雖然公司管理層對工業物聯網(IIoT)及其高成本效益、不間斷營運的前景持樂觀態度,但系統整合商(SI)們卻要解決網路當中跨平台通訊的現實問題。營運技術(OT)、資訊技術(IT)和IIoT這三個不同領域網路架構當中混亂的協定,使SI們傷透腦筋。

20180409NT02P1 圖1 FA協定。

每個領域都有自己的一套協定,彼此之間互為孤島,不可互通,這使需要獲得有用資料做出重要企業決策的人員無法得到這些資料,也使SI們束手無策,而且,OT和IT部門互不熟悉對方領域所用協定,這使事情變得更加複雜。隨著IIoT進入自動化領域,OT和IT正在融合,因此這一趨勢必須迅速扭轉。不過,也有好消息。透過各種協定轉換,上述互通性問題還是有解決之道。本文將詳細研究SI在OT對OT、OT對IT和OT對IIoT互通性方面所面臨的挑戰,以及可用於確保融合網路當中不間斷連接的解決方案。

OT對OT互通性

工廠內的OT對OT通訊已不像以前一樣簡單。這主要歸因於IIoT,它把巨量的感測器和機器帶入了網際網路。據IHS Market之前的一份報告,由於連網IoT設備預計將在2017年增長15%,達到200億台的規模,這些類型的通訊將不會馬上變得簡單。這種連接的激增正在給工廠帶來強力衝擊,以至於M2M通訊已演化成為不同營運子系統間的通訊,以實現資料收集與分析。然而,麻煩在於,諸如製造執行系統(MES)、監督控制與資料擷取(SCADA)系統、可程式邏輯控制器(PLC),以及工廠內的機器與感測器等OT下的異質系統都運行著各自的協定,因此,由來已久的互通性問題又抬起了頭,這就需要大量的協定轉換。舉個例子,冷暖空調(HVAC)系統與生產系統同步工作,就很好地詮釋了工廠內不同OT系統間的有效通訊對工廠營運帶來的好處。

20180409NT02P2 圖2 OT對OT互通性。

挑戰:協定大雜燴

營運流程的複雜化將越來越多的異質系統綁在一起。這意味著要面對越來越多的設備和協定,在安裝和設置時要把更多的時間花費在架構規劃和設備測試上。對SI來說,時間和成本就是一切,他們不願意把大把的時間花在設備測試和配置上,也不願意花在協定轉換上。然而,在使用通訊模組或小型PLC時,他們花時間在通訊和除錯程式設計上卻並不罕見,因此,SI需要一種簡化協定轉換的簡便方式,以便將有限的時間投入到其核心工作,例如程式設計上。

解決方案:越來越多的操作人員在利用工業協定閘道器完成設備的大量配置,以及不同設備間的協定轉換,以保持營運平穩運行。例如,在配電室,將大量Modbus RTU電錶橋接到Modbus TCP網路,由於要進行從ID路由表配置,通常非常耗時。一個方便的解決方案是添加自動設備路由功能,自動檢測來自SCADA系統的命令並設置從ID路由表。

OT對IT互通性

對於利用任何智慧應用的IIoT平台,IT和OT專家之間的緊密合作必不可少。儘管OT和IT解決問題的方法有很大不同,但它們的目標是一致的—都是為了追求生產的最佳化。為了成功,兩個領域都需要接取工業資料。IT部門負責企業資源規劃(ERP),有時還管MES,因此需要檢查這一類資料,以便對大局有更清楚的認識,然後對每個妨礙營運可靠性的問題制定解決方案。OT人員則更多地介入工廠內的物理操作,需要弄清楚如何使所有不同系統(大多具有專利技術)一起工作。另一方面,在工業4.0時代有一個積極的趨勢,即OT人員越來越理解IT技術對其目標達成的重要性和便利性。

20180409NT02P3 圖3 OT對IT互通性。

挑戰1:分歧大

為最佳化生產,IT部門日益需要從工廠收集生產資料。對IT人員來說,由於他們不瞭解經工業協定收集資料的過程,這可不是個輕鬆的任務。同時,OT人員也面臨類似的困境——一旦他們將OT資料傳送到IT層,IT部門經常向他們請求他們不熟悉的介面,這可能會挑起兩個領域對介面和協定的權力鬥爭。

解決方案:多協定整合設備會使SI過得輕鬆得多。例如,不同介面的通訊可以利用智慧I/O實現,它支援不同的協定,諸如工業自動化(IA)工程師用的Modbus/TCP和EtherNet/IP,以及IT工程師用的SNMP和RESTful API。這無疑是彌合OT和IT分歧的正確一步。這一解決方案使IT和工業自動化工程師都能方便地檢索來自同一I/O設備的資料。

挑戰2:保持領先的觀點

OT與IT區別究竟有多大?看看這一事實:OT網路設備總被視作透明的,因此即使發生突發事件,也很難監控它們,這增加了網路操作人員的挫折感,因為當他們遇到停機時,故障檢修變得幾乎毫無意義。當然,這種局面是不能被接受的,因為為確保生產的連續性和預防異常狀況,網路操作人員的態勢感知非常重要。確保控制室內所有網路設備和網路狀態持續可見具備最高優先順序。

解決方案:對採用OT協定的生產線來說,借助支援Profinet、Modbus TCP和EtherNet/IP協定的乙太網路交換器,工程師可以在SCADA系統的中心網站或在本地人機介面(HMI)前同時查看資料和網路狀態。如果一個工業協定出了問題,交換器會進行報告,PLC發出警報,以便使情況立即得到解決。利用IT的專長和經驗,可以加快故障排除,減少系統停機時間,並提高態勢感知能力。

OT對IIoT互通性

在董事會上,公司管理層期望用資料採擷和分析帶來減少營運成本、最佳化生產和透過預測性維護盡可能降低停機時間的損失成本。正如人們所料,這種資料需要從現場收集,而將其從現場設備傳輸到雲端成了OT工程師的工作。對OT工程師而言,這種額外的工作多少超出了其舒適圈範圍,因為他們更願意專注於能給其專業領域加分的程式設計而非通訊任務。

20180409NT02P4 圖4 OT對IIoT互通性。

挑戰:需要速度

OT工程師IT知識不足無疑是其致命弱點。照現狀看,從邊緣設備向雲端發送資料本來就耗時,而OT工程師不瞭解IT技術又使這一過程變得更糟。在邁向IIoT連接的競爭中,他們最大的挑戰是減少現場邊緣設備與雲端之間網路連接的建立和程式設計時間。

解決方案:為了節省工程師大量的程式設計工作並減少時間和成本,採用支援通用介面的嵌入式運算平台,以及整合即用型Modbus引擎和雲端連接的軟體套件,比如AWS,便可實現現場設備與IIoT所需應用的快速整合。此外,對希望採用OPC統一架構(UA)而統一自動化介面的人來說,可以使用提供OPC UA伺服器並具有雲端連接能力的軟體套件,這種解決方案的美妙之處在於,無需付出額外成本,即可實現雲端連接的附加架構。

(參考原文:Smoothing out interoperability issues in smart factories,by Edward Lin)