于體系架構的問題,或者更準確地說是IT體系架構,它在工業物聯網中扮演著非常重要的角色。在工業物聯網解決方案中采用了哪些標準和技術?云平臺又是如何適用的?如何保證IT的安全性呢?

在整個工業物聯網系統中,為確保不同的組件易于集成應在哪里使用開放的接口呢?哪些標準有較強的關聯性呢?這些和其他架構問題的解決對于用戶有效地應對由開發軟件和IT系統的內在潛力所帶來的挑戰非常重要。

對于一個新項目而言,工業物聯網應用程序和創新軟件解決方案的投資回報率通常是不確定的,但它可以確保供應商在項目開始時保持成本可控,同時為解決方案提供可用性和可擴展性,并使其可面向未來。

工業物聯網通常指的是使用集中式平臺。該平臺使應用程序可以部署在任何站點和任何工廠環境中,盡管各個站點之間在已安裝設備和可用接口方面存在一些實際差異。一個好的架構將確保這個集中式平臺的高效運行,同時降低工業物聯網的投資程度。

創新在IT領域中仍保持高速:雖然工廠系統和安裝的設備可能有幾年甚至幾十年的生命周期,但IT領域的創新周期是非常短的。因此,有關體系架構的決策,特別是在OT/IT接口方面,將極大地影響其在生命周期內能夠被運營商開發出來的潛力,以及創新軟件解決方案所提供的預期優化效果和相關成本控制。

高效使用IT:隨著越來越多的資金被投入到了IT中以及IT成本的上升,有關IT系統整體效率的一般性問題變得更加重要。因此,關于體系架構和IT基礎設施的決策對于工業物聯網解決方案的總擁有成本(TCO,Total Cost of Ownership)至關重要。

 主要IT供應商的角色

隨著軟件和IT的重要性不斷增長,傳統的主要IT基礎設施供應商也將在工業生產系統中發揮著更為重要的作用。

行業先鋒是云平臺的三巨頭:亞馬遜、微軟和谷歌(也被稱為“超大規?!惫蹋?。對于制造商來說,選擇這些與之相關的公司有以下幾個原因。

云平臺通常在軟件使用的成本和靈活性方面具有普遍的優勢,然而,與企業IT不同的是,物聯網需要在數據產生源頭附近的分析處理能力,而不僅僅是在云端。因此,云服務供應商一直在用“邊緣”(即本地數據的存儲和處理)服務來補充自己的主平臺。

近年來,云平臺功能也得到了擴展,包括針對工業物聯網應用的專門服務。除了為云、邊緣和工業物聯網提供基礎設施和基礎服務外,這些供應商還忙于開發機器學習和人工智能的創新算法。這些算法也可以被應用開發人員和系統集成商輕松使用。

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(創新物聯網解決方案的數據集成必須滿足一系列的復雜要求,而框架問題的解決在實施中起著關鍵作用。)

 軟件虛擬化的應用

至少在支持使用虛擬化技術來進行邊緣計算的情形下,工業物聯網云供應商使用的參考架構已經“標準化”了。在我們考慮工業用戶的需求之前,需要先了解一下虛擬化的現狀。

虛擬化利用整合機制來減少軟件層和硬件層之間的依賴,這是在過去十年中IT的一大趨勢。虛擬化可以使軟件被簡單、靈活地部署到廣泛的硬件和系統環境中,而用戶能夠從中獲得諸多益處,包括降低軟件開發和維護的成本。虛擬化的一個具體例子是“容器化”。隨著Docker服務的推出,“容器化”已經得到了越來越廣泛的應用。這項技術現在主要用在邊緣和云計算的物聯網參考架構中。

然而,虛擬化技術絕不局限于云平臺的交互。即使用戶決定不再使用云平臺,在設計實施創新、高效的軟件解決方案(如工業物聯網的解決方案)時,也有充分的理由需要使用虛擬化。

 自動化網絡

典型的工廠系統和自動化網絡是什么樣子的呢?用戶操作這些系統的要求有哪些?前面討論的架構問題又是怎么與之相匹配的呢?

IT安全和網絡拓撲架構是自動化網絡的核心問題。自動化網絡通常是在有兩道防火墻的多層框架內運行?!案綦x區”(DMZ)則位于這兩道防火墻之間。自動化網絡和公司網絡(或互聯網)之間沒有直接連接,而且DMZ和自動化網絡之間的通信必須要有安全保障。

因此,大多數工業物聯網應用方案有必要使用至少兩個網關層。其中一層包括了DMZ在內的所有邊緣網關,它們與互聯網或云平臺(根據需要)建立連接。而自動化網絡內的第二層IT/OT網關,它們可以直接與邊緣網關通信,但不能與公司網絡或云平臺通信。

除了這些從網絡拓撲架構中所得出的具體網絡要求外,工業用戶構建自動化網絡還需要考慮數據集成和OT/IT接口的其他(功能)要求。

簡而言之,這意味著已安裝的工廠設備以及舊改項目將在未來幾年內保持相關性和主導地位。雖然越來越多的新式設備可能會提供標準化接口,特別是基于OPC UA標準的接口,但是現在大多數已安裝的設備卻無法提供標準化接口。

作為工業物聯網解決方案的一部分,數據集成工作不僅僅是簡單地將專有接口翻譯成標準化協議,其中還有一些更為復雜的要求,如高效地處理大量的數據源,以及提供一套統一的軟件應用來對接工廠或設備的特定接口,以實現多站點部署。構建自動化網絡還需要能夠靈活地應對IT安全要求——不僅要在更大程度上提高安全性,還要確保相關成本保持在可接受的水平。

 IT/OT網關架構

接下來是有關IT/OT網關的架構組成。傳統上,這種網關“屬于OT”,例如,它在一個地方安裝和運行,目的是為HMI系統或數據庫提供來自自動化網絡的數據。這些傳統的應用方式在工廠系統的生命周期內變化很小。因此,在傳統的方案用例里需要一個低維護成本的產品,可以在其配置幾乎不被改變的情況下運行多年。然而,創新的工業物聯網解決方案將對這種網關或數據集成方案有著截然不同的要求。這些要求包括以下內容。

動態、靈活的載荷配置。在許多情況下,將產生的所有數據發送到位于DMZ的邊緣網關是不可取的,甚至在技術上也是不可行的。用戶需要選擇對有效載荷進行簡單的配置,以及在工廠系統的生命周期內對這種配置進行有效的修改,例如當一個新的軟件應用需要訪問尚未被邊緣網關所提供的數據時。

靈活的可擴展性。很少有用戶能推測出幾年后有哪些新的軟件或工業物聯網應用可能會引起人們的興趣。因此,數據集成解決方案必須足夠靈活,以便能夠支持未來的應用程序,而無需從頭開始再進行數據集成......

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