用“軟件定義工業(yè)架構”實(shí)現數字工廠(chǎng)

　　常聽(tīng)說(shuō)“軟件定義無(wú)線(xiàn)電”(SDR)、“軟件定義網(wǎng)絡(luò )”(SDN)、SD…。最近，智能制造如火如荼時(shí)，風(fēng)河公司提出了“軟件定義工業(yè)架構”，真新奇!怎么回事?去看看吧……

　　數字工廠(chǎng)的挑戰

　　現代制造流程日趨復雜，因此需要利用新一代信息技術(shù)(IT)、操作技術(shù)(OT)，對企業(yè)所有的資源進(jìn)行集成管理，及時(shí)識別并處理制造過(guò)程中的波動(dòng)，實(shí)現對制造過(guò)程“4M”(Man-Machine-Material-Method，人-機-料-法)要素的實(shí)時(shí)控制與優(yōu)化，以維持制造過(guò)程的穩定性，提高企業(yè)關(guān)鍵績(jì)效水平以降低制造成本。

　　當我們開(kāi)始建構這種數字工廠(chǎng)時(shí)，需要克服眾多技術(shù)挑戰，例如以合理的成本、靈活、高效而安全地部署復雜系統(如圖1)，為此，需要以“軟件定義”創(chuàng )建開(kāi)放、安全的工業(yè)自動(dòng)化系統，“軟件定義工業(yè)架構”應運而生。

　　圖1 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的邊緣、網(wǎng)絡(luò )和云端(注：云無(wú)處不在，因此控制系統復雜)

　　“軟件定義工業(yè)架構”

　　昂貴的價(jià)格，而且欠缺靈活性，這是當今許多工業(yè)自動(dòng)化解決方案的主要問(wèn)題，其中的部分原因在于他們屬于非開(kāi)放的專(zhuān)有解決方案，不具備互操作性，所以無(wú)法與市場(chǎng)中的其他產(chǎn)品協(xié)同工作。

　　完整工業(yè)控制系統的構成部件通常包括：數字控制器、可編程邏輯控制器或分布式控制系統(PLC、DCS)、數據采集與監控系統(SCADA)軟件、人機界面(HMI)、流程歷史、應用服務(wù)器等等。這些部件來(lái)自市場(chǎng)中眾多的提供商，但專(zhuān)有/私有的解決方案把工業(yè)企業(yè)鎖在一個(gè)狹小的窠臼之中，使他們無(wú)法選擇希望使用的部件。

　　在另一個(gè)市場(chǎng)有個(gè)成功的榜樣——電信服務(wù)業(yè)也曾面臨著(zhù)專(zhuān)有設備的壟斷，但世界上最大的電信運營(yíng)商中有十多家已經(jīng)開(kāi)始采取行動(dòng)。他們合作推進(jìn)轉型，走向可互操作的解決方案，這就是基于工業(yè)標準服務(wù)器的方法，稱(chēng)為網(wǎng)絡(luò )功能虛擬化(NFV)。在短短幾年之后，電信設備供應商現在已經(jīng)開(kāi)始提供基于軟件的網(wǎng)絡(luò )功能，這些功能可以運行在商業(yè)現成的(COTS)服務(wù)器上，從而實(shí)現了規模經(jīng)濟性、廣泛的供應商選擇和互操作性。

　　如今，工業(yè)企業(yè)也正在發(fā)生類(lèi)似的變革。

　　“軟件定義工業(yè)架構”的優(yōu)點(diǎn)

　　基于開(kāi)放標準和開(kāi)放平臺，“軟件定義工業(yè)架構”允許工業(yè)企業(yè)免于供應商鎖定以及專(zhuān)有解決方案的相關(guān)缺陷。因此有助于大幅降低CAPEX和OPEX(資本支出和運營(yíng)支出)，提高靈活性，提高安全性，加速創(chuàng )新。

　　尤其值得一提的是在安全性方面，由于有了“軟件定義工業(yè)架構”，主要的硬件平臺就只是服務(wù)器，它比在一個(gè)專(zhuān)有的工業(yè)自動(dòng)化解決方案中實(shí)現安全性所花費的成本努力要少得多。IT行業(yè)已經(jīng)開(kāi)發(fā)了各種硬件和軟件技術(shù)，用來(lái)對服務(wù)器實(shí)時(shí)保護，這些措施都可以被應用到“軟件定義工業(yè)架構”，從而創(chuàng )建健壯的分層安全機制。另外，“軟件定義工業(yè)架構”在虛擬化功能方面還包括一流的網(wǎng)絡(luò )安全機制(工業(yè)自動(dòng)化安全功能)，很容易即可被納入系統，而且成本也不高，這與電信業(yè)的NFV相當類(lèi)似。這些功能包括防火墻、VPN集中器、入侵檢測系統(IDS)和入侵防御系統(IPS)、SIEM，甚至可包括尚待開(kāi)發(fā)的安全功能。

　　對“軟件定義工業(yè)架構”的要求

　　“軟件定義工業(yè)架構”解決方案必須可靠且安全地運行，能夠實(shí)時(shí)收集真實(shí)的工業(yè)數據并及時(shí)做出響應。為了實(shí)現這一點(diǎn)，它的基礎設施必須將操作和控制功能合并起來(lái)，并滿(mǎn)足以下標準：1.低延遲的虛擬化;2. 高度確定性的網(wǎng)絡(luò )互連;3. 高可用性;4. 增強的安全性;5. 全生命周期管理;6. 增強的平臺感知與監控等。

　　在應用方法方面，可基于開(kāi)放的x86虛擬化架構，采用COTS硬件，“軟件定義工業(yè)架構”解決方案必須支持IT技術(shù)的輕松集成，例如Hadoop、Apache Storm、Java分析引擎、Linux和Linux容器。同時(shí)，這些解決方案必須實(shí)現OT技術(shù)，能夠滿(mǎn)足實(shí)時(shí)需求，因此這比一般的IT系統更為嚴格。其解決辦法可以通過(guò)Linux或VxWorks等操作系統中的硬實(shí)時(shí)性(Hard Real-Time)來(lái)實(shí)現。

　　風(fēng)河為“軟件定義工業(yè)架構”提供的OS平臺

　　工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)也是由云端、網(wǎng)絡(luò )和邊緣端組成。

　　*網(wǎng)絡(luò )方面，由于許多“軟件定義工業(yè)架構”的有關(guān)要求已經(jīng)通過(guò)電信網(wǎng)絡(luò )NFV實(shí)現了，但是工業(yè)需要更高的安全性、可靠性，為此風(fēng)河推出了Titanium Control(如圖2)。

　　值得一提的是，風(fēng)河Titanium Cloud家族有三款產(chǎn)品：Titamiun Edge、Titamiun Core和Titamiun Control。Titamiun Edge、Titamiun Core服務(wù)于通信/電信，而Titamiun Control增加了滿(mǎn)足工業(yè)需要的高可靠、高安全、低延遲等功能，是虛擬化平臺(如圖1紅色部分)。

　　圖2：風(fēng)河Titanium Control結構框圖

　　*云端。數字工廠(chǎng)面臨OT和IT的配合，需要打通OT與IT/邊緣與云端之間的隔閡。風(fēng)河與Oracle已開(kāi)始了這方面的合作——不久前，Oracle IoT Cloud Service與風(fēng)河Wind River Helix Device進(jìn)行了整合，可以讓企業(yè)應用系統自動(dòng)化地采集邊緣設備傳感器中的數據，并實(shí)現情景化。

　　這套集成化的解決方案可使設備中的數據快速進(jìn)入企業(yè)后端的ERP、CRM、資產(chǎn)管理和各種特定目標領(lǐng)域的應用系統之中。而且，它為企業(yè)客戶(hù)提供了簡(jiǎn)潔明了的配置和部署經(jīng)驗，甚至可以直接遠程啟動(dòng)設備，并將其中的數據安全地導入企業(yè)應用系統。

　　*邊緣。邊緣端的設備分為兩大類(lèi)。

　　一類(lèi)是純粹運行在邊緣，例如控制器等。風(fēng)河有VxWorks和Linux操作系統。典型的案例如日本歐姆龍公司，2017年歐姆龍推出了新型的IPC平臺，包含了風(fēng)河的VxWorks和Linux操作系統。由此幫助歐姆龍將安全的物聯(lián)網(wǎng)互連能力與高速、高精度實(shí)時(shí)自動(dòng)化能力相結合，達到質(zhì)量、穩健性和長(cháng)期可靠性等方面的嚴格標準;同時(shí)還為終端用戶(hù)提供了靈活性，允許他們自由地選擇由VxWorks或Linux操作系統驅動(dòng)的控制器。

　　圖3 歐姆龍自動(dòng)化系統示意圖

　　另一類(lèi)是虛擬化在云端，因此盡管看起來(lái)是邊緣端軟件，實(shí)際運行在云端。典型OS產(chǎn)品如風(fēng)河Helix Device Cloud，其主要運行在云端，但必須在設備端有代理，因為要從設備端取數據，主要是對設備端進(jìn)行管理。

　　小結

　　數字工廠(chǎng)中的IT和OT系統需要對接、融合?！败浖x工業(yè)架構”可以基于COTS服務(wù)器硬件和軟件平臺，方便、靈活、快速地啟動(dòng)工作。

　　風(fēng)河公司有針對工業(yè)云、網(wǎng)絡(luò )和邊緣豐富的OS，例如針對網(wǎng)絡(luò )的Titanium Control，針對云的Helix Device，針對邊緣的VxWorks、Linux，以及看起來(lái)在邊緣、實(shí)際虛擬在云端的Helix Device Cloud等。