构建工业物联网的第一步是什么?

2018-05-31 15:54:45 admin 12

自从德国率先提出《工业4.0》之后,世界各制造业大国都纷纷出台了自己以新一轮工业革命为指向的智能制造战略,如中国的《中国制造2025》、美国《先进制造业伙伴计划》、法国《新工业法国》等。这些新工业革命的计划虽然各有不同,但其内涵却有异曲同工之妙。

按照比较通俗的理解,新工业革命的一个核心目的,就是将传统的规模化和标准化的工业制造模式,转变为兼具规模化和定制化的新模式,即让工业生产在确保效率和效益的前提下实现最大限度的灵活性。要想达到这样的目标,一个重要的前提就是在充分数据基础上的精准决策和及时响应,在这个过程中,工业物联网将发挥基础性的作用。而构建工业物联网的第一步,就是要将那些参与生产制造的各种各样的设备连接起来。

工业物联网设备的组网和互连技术,包括有线和无线两种。在有线网络中,工业以太网是目前公认最具发展前景的技术。

顾名思义,工业以太网就是应用于工业控制领域的以太网技术,它与商用标准以太网兼容,但是由于工业应用场景的特殊性,又增添了很多适应性的特性,比如实时性、可靠性、安全性、总线供电,以及可管理性等等。

经过多年的发展,工业以太网已经演化出多个成熟的商业化的应用层协议,比如HSE、Modbus TCP/IP、ProfINet、Ethernet/IP等。

工业以太网之所以备受青睐,与其自身的优势息息相关。

首先,以太网是应用最广泛的计算机网络技术,过年来积累了丰富的生态资源支持,这些资源都可供工业以太网使用;

其次,建立在广泛应用的基础上,工业以太网的部署在软硬件成本上都会更为低廉;

第三,在数据传输速率上,以太网与其他工业现场总线相比,有明显的优势,这是一个不容拒绝的硬指标;

再有,采用同样的以太网网路架构,有利于实现工业控制网络与企业信息网络的无缝连接;

最后,以太网技术的开放性和兼容性,为工业以太网后续的发展提供了更大的可扩展空间,这与工业4.0的调性也是十分吻合的。

因此,工业以太网通常会被作为工业物联网的核心骨架,人们也一直希望在此基础上,构建“一网到底”的工业有线网络架构。

但是,实现这种“一网到底”的理想,路途中还是会遇到很多沟沟坎坎。理想中的工业物联网不但要实现工业生产现场(OT域)中各个设备之间的连接,也需要考虑与基于标准以太网的企业信息管理系统(IT域)的无缝连接。

而现实的情况是,当今很多工业以太网协议之间是不能彼此互用的,与标准以太网的互联互通也不完美;同时越来越智能化的生产设备可能需要连接不同的工业以太网网络,而每种网络都运行特定的协议……

为了解决这些问题,让数据能够在不同网络之间无障碍地传输,就需要部署各种各样的网关,这无疑会增加整个网络的复杂性和成本。

为了应对这些挑战,IEEE成立了专门的TSN(时间敏感型网络)团队去解决这一问题。TSN实际上是脱胎于IEEE在2004年开始发展的音频/视频桥接(AVB)标准,这是一个音频/视频流传输标准,主要定义网络设备时间同步、流量整形及准入控制,当大家意识到这一标准可以为更精确的以太网流量管理提供一个框架,在工业领域也有很大的发展潜力之后,将其更名为TSN,并且开始修订802标准系列以应对工业等应用之需。

TNS包含一系列技术,其关注的重点是采用一个本质上非确定性的以太网络,并使其具备确定的最小延时。人们希望采用TNS之后,企业只需部署一种IEEE标准以太网网络,就能既传输OT系统中对实时性要求较高的控制流量,又传输IT系统中普通以太网流量。

这将有力推动“一网到底”的工业以太网架构的实现。目前NXP等芯片厂商也已经推出了支持TNS的网络处理器及解决方案。

除了有线网络,工业物联网中当然也少不了无线互连技术的身影,它们通常去负责生产设备与传感器、执行器、现场仪表等大量分布式的网络边缘节点之间的连接和数据交互。目前主流的专用工业物联网无线通信技术有三种:

WirelessHART:作为HART7技术规范的一部分,它增加了HART协议的无线能力,是第一个过程自动化领域的无线传感器网络国际标准,弥补了高可靠、低功耗及低成本的工业无线通信市场的空缺。有之前大量HART设备用户做基础,WirelessHART发展不容小觑。

ISA100.11a:是第一个开放的、面向多种工业应用的标准族,可支持的无线设备包括传感器、执行器、无线手持设备等现场自动化设备,具有数据传输可靠、准确、实时、低功耗等特点,同时也考虑了与其他短距离无线网络的共存性问题。目前这一标准在欧美企业中已见中等规模的网络部署。

WIA:是一种高可靠性、超低功耗的智能多跳无线传感网络技术,可实现自组织、自治愈的Mesh网络,包括WIA-PA和WIA-FA两项IEC国际标准。WIA-PA是一种适合于复杂工业环境应用的无线通信网络协议,在冶金、石化等领域已得到应用; WIA-FA技术是针对工厂自动化高实时、高可靠性要求的无线技术,可广泛应用于离散制造业装备与传感器、变送器、执行机构等建立安全、可靠、硬实时的无线连接。

除了上述的三种专用的工业物联网无线通信技术,其他通用的无线技术也在向工业领域渗透, 不论是WiFi、ZigBee、BLE等无线局域网协议,还是LTE-M、NB-IoT等低功耗广域网络(LPWAN)技术,以及NFC这种近场无线通信技术,都已将工业作为一个重要的市场支点,希望在工业物联网市场中切得自己的一份“蛋糕”。

总之,以不断进化的工业以太网为数据传输主框架,以多元化的无线通信技术作为快速外延的数据触角,一个庞大而细密的工业物联网已经在我们面前展开。以此为基础,数据将会成为一种新的“燃料”,为新的工业革命提供源源不断的能量。