工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議有哪些新技術(shù)的加成
工業(yè)連接通常須訂制化解決方案，會面臨維護(hù)不易、成本過高的問題，因此工業(yè)自動化正透過Profinet等工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的整合，來克服這些局限。而MQTT、OPC、UA等協(xié)議也不斷增強(qiáng)，以滿足工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT)所需技術(shù)。
工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT)能夠支持智慧工業(yè)的新時代。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)基于開放性和互用性、易擴(kuò)展性和大數(shù)據(jù)之概念，可以幫助企業(yè)在各種制造和業(yè)務(wù)流程中顯著改進(jìn)營運(yùn)。
IIoT技術(shù)正在應(yīng)對一些市場空間的問題以便充分利用機(jī)器與機(jī)器(M2M)的通訊、遠(yuǎn)程訪問和密集數(shù)據(jù)擷取來支持統(tǒng)計制程控制、制造管理和持續(xù)的改進(jìn)計劃。事實上，現(xiàn)代工業(yè)企業(yè)中的數(shù)據(jù)流已經(jīng)被組織成一個成熟的機(jī)制。
在監(jiān)控和數(shù)據(jù)擷取(SCADA)層面及以下，工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)協(xié)議已經(jīng)在不斷發(fā)展以滿足過程自動化等相關(guān)之特定要求。一個特別的要求是須支持確定性控制(DetermiNIstic Control)，這種要求通常是實時的，只允許毫秒級之延遲。工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)協(xié)議也被用來滿足當(dāng)今工業(yè)企業(yè)日益增長的數(shù)據(jù)需求，從而幫助他們更快地滿足客戶需求，提升產(chǎn)品質(zhì)量，并降低成本。
即便這樣的商業(yè)目標(biāo)已經(jīng)確立，但從歷史上看，工業(yè)連接通常依賴基于專有標(biāo)準(zhǔn)的訂制化解決方案，這些解決方案的實施成本很高，維護(hù)復(fù)雜且難以擴(kuò)展。雖然IIoT技術(shù)可以幫助改變這一切，但工業(yè)自動化領(lǐng)域已經(jīng)在嘗試克服這些明顯的局限性。例如，工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)協(xié)議已經(jīng)將Profinet等幾個常用規(guī)格進(jìn)行了整合。
關(guān)鍵業(yè)務(wù)型工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)
Profinet非常適合工業(yè)自動化任務(wù)，同時支持不斷增長的M2M通訊和數(shù)據(jù)擷取之需求，它也能夠適用于滿足工業(yè)過程的特定需求。基于來自不同制造商的裝置和系統(tǒng)的互操作性和互換性，大量的應(yīng)用程序配置檔案可以確保裝置系列以相同的方式使用Profinet。這種例子包括用于驅(qū)動器/馬達(dá)的PROFIdrive、適用于能源管理的PROFIenergy以及與功能安全相關(guān)的PROFIsafe等。此外，Profinet I/O配置檔案還提供了連接機(jī)械開關(guān)等非智能裝置的方法，以監(jiān)控狀態(tài)并發(fā)送指令。
Profinet還設(shè)計用于處理特殊的工業(yè)要求，例如在無法使用以太網(wǎng)絡(luò)的危險環(huán)境中進(jìn)行安全的操作。Profinet透過代理進(jìn)行處理，允許安全的現(xiàn)場總線端點(diǎn)將處于危險區(qū)域的裝置連接到基于以太網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)設(shè)施。以這種方式可以支持多種現(xiàn)場總線規(guī)格，包括PROFIBUS DP、PROFIBUS PA、Interbus、DeviceNet、FoundaTIon Fieldbus等，以及使用Profinet I/O等配置檔案的非智能裝置。
Profinet已經(jīng)安裝了超過1700多萬個節(jié)點(diǎn)，這種成功表明SCADA系統(tǒng)和制程自動化裝置之間連接的監(jiān)控得到了很好管理和有效執(zhí)行。IIoT技術(shù)可以幫助數(shù)據(jù)擷取，尤其是使制造活動中的數(shù)據(jù)在SCADA層面之上的整個企業(yè)IT基礎(chǔ)設(shè)施能夠關(guān)聯(lián)并可訪問。
物聯(lián)網(wǎng)能帶來什么?
從商業(yè)角度來看，IIoT技術(shù)作為一種實現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的途徑，將使企業(yè)更加有興趣采納，最終將可以提高制造生產(chǎn)率，提高企業(yè)的營運(yùn)效率，并推動創(chuàng)新。
用于制程控制統(tǒng)一架構(gòu)的對象鏈接和嵌入(OPC UA)是一種新興的基于以太網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議，可處理工業(yè)制程數(shù)據(jù)、警報、事件和歷史數(shù)據(jù)之間的通訊。它是一種中立的平臺，具有內(nèi)建的安全性，能 夠支持自主和智能的系統(tǒng)。透過這些特性，它提供了一個用于開放的、與供貨商無關(guān)的通訊平臺，在控制器層面將可編程邏輯控制器(PLC)、傳感器數(shù)據(jù)與SCADA系統(tǒng)、MES、ERP和云端連接在一起。
輕量級協(xié)議/開放標(biāo)準(zhǔn)
消息隊列遙測傳輸(MQTT)把營運(yùn)技術(shù)(OT)和訊息技術(shù)(IT)兩個領(lǐng)域整合在一起，可能會成為一個普遍的協(xié)議。最初，MQTT被設(shè)計為一個輕量級、數(shù)據(jù)未知、低開銷的協(xié)議，主要用于石油和天然氣行業(yè)的低帶寬數(shù)據(jù)連接?，F(xiàn)在它已經(jīng)用于Facebook Messenger等訊息應(yīng)用程序，以及亞馬遜和IBM IoT平臺等等。
MQTT透過運(yùn)作將數(shù)據(jù)生成者與數(shù)據(jù)用戶分離的發(fā)布/訂閱模型，能夠提供IIoT技術(shù)所期望的可擴(kuò)展性和靈活性。這與工業(yè)領(lǐng)域采用的通常是主/從式的傳統(tǒng)M2M原則，或者從特定來源重復(fù)請求數(shù)據(jù)的輪詢響應(yīng)有著根本不同。在這個傳統(tǒng)模型中，導(dǎo)入傳感器等新的數(shù)據(jù)源，改變或擴(kuò)展應(yīng)用程序以使用更大的數(shù)據(jù)集，都是復(fù)雜且嚴(yán)格的挑戰(zhàn)。
在MQTT使用的發(fā)布/訂閱方法中，數(shù)據(jù)生成端(例如傳感器)只要數(shù)據(jù)準(zhǔn)備就緒即可發(fā)布，這些數(shù)據(jù)通?？晒┤魏斡嗛営脩羰褂?。只需最少干預(yù)，即可導(dǎo)入新裝置或改變訂閱。以異常報告(RBE)為基礎(chǔ)發(fā)布數(shù)據(jù)可釋放網(wǎng)絡(luò)帶寬，以供關(guān)鍵的OT裝置和企業(yè)系統(tǒng)使用。此外，低數(shù)據(jù)封包開銷和簡單的功能有助于更加簡化，報頭(Header)僅占用微薄的2字符，有效負(fù)載關(guān)聯(lián)于特定應(yīng)用，并且只支持連接、斷開連接、發(fā)布、訂閱和Ping等操作。
許多其他發(fā)布/訂閱協(xié)議可能對IIoT場景中的數(shù)據(jù)擷取有用。數(shù)據(jù)分發(fā)服務(wù)(DDS)是一種開放協(xié)議，不須像MQTT服務(wù)器那樣集中式代理，因此允許更簡單的網(wǎng)絡(luò)管理以及更快的通訊。微秒級分辨率使DDS適用于實時和嵌入式系統(tǒng)，以及關(guān)鍵業(yè)務(wù)應(yīng)用。
在其他發(fā)布/訂閱協(xié)議中，高級消息隊列協(xié)議(AMQP)已經(jīng)在金融服務(wù)部門得到廣泛應(yīng)用，并且具備保證交易完成的機(jī)制。然而，AMQP并非輕量級協(xié)議，可能會阻礙其在帶寬受限之工業(yè)通訊中的采用。
作為發(fā)布/訂閱的替代方案，受限應(yīng)用協(xié)議(CoAP)等互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，由于使用代表性狀態(tài)轉(zhuǎn)移(REST)，透過請求可在服務(wù)器上提供資源，可以像與一個Web API互動一樣，能夠輕松地從傳感器獲取數(shù)據(jù)，并且可以應(yīng)對各種不同類型的有效載荷。CoAP支持多種數(shù)據(jù)類型，包括HTML、JavaScript、JSON和XML?；贖TTP的JSON在更廣泛的物聯(lián)網(wǎng)中已經(jīng)非常流行。CoAP與HTTP很相似，但只有4個字符的報頭，以及緊湊的編碼和簡化的請求結(jié)構(gòu)，非常適合基于微控制器之小型裝置。它還可以透過使用與復(fù)雜RSA密鑰一樣強(qiáng)大的數(shù)據(jù)包傳輸層面安全性(DTLS)來保護(hù)通訊。
既有協(xié)議不會立即被取代
面向SCADA的工業(yè)自動化多年來一直采用基于以太網(wǎng)絡(luò)的通訊，以利用這種技術(shù)更快的速度，更高的效率和未來保障的優(yōu)勢。透過一些流行規(guī)格(如Profinet)的融合可以更好地利用針對工業(yè)自動化優(yōu)化的通訊強(qiáng)固性，并且可以處理實時和任務(wù)關(guān)鍵型的互動，并可確保來自不同制造商模塊之間的互用性，從而實現(xiàn)高度專業(yè)化之目標(biāo)。
未來可能會出現(xiàn)一些適合高嚴(yán)格性和高性能表現(xiàn)的基于互聯(lián)網(wǎng)的協(xié)議。但就目前而言，當(dāng)今IIoT技術(shù)的關(guān)鍵角色是要連接OT和IT領(lǐng)域，這可以透過實現(xiàn)更高效和輕量的數(shù)據(jù)交換，并簡化IT系統(tǒng)對相關(guān)數(shù)據(jù)的訪問來實現(xiàn)?？蓴U(kuò)展性和靈活性是物聯(lián)網(wǎng)實施的基本原則，在企業(yè)學(xué)習(xí)如何利用IIoT，并尋求更多業(yè)務(wù)優(yōu)勢時，這種可擴(kuò)展性和靈活性對于其演進(jìn)同樣很重要。
在工業(yè)場合，所有投資都被認(rèn)真考慮并預(yù)期能夠具有相應(yīng)的回報，因此簡單的拆除和替換并不是一種受推崇的方式?；诨ヂ?lián)網(wǎng)的協(xié)議僅有在能夠提供可運(yùn)算的收益時才有可能進(jìn)入工業(yè)自動化領(lǐng)域。因此，像MQTT、OPC UA及CoAP等其他協(xié)議將不斷增強(qiáng)，但不會立即取代像Profinet這樣的已有協(xié)議。
