車間最突出的變化是機(jī)器對(duì)機(jī)器（M2M）通信向系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)通信的演變。雖然對(duì)硬件間的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信來(lái)說(shuō)，M2M通信仍然是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的重要手段，但當(dāng)數(shù)據(jù)需要從傳感器和設(shè)備向云端發(fā)送時(shí)，它就要讓位于系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)通信了。因此，在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中的子系統(tǒng)之間建立連接，會(huì)增加新的通信路徑和網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，帶來(lái)新的復(fù)雜性和挑戰(zhàn)。

圖1：FA協(xié)議。

雖然公司管理層對(duì)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）及其高成本效益、不間斷運(yùn)營(yíng)的前景持樂(lè)觀態(tài)度，但系統(tǒng)集成師（SI）們卻要解決網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中跨平臺(tái)通信的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。運(yùn)營(yíng)技術(shù)（OT）、信息技術(shù)（IT）和IIoT這三個(gè)不同領(lǐng)域網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)當(dāng)中混亂的協(xié)議，使SI們傷透腦筋。每個(gè)領(lǐng)域都有自己的一套協(xié)議，彼此之間互為孤島，不可互通，這使需要獲得有用數(shù)據(jù)做出重要企業(yè)決策的人員無(wú)法得到這些數(shù)據(jù)，也使系統(tǒng)集成師們束手無(wú)策。而且，OT和IT部門(mén)互不熟悉對(duì)方領(lǐng)域所用協(xié)議，這使事情變得更加復(fù)雜。隨著IIoT進(jìn)入自動(dòng)化領(lǐng)域，OT和IT正在趨同，因此這一趨勢(shì)必須迅速扭轉(zhuǎn)。不過(guò)，也有好消息。通過(guò)各種協(xié)議轉(zhuǎn)換，上述互操作性問(wèn)題還是有解決之道的。本文將詳細(xì)研究SI在OT對(duì)OT、OT對(duì)IT和OT對(duì)IIoT互操作性方面所面臨的挑戰(zhàn)，以及可用于確保融合網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中不間斷連接的解決方案。

OT對(duì)OT互操作性

工廠內(nèi)的OT對(duì)OT通信已不像以前一樣簡(jiǎn)單。這主要?dú)w因于IIoT，它把巨量的傳感器和機(jī)器帶入了互聯(lián)網(wǎng)。據(jù)IHSMarket此前的一份報(bào)告，由于聯(lián)網(wǎng)IoT設(shè)備預(yù)計(jì)將在2017年增長(zhǎng)15%，達(dá)到200億臺(tái)之巨，這些類型的通信將不會(huì)馬上變得簡(jiǎn)單。這種連接的激增正在給車間帶來(lái)強(qiáng)力沖擊，以至于M2M通信已演化成為不同運(yùn)營(yíng)子系統(tǒng)間的通信，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收集與分析。然而，麻煩在于，諸如制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）、監(jiān)督控制與數(shù)據(jù)采集（SCADA）系統(tǒng)、可編程控制器（PLC）以及車間內(nèi)的機(jī)器與傳感器等OT下的異構(gòu)系統(tǒng)都運(yùn)行著各自的協(xié)議，因此，由來(lái)已久的互操作性問(wèn)題又抬起了頭，這就需要大量的協(xié)議轉(zhuǎn)換。舉個(gè)例子，令暖通空調(diào)（HVAC）系統(tǒng)與生產(chǎn)系統(tǒng)同步工作，就很好地詮釋了車間內(nèi)不同OT系統(tǒng)間的有效通信對(duì)車間運(yùn)營(yíng)帶來(lái)的好處。

圖2：OT對(duì)OT互操作性。

挑戰(zhàn)：協(xié)議大雜燴

運(yùn)營(yíng)流程的復(fù)雜化將越來(lái)越多的異構(gòu)系統(tǒng)擰在了一起。這意味著要面對(duì)越來(lái)越多的設(shè)備和協(xié)議，在安裝和設(shè)置時(shí)要把更多的時(shí)間花費(fèi)在架構(gòu)規(guī)劃和設(shè)備試車上。對(duì)系統(tǒng)集成師來(lái)說(shuō)，時(shí)間和成本就是一切，他們不愿意把大把的時(shí)間花在設(shè)備試車和配置上，也不愿意花在協(xié)議轉(zhuǎn)換上。然而，在使用通信模塊或小型PLC時(shí)，他們花時(shí)間在通信和排錯(cuò)編程上卻并不罕見(jiàn)。因此，系統(tǒng)集成師需要一種簡(jiǎn)化協(xié)議轉(zhuǎn)換的簡(jiǎn)便方式，以便將有限的時(shí)間投入到其核心工作，比如編程上。

解決方案：越來(lái)越多的操作人員在利用工業(yè)協(xié)議網(wǎng)關(guān)完成設(shè)備的大量配置以及不同設(shè)備間的協(xié)議轉(zhuǎn)換，以保持運(yùn)營(yíng)平穩(wěn)運(yùn)行。例如，在配電室，將大量ModbusRTU電表橋接到ModbusTCP網(wǎng)絡(luò)，由于要進(jìn)行從ID路由表配置，通常非常耗時(shí)。一個(gè)方便的解決方案是添加自動(dòng)設(shè)備路由功能，自動(dòng)檢測(cè)來(lái)自SCADA系統(tǒng)的命令并設(shè)置從ID路由表。

OT對(duì)IT互操作性

對(duì)于利用任何智能應(yīng)用的IIoT平臺(tái)，IT和OT專家之間的緊密合作必不可少。盡管OT和IT解決問(wèn)題的方法有很大不同，但它們的目標(biāo)是一致的——都是為了追求生產(chǎn)的最優(yōu)。為了成功，兩個(gè)領(lǐng)域都需要訪問(wèn)工業(yè)數(shù)據(jù)。IT部門(mén)負(fù)責(zé)企業(yè)資源規(guī)劃（ERP），有時(shí)還管MES，因此需要檢查這一數(shù)據(jù)，以便對(duì)大局有更清楚的認(rèn)識(shí)，然后對(duì)每個(gè)妨礙運(yùn)營(yíng)可靠性的問(wèn)題制定解決方案。OT人員則更多地介入車間內(nèi)的物理操作，需要弄清如何使所有不同系統(tǒng)（大多具有專利技術(shù)）一起工作。另一方面，在工業(yè)4.0時(shí)代有一個(gè)積極的趨勢(shì)，即OT人員越來(lái)越認(rèn)識(shí)到了IT技術(shù)對(duì)其目標(biāo)達(dá)成的重要性和便利性。

圖3：OT對(duì)IT互操作性。

挑戰(zhàn)1：分歧大

為優(yōu)化生產(chǎn)，IT部門(mén)日益需要從車間收集生產(chǎn)數(shù)據(jù)。對(duì)IT人員來(lái)說(shuō)，由于他們不了解經(jīng)工業(yè)協(xié)議收集數(shù)據(jù)的過(guò)程，這可不是個(gè)輕松的任務(wù)。同時(shí)，OT人員也面臨類似的困境——一旦他們將OT數(shù)據(jù)傳送到IT層，IT部門(mén)經(jīng)常向他們請(qǐng)求他們不熟悉的接口。這可能會(huì)挑起兩個(gè)領(lǐng)域?qū)涌诤蛥f(xié)議的權(quán)力斗爭(zhēng)。

解決方案：多協(xié)議集成設(shè)備會(huì)使系統(tǒng)集成師過(guò)得輕松得多。例如，不同接口的通信可以通過(guò)智能I/O實(shí)現(xiàn)，它支持不同的協(xié)議，諸如工業(yè)自動(dòng)化（IA）工程師用的Modbus/TCP和EtherNet/IP，以及IT工程師用的SNMP和RESTfulAPI。這無(wú)疑是彌合OT和IT分歧的正確一步。這一解決方案使IT和IA工程師都能方便地檢索來(lái)自同一I/O設(shè)備的數(shù)據(jù)。

挑戰(zhàn)2：保持領(lǐng)先的觀點(diǎn)

OT與IT區(qū)別究竟有多大？看看這一事實(shí)：OT網(wǎng)絡(luò)設(shè)備總被視作透明的，因此即使發(fā)生突發(fā)事件，也很難監(jiān)控它們。這增加了網(wǎng)絡(luò)操作員的挫折感，因?yàn)楫?dāng)他們遇到停機(jī)時(shí)，故障檢修變得幾乎毫無(wú)意義。當(dāng)然，這種局面是不能接受的，因?yàn)闉榇_保生產(chǎn)的連續(xù)性和預(yù)防異常狀況，網(wǎng)絡(luò)操作員的態(tài)勢(shì)感知非常重要。確?？刂剖覂?nèi)所有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)持續(xù)可見(jiàn)具有最高優(yōu)先級(jí)。

解決方案：對(duì)采用OT協(xié)議的生產(chǎn)線來(lái)說(shuō)，借助支持Profinet、ModbusTCP和EtherNet/IP協(xié)議的以太網(wǎng)交換機(jī)，工程師可以在SCADA系統(tǒng)的中心站點(diǎn)或在本地HMI前同時(shí)查看數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)。如果一個(gè)工業(yè)協(xié)議出了問(wèn)題，交換機(jī)會(huì)進(jìn)行報(bào)告，PLC發(fā)出報(bào)警，以便使情況立即得到解決。利用IT的專長(zhǎng)和經(jīng)驗(yàn)，可以加快故障排除，減少系統(tǒng)停機(jī)時(shí)間，并提高態(tài)勢(shì)感知能力。

圖4：OT對(duì)IIoT互操作性。

OT對(duì)IIoT互操作性

在董事會(huì)上，公司管理層期望用數(shù)據(jù)挖掘和分析帶來(lái)減少運(yùn)營(yíng)成本、優(yōu)化生產(chǎn)和通過(guò)預(yù)測(cè)性維護(hù)盡可能降低停機(jī)時(shí)間的紅利。正如人們所料，這種數(shù)據(jù)需要從現(xiàn)場(chǎng)收集，而將其從現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備傳輸?shù)皆贫顺闪薕T工程師的工作。對(duì)OT工程師而言，這種額外的工作多少超出了其舒適范圍，因?yàn)樗麄兏敢鈱Ｗ⒂谀芙o其專業(yè)領(lǐng)域加分的編程而非通信任務(wù)。

挑戰(zhàn)：需要速度

OT工程師IT知識(shí)不足無(wú)疑是其致命弱點(diǎn)。照現(xiàn)狀看，從邊緣設(shè)備向云發(fā)送數(shù)據(jù)本來(lái)就耗時(shí)，而OT工程師不了解IT技術(shù)又使這一過(guò)程變得更糟。在邁向IIoT連接的競(jìng)爭(zhēng)中，他們最大的挑戰(zhàn)是減少現(xiàn)場(chǎng)邊緣設(shè)備與云之間網(wǎng)絡(luò)連接的建立和編程時(shí)間。解決方案：為了節(jié)省工程師大量的編程工作并減少時(shí)間和成本，采用支持通用接口的嵌入式計(jì)算平臺(tái)，以及集成即用型Modbus引擎和云連接的軟件套件，比如AWS，便可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與IIoT所需應(yīng)用的快速集成。此外，對(duì)希望采用OPC統(tǒng)一架構(gòu)（UA）而統(tǒng)一自動(dòng)化接口的人來(lái)說(shuō)，可以使用提供OPCUA服務(wù)器并具有云連接能力的軟件套件。這種解決方案的美妙之處在于，無(wú)需付出額外成本，即可實(shí)現(xiàn)云連接的附加架構(gòu)。