富士康计划在美国威斯康星州建的新工厂是一个绿地开发项目,有望成为展示现代工业控制思想的场所。凭借具有自我感知的互联组件和机器人以及完全集成的云互联访问和分析,这一工厂很可能会成为优化、安全、效率、成本和过程控制的样板。

现如今,嵌入式和工业控制工程师都很熟悉建设新制造工厂所需的许多概念和物理元素:预测性维护、云连接、边缘计算、雾计算、智能和无线传感器,以及网关。问题是既要在旧系统上安全、可扩展和高性价比地实现上述概念(棕地部署),还要相信从封闭的专利工艺迁移会带来预期的进步。

好消息是设计人员和设施管理人员已不再孤单:有数十年历史的老旧工厂升级所需的设备、资源、技术和合作关系都在快速进步,而将后端运营技术与前端分析决策连接起来。尽管初创公司很多,但在IIoT时代,通常还是要依靠传统的过程控制设备供应商领头,在更换其产品的同时提供领域经验。

罗克韦尔自动化公司是富士康设施的老供应商,已与该公司签约合作,以期在新的全球电子装配运营设施中实现互联企业和IIoT概念。

罗克韦尔已向我们示范了先进的数据采集、分析和建模是如何提高产出的。例如,Kraft Heinz公司采用罗克韦尔的Pavilion8模型预测控制(MPC)软件更新了其老旧的Ore-Ida薯片生产设施,过程效率提升了10%,在12至16个月内即可获得技术投资回报(图1)。

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图1:罗克韦尔自动化的 Pavilion8模型预测控制软件结合了许多改进生产过程的必备元素。(图片来源:罗克韦尔自动化)

Pavilion8是一个模块化的软件平台,其模块控制和分析生产系统的各个方面。但其核心是一个混合过程模型,它基于实况工厂测量,结合多变量过程模型与经验知识来确定未来控制行动。这有助于在随时间改善性能的同时,帮助确保操作符合工艺要求。

所需开放平台与互操作性

尽管罗克韦尔自动化和其他公司提供的软件和过程管理工具,使我们在实现更具预测性的工厂环境方面迈进了一大步,但工业和技术发展很快,成本也高。同时,从科锐和博世到西门子、霍尼韦尔和施耐德电气,这些组件和过程控制供应商都在以自己的方式迎合客户的需求。这迫使客户在能够利用最新技术的同时,要求通过更开放的可互操作软硬件平台降低成本。

这种需求迫使埃克森美孚公司(ExxonMobil)发起了开放过程自动化论坛(Open Process Automation Forum),该论坛现由国际开放标准组织(The Open Group)主持运作。论坛的最终目标是推出一个“标准的标准”,它将从现有标准中选出最佳者,比如Profibus这样的接口(只是举个例子),并加入必要的内容来弥合任何差异。许多现有工业标准都只是用于连接,比如Modbus、BACnet、Profibus、Ethernet和SCADA,以及WirelessHART、ZigBee、Z-Wave和Wi-Fi等无线接口。但论坛的目标不只是连接,它还包括可互操作的过程控制软件、安全以及数据格式。

其他互操作性工作也在进行中:工业互联网联盟(Industrial Internet Consortium)正在寻求一定程度的制造与控制的互操作性,尽管其当前焦点更多地集中于互联网和云连接方面。该组织期待找到协议、设备、接口、数据管理、分析和云运算之间的共同点。

为此,该组织成立了工业互联网互操作性联盟(Industrial Internet Interoperability Coalition,I3C)小组,专注于互操作性的具体热点(图2)。

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图2:I3C小组成立是为了专注于确保关键热点(比如通信和数据交换格式)的互操作性。(图片来源:工业互联网联盟)

该小组定义了需要特别关注的集群,比如包含无线车间接口和数据交换格式的制造业智能设施运营(Smart Facility Operations in Manufacturing)集群。

IT和OT连接

随着标准工作的继续,设计人员和嵌入式开发人员仍须弄清,如何应对管理层对将更多的OT过程数据馈送到分析引擎和显示仪表盘的需求。这意味着为了不影响企业侧的安全性,同时维持已运营数十年的旧有棕地系统的完整性,IT和OT必须协同工作才能获得必需的数据。

实现这个目标最重要的设备是边缘网关设备。一边是通过一系列异构有线和无线工业网络连到当前和遗留系统的接口,另一边是连到后端企业IT网络或直接连到云端的简单以太网有线和/或LTE无线连接。在网关本身当中,设计人员必须确保提供足够的处理能力、内存、连接支持以及基于硬件的可信根安全性,以确保设计历经8至15年也不会过时。

有两家公司已加紧满足上述需求,它们是华为和戴尔。华为推出的AR502系列敏捷网关,是基于700MHz工作频率的ARM双核 Cortex-A9而设计,并具有256MB DDR3 RAM和512MB闪存(图3)。它支持1Gb或2Gb以太网接口,实现本地现场网络连接,还支持802.11/b/g/n无线、RS-232、RS-485/RS422、USB、DI/DO(RF45连接器)和LVTTL。对于向主服务器或云端进行数据回传,它支持GSM、3G和4G/LTE回传到网络。

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图3:华为AR502敏捷网关(下)基于工作频率为700MHz的ARM Cortex-A9,而戴尔边缘网关5000(上)使用工作频率高达1.75GHz的Intel Atom处理器。

安全支持非常广泛,包括AAA认证、RADIUS认证和802.1X/MAC/MAC旁路认证,以及PKI管理、CPU保护和DoS与洪泛攻击保护。

就其本身而言,戴尔边缘网关5000产品线基于工作频率高达1.75GHz的Intel Atom处理器,DDR3内存高达8GB,并提供高达256GB的固态硬盘支持(图3)。它也提供广泛的本地网络支持,包括HDMI支持,这对工业视觉系统日益使用高分辨率视频起到了推动作用。它也包括高达2GbE的接口。其网络回传采用有线方式,支持英特尔可信平台模块(TPM)2.0。

戴尔和华为的网关也都支持Tridium公司的Niagara控制框架,可以支持多个系统和网络的控制、分析和可视化。Kodaro公司最近将Niagara移植到了戴尔网关,并与IoTium公司合作提供iNodeOS管理的操作系统技术,实现安全、零接触网络配置和远程更新。

这种合作很重要,因为IoTium的iNodeOS的一个特点是,它不需要请求IT开放端口或更改代理设置。这样一来,就有助于在确保快速部署的同时,保持IT网络的完整性。

工业边缘计算

华为和戴尔的网关象征了这种边缘计算形式的重要性。IIC与中国边缘计算联盟(ECC)合作扩展这种类型的边缘处理变得非常重要,以至于其可以更好地实现互操作性,并在边缘实现更多的分析,而不必在本地设备或网络与云之间来回传送数据,而引发延迟和加重网络负担。如果网关能做本地分析,那就让它做吧。

IIC和ECC将展开合作,进行IIoT最佳实践、标准和测试平台开发。在这期间,电机等设备上将继续集成更多的不断生成数据的传感器和微控制器,而罗克韦尔也计划推出更多的自我感知系统。这样就能检测,比方说,电机轴承何时过热,并降低转速,以免连累整个装配线。

自我感知设备和IIoT最佳实践,加上先进的机器人,很可能是富士康新工厂的重要部分。这可能在理想与可行方面提供一个很好的案例研究。而在中间的某个位置,可能就是可标准化的那个点。

《EDN电子技术设计》2018年4月刊版权所有,谢绝转载。