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如何为IIoT系统选择合适的连接技术?

供稿:中国工控网 2017/11/1 14:50:48

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  • 关键词: IIoT
  • 摘要:未来,设计师应该考虑空间的可扩展性。如今,连接互连系统并不需要什么具体的东西。这并不意味着企业不需要对明显的需求做出回应。长期而言,这些集成将允许更大的系统结合更多的技术。现在,设计人员必须理解技术之间的巨大差异,并选择最适合他们应用环境的工业物联网连接技术。

  经过对工业物联网(IIoT)技术长达两年的分析,工业互联网联盟(IIC)最近公布了工业网络连接框架(IICF)。IICF融汇了许多专家的见解和观点,这些专家来自权威的行业联盟、知名制造企业和最重要标准领域的成员。
  最令人惊讶的结论是: IIoT非常大。IIoT是如此之大,以至于现有技术并不完全覆盖。设计者可能会考虑选择很多标准,包括数据分发服务(对象管理组的DDS)、OPC统一架构(OPC UA)、MQ遥测传输(MQTT)、以及oneM2M等。通常认为这些技术的重叠区域会带来IIoT连接解决方案的空间重叠,如图1所示。但现实中往往有很大的差异。
  事实上, IIoT涉及领域如此之大,涵盖了许多行业和不同的应用案例,技术的选择很少重叠,如果曾经有过重叠的话。在IIoT领域,目前在架构方面的挑战之一,已经不是从重叠的技术中选择能合理地解决问题的方案。挑战在于,理解技术、比较应用程序的预期用途,并选择能解决该挑战所面临问题的最佳方案。如果仔细研究一下现实情况,它看起来更像是图2所示的稀疏的文氏图,而不是图1所示的相互重叠的图。

  

  图1:这个图显示了一个常见的误解:许多技术满足IIoT连接领域的要求。你的应用程序(X标记的位置)的选择可能是B或C。如果这些技术上是重叠的,那么B或C都可以。


  真正的问题不是在相似的选择之间做出选择,而是理解不同的选择和克服偏差。这正是IICF能够帮助解决的问题。
  IIoT的4个核心连接标准
  当我们为特定的应用选择适合的IIoT技术时,可以为每个技术选项设置几个问题,以便快速缩小选择范围。这些问题可能会将面临的“问题”过度简化,但这是一个很好的开始。
  IICF确定了4个潜在的“核心连接标准“:DDS、OPC UA、oneM2M和RESTful HTTP。RESTful HTTP已经获得很好的理解,所以这里不再做分析。虽然MQTT还没有成为IICF核心连接标准之一,但因为其在业界已经获得广泛的认知,所以也对其进行了考察,它没有成为标准的原因主要是因为它没有一个互操作性所要求的标准类型的系统。
  DDS
  DDS是一种定义了数据总线的标准。数据总线是一个以数据为中心的信息流控制。这是一个有点类似于数据库的概念,数据库是以数据为中心的信息存储。关键的区别是:数据库保存历史信息,可以通过被存储数据的属性搜索相关信息。数据总线通过过滤、以及输入数据的属性来管理未来的信息。两者都了解数据内容,并让应用程序直接操作数据,而不是数据之间相互作用。应使用数据库或与其它应用程序没有直接关系的数据总线。
  拥有了结构、内容、以及数据操作指令等方面的知识,数据总线就可以管理数据。数据总线可以控制服务质量(QoS),如更新率、可靠性、可信的实时数据通知。它还可以发现、控制和保护数据流,将它们提供给应用程序和类似的通用工具。这些可用数据可大大简化系统集成和扩展。
  OPC UA
  OPC UA技术面向设备互操作性。在OPC UA之前,制造商只能通过设备供应商提供的专有应用程序接口(API),直接访问应用设备。不幸的是,这就意味着应用程序依赖于它们所控制的特定设备。更糟的是,更高级别的应用程序,如人机界面(HMI)找不到简单的方法来查找、连接或控制工厂中的各种不同设备。
  OPC UA将系统软件划分为客户机和服务器。服务器通常驻留在设备或更高级别的可编程逻辑控制器(PLC)上。通过标准的“设备模型”,它们提供了一种访问设备的方法。几十种类型的设备都有标准的设备模型。每个制造商负责提供服务器,将通用设备模型映射到特定的装置。服务器公开一个面向对象的、可远程调用的API,该API用于实现设备模型。
  客户端可以连接到设备,并从通用设备模型调用函数。因此,客户端软件独立于实际设备,工厂集成商可以按照需求,自由更换制造商或模型。因此,OPC UA提供了驱动系统所需的连接性。需要注意的是,设备模型还提供了一个“语义”互操作级别,因为设备模型在已知装置和指定参考点中定义了的通用API对象。
  oneM2M
  OneM2M源于很多移动无线服务供应商之间的合作。它的目标是主要或仅仅通过基站基础设施进行通信的移动设备网络。
  OneM2M的核心设计是定义移动设备可以用于合作与整合的服务。简单来讲,如果计划使用这些服务,就需要与之连接。它们将运行在主要通过蜂窝数据基础设施连接的平台层(云)中。其它技术也使用网络IP流量,但在设计中,它们通常更依赖于利用局域网、本地无线或广域网技术。
  MQTT
  MQTT是一个简单的协议,主要用于“数据采集”。它还没有按照IICF指南的要求,认证成为一个合格的“核心连接标准”,主要是因为它没有标准型系统。这样,它就只能传输不透明的数据类型,而不是类型化的数据结构。没有一个类型系统,它就不能在“句法”数据结构层面提供一个标准的互操作能力。然而,MQTT具有很高的认知率。由于它很简单,问几个有关系统的简单问题,将有助于确定它是否合适。

  

  图2:这张图更贴近现实。连接技术彼此不重叠。大多数应用程序只能在逻辑上使用一种技术。挑战是往往选择的是不完美的技术,并且要想办法让它正常工作。


  协同工作
  大部分的IICT面向整合这些技术的架构。这对“IIoT”中“互联网”元素的出现至关重要。参考架构需要能够适用于核心连接标准之间的核心网关。
  总有一天,它们会集成在一起,就如同集成了运输和电力的制造系统。复杂的自动化软件需要重新配置单元,为组件设备供应商带来一个全新的世界。无线5G系统将高速公路控制器与无人驾驶汽车连接起来,使它们实现互操作。无线5G未来甚至可能直接控制工厂设备,消除生产中的布线。
  未来,设计师应该考虑空间的可扩展性。如今,连接互连系统并不需要什么具体的东西。这并不意味着企业不需要对明显的需求做出回应。长期而言,这些集成将允许更大的系统结合更多的技术。现在,设计人员必须理解技术之间的巨大差异,并选择最适合他们应用环境的技术。

审核编辑(王静)
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