既有的工控系統如何向物聯網化演進？

　　摘要：首先介紹了傳統工控系統的漸進式發展思路，以及物聯網的革命式(一步到位)發展思路。并探討了邊緣計算的重要性。并以風河公司的Titamiun Control物聯網操作系統為例，探討了工業用物聯網操作系統的特點。

　　關鍵詞：工控;物聯網;操作系統

　　從傳統工控到物聯網化

　　目前，工業控制系統正從傳統的復雜無序的控制系統，向簡化、整潔、開放的物聯網控制系統演變。圖1是埃克森美孚公司的傳統控制系統和新的物聯網控制系統的架構，圖2和圖3是放大的局部圖。由圖2和圖3可見，二者的區別是：過去各個OT(操作技術)和IT(信息技術)設備是分立的(圖2)，而現在控制端在云端(如圖3)。圖1~圖3中，黃色框是運營/操作功能(OT)，藍色框是典型的IT功能，包括監控體系、資產體系等。

　　圖1 傳統工控系統的漸進式演變

圖2 傳統架構的歷史演進(圖1的左半部分)

圖3 新的開放系統架構(圖1的右半部分)

　　圖2黃色產品塊來自GE、西門子、施耐德等公司的產品。現在的任務是把這些實體的小盒子變成虛擬的，放到云端上，從而實現系統的簡化。例如，過去沒有虛擬化，需要增加一類功能就要增加一臺服務器，缺點是過去一臺服務器也許不能用滿，會造成服務器資源的浪費。現在(如圖3)同一個大盒子按照資源量進行虛擬功能分塊，可把資源集中在一臺服務器上。

　　從圖2到圖3的演變可能需要5~10年時間。時間長短主要取決于各企業的商業模式，例如有的公司剛購置了一個如圖1的黃色小塊的功能，為了實現投資回報，不可能把以前的設備全部推倒重來。另外，新技術的應用也需要時間，例如核電廠的測試需要花費時間。再有不同行業對科技的應用速度也有快有慢。

　　云與邊緣

　　云是無處不在的。我們身邊的產品就有云服務，例如手機和電腦都用到了云服務。著名的云服務提供商有美國的微軟Azure、亞馬遜AWS等，中國有BAT(百度阿里騰訊)等。

圖4 物聯網從云到邊緣的框架

　　圖4左側是云，右側是邊緣(Edge)，中間是二者的接入。實際上，物聯網計算覆蓋了云和邊緣，因此均需要保證安全。

　　Titamiun Control定位工控/邊緣

　　近日，風河公司行業解決方案部門高級總監Ricky Watts來京，向電子產品世界的記者介紹了用于邊緣的虛擬化平臺(圖3中的紅色框)及風河2017年的新產品——Titamiun Control。

　　眾所周知，邊緣有Fog(霧)和Mist(薄霧)。那么為何有了云，還要有邊緣?首先為了節省時間，計算盡可能放在離邊緣/設備近的地方。例如機器人要執行一項任務：擰一個螺釘。如果把控制功能放在云上，再從云到設備、再返回到云，耗時較長。其次是監管的需要，例如中國的工廠，諸如核電廠，把數據放到美國的云上，是不太合理、合法的。再有是邊緣會產生海量的數據。據統計，在邊緣生成的數據99%被扔掉了，因為數據量太大，不能送到云端上，例如一些電機產生的數據量會達到TB級的數據量。

　　但是這些控制端也需要安全和高效。為此，風河推出了Titamiun Control產品。據悉，埃克森美孚公司2021年將部署風河Titanium Control系統，2024年將正式運行。

　　實際上，風河Titanium家族有三款產品：Titamiun Cloud, Titamiun Edge和Titamiun Control。前兩款基于通信/電信，后者定位工控等邊緣設備。

　　可見，Titamiun Control是基于Titamiun Cloud的整個生態系統而產生的，特點是高可靠性和低延遲性。另外，工業市場需要有針對性的產品，例如水、電、氣等系統對安全性和可靠性要高，為此，相比Titamiun Cloud，Titamiun Control增加了安全性。

　　Titamiun Control的亮點是安全

　　Titamiun Control軟件包括三部分。

　　*開源軟件。Titamiun Control軟件有三層集成系統，這對工業客戶十分重要，例如二三年后可能更換硬件平臺，又不會對網絡產生影響。同時在安全方面，增加安全性能時不會對整個系統造成干擾。

　　*實時性。在物聯網邊緣希望始終實現實時的要求。

　　*安全。傳統工控系統中有一整套特有的方式來保證安全。如果做成工業物聯網方案，Titamiun Control有三種方法確保安全。1.自上而下的經典安全模型，原理像筆記本電腦的開機，需要密碼認證。2.自下而上，有受信平臺模型(TPM)。如果一個軟件沒有解密密碼，軟件就無法安裝到平臺上。3.穿越整個系統。Titamiun Control有ITA(集成測量架構)，在系統運行過程中，如果有人想登陸或改變數據，軟件會模擬并自動關閉系統。

　　應用案例：水處理系統

　　Titamiun Control的系統平臺可用于公用事業，諸如水處理和發電等，特點是高安全性。

　　圖4是水處理使用模型。無論是地下取水或回收水等，都要確保系統安全。在水處理過程中需要用到水泵和檢測器等，需要用到模擬器(simulator)，把運轉過程放到模擬器上去模擬運轉(圖5中)，即把它放到Titanium Control上。為何這么做?因為Titanium Contro平臺能盡可能接近工廠中的實際情況。如果在模型器中運轉良好，就會復制到真實的工廠中(見圖5藍色箭頭)。綠色箭頭是把模型復制到真實工廠之后，會衡量結果，同時和模擬器中的結果對比。

　　圖5 水處理使用模型

　　現在模型系統和操作系統是分開的。但是隨著技術可用性更高，可以把模型系統和實際操作系統放到同一平臺上。

　　目前此過程還是手動/人為過程，需要很多人參與，最終將實現系統的全自動化，無需耗費人力。盡管這是未來的目標，但相信會很快實現。

　　小結

　　對于工業物聯網的實現(圖3)，傳統工控系統(圖2)不可能像新興企業一樣一步到位。這時對工業物聯網操作系統的需求特點是：開放性強，可擴展性強，安全可靠性高。

　　參考文獻：

　　[1]周萬木.制造業在轉型：進入一個全新的數字世界.電子產品世界,2017(11):6-14

　　[2]王瑩,王金旺.工業物聯網浪潮下的嵌入式系統. 電子產品世界,2017(11):20-22

　　[3]迎九.NB-IoT有望應用于水表和氣表行業.電子產品世界,2017(11):23-25

　　[4]李龍.新工業時代下中國工業物聯網發展現狀及趨勢.電子產品世界,2016(2-3):9-12

　　[5]Karimi K.從自動化到物聯網.電子產品世界,2015(2-3):24-26