改善IIoT实现

IIOT为机器建设者及其客户提供了许多好处，但需要新的解决方案来降低复杂性和费用，同时保持高水平的安全性。

Benson Hougland，图22

与许多OEM机器和设备制造商一样，一家总部位于加州的烤箱制造商需要实施工业物联网(IIoT)解决方案，以满足客户需求，改善远程监控，并在市场上保持竞争力。

OEM构建了各种工业和商业应用中使用的烤箱，它希望将其烤箱与其竞争对手的烤箱区分开来增加销售额。客户的反馈指出其建立产品的三种方法：
- 让客户更容易将烤箱与其植物中的其他过程控制系统集成在一起
-增加人机界面(HMI)选项，使客户可以更容易地监控和控制烤箱的操作
降低客户成本，特别是操作和维护成本

初步调查显示，由于一些挑战，实现这些目标可能会很困难。

OEM挑战
原始设备制造商考虑了简化其烘箱自动化系统与客户工厂领先过程控制系统之间的集成的方法。这些较大的现场过程控制系统通常控制整个工厂或设施，必须与OEM的烤炉连接。

一种方法是为系统间通信开发驱动程序，但由于已经在服务中的过程控制系统是专有的，因此必须为每个系统分别开发一个定制驱动程序。由于该公司的烤箱使用多种类型的过程控制系统，因此需要一个一个的方法。驱动程序开发将是资源密集型的，需要OEM程序员的大量时间，而且成本效益不高。这种方法还会带来未来的维护问题，因为必须支持许多不同版本的自定义驱动软件，每个版本都需要审查和可能的更新，以跟上相应的过程控制系统的变化。

与现有HMI的集成将与同一问题升起。OEM的工程师认为HMI的其他选项，包括烤箱本身的改进界面，甚至是移动应用程序。这些想法听起来可能但昂贵的发展和维护。

降低客户成本似乎更加困难。所有OEM工程师的想法都依赖于及时获得他们需要的数据。如果他们能从客户所在地安装的烤箱获得操作数据，他们就能分析这些信息，提高烤箱的效率。这些数据还可以通过提供新的服务水平来降低客户成本。例如，OEM可以跟踪燃烧器点火器，预测故障并提前联系客户，以避免计划外停机。计划维护也可能会减少，取而代之的是预防性维护——甚至是预测性维护——在故障发生之前就确定故障的可能性。

OEM知道客户会喜欢这些成本降低和新服务，但其工程师必须访问客户的网络，从每个站点获取烤箱控制系统数据。这将要求客户的IT部门在其公司防火墙中打开传入的网络端口，并允许OEM提取数据。IT人员永远不会(也不应该)允许这种潜在的对他们网络安全的破坏。

OEM如何重新设计他们的烤箱自动化系统，以满足他们的客户的愿望，并在市场上区分他们的产品，而不花费那么多的时间和金钱，同时产生重大的安全风险?

IIoT问题
这种OEM面临的挑战与许多工业物联网实现一样，涉及三个主要问题:复杂性、安全性和费用。许多工业物联网(IIoT)或数据密集型自动化应用程序最终比最初预期的要复杂得多，存在更多的安全风险。其结果是，最终所需的成本和人力资源超出了许多公司的承受能力。

从网络的边缘获取数据——从工厂、商业建筑和远程站点的传感器和执行器——到数据库和需要使用这些数据的人可能会令人生畏。为了控制而进行的双向通信可能更加困难。

大多数工业自动化系统和组件使用自动化专有或特定的协议和网络，如EtherNet/IP、Modbus、Profibus、串行、OPC或其他。但商业电脑和移动设备使用标准的以太网或无线网络，以及TCP/IP、HTTP/HTTPS、JSON和RESTful api等开放协议和标准。

在这些完全不同的工业和商业系统之间转换数据，然后将其转移到需要的地方，涉及大量的费用和中间件:计算机、网关、驱动程序、解析器、定制软件、许可证和其他附加组件。

一旦数据被转移到当前网络之外或外部——用于公司计算机网络、远程地点或连接到互联网的平板电脑或智能手机上——中间件需求就会增加，安全担忧也会急剧上升。实现这些通信的典型体系结构需要许多组件和重要的配置和编程(图1)。

描述:在现场设备和基于云或本地应用程序之间交换数据的传统方法需要许多组件和步骤。

应对挑战和问题
控制系统工程师熟悉可编程逻辑控制器（PLC）和可编程自动化控制器（PACS）。多年来，两者都已经使用并改善，并入仅在专有的SCADA系统中发现的能力，添加了与基于Microsoft Windows的HMIS的通信，在标准以太网等上运行。

但对于工业物联网和其他具有挑战性的应用来说，自动化系统往往需要更多。对于这些和未来的应用，需要一种新的方法来简化连接和通信——一种比PLC甚至PAC做得更多的新产品。

我们需要的是一类自动化产品，它可以缩小或消除中间件，让用户在更少的步骤中将数据从产生的地方转移到需要的地方(图2)。这种新型控制器可以被称为边缘可编程工业控制器(EPIC)。

边缘可编程工业控制器可用于在将数据传输到云和本地应用程序的数据时替换多个硬件和软件中间件组件。

让我们看看EPIC缩写词的每一部分，以便更精确地定义这种类型的控制器。

史诗系统
边缘：所有数据采集都以边缘开头，因为这是生成数据的位置。在仓库，泵和管道和远程站点的仓库和管道和储罐中的制造线或航运部件 - 所有所有人都在网络的边缘，所有这些都具有可用于改善流程的数据增加利润。

最好在源上直接收集和处理这些数据，以确保准确性，执行预处理并准备进行传输。史诗设备坐在边缘，通过I / O直接连接到传感器和执行器，收集传感器数据的输入和输出并发送控制命令。它还可以连接到现有的PLC，HMIS和其他控制系统组件来收集数据和问题命令。

安装在网络边缘的EPIC设备也积极地处理数据，通过过滤异常、标记、存储和仅通过异常传输来减少不必要的容量，以及将值从一种协议转换为另一种协议。这种数据预处理使运营、企业和商业云应用程序更加高效。

因为它是数据的单一真理来源，因此史诗设备还可以安全地与包括其他控制系统，构建管理系统，数据库，云服务等的软件和设备共享数据。

可编程:EPIC设备不是PLC、PAC或PC，但与它们一样，它必须通过编程进行控制。EPIC设备提供编程选项，其中一些反映了传统的自动化工具，另一些则来自PC和互联网世界。

典型的选择包括使用熟悉的自动化工具如流程图、脚本或任何符合IEC 61131-3的语言进行编程，包括:
- 功能块图
- 结构文本
顺序功能图
阶梯图

用户更熟悉非自动化语言可以访问史诗的开源操作系统，并在语言中创建自定义程序，如C / C ++，Java，Python等。史诗设备不限制PLC和PAC等编程选项，也不会强制学习新的编程语言。它相反，让用户利用他们已经知道的内容创建控制，数据交换和HMI程序。

工业:控制器经常需要在困难的环境中操作。在工业自动化中使用PC的一个问题是，人们不能相信现成的PC能经得起恶劣的环境。

相比之下，EPIC设备结合了现实世界的自动化经验，能够承受恶劣的条件。像固态硬盘这样的工业级组件是为长寿命而设计的。UL危险位置批准和ATEX符合通常是标准。工作温度范围很宽，例如-20到70°C。EPIC I/O应该是可热插拔的，采用不同尺寸的不锈钢底盘，以适应外壳或机器设计，并可选择din导轨或面板安装。

控制器:本质上，EPIC设备是一个实时工业控制器，设计用于运行控制应用程序。用标准的自动化工具如流程图、结构化文本甚至传统的阶梯逻辑编程，EPIC填补了控制系统中的PLC或PAC的角色。

通常，I/O模块将提供多个通道，并使用独立的通道。模拟和离散I/O应该可以接受各种信号，每个通道通常是可配置的软件。

由于EPICs通常是由控制工程师设计的，因此它们通常包含简化调试和故障排除的特性，例如:
-a内置触摸屏，用手指，手写件或戴手套的触摸屏
一个基于web的系统管理应用程序，用于在现场或使用计算机或移动设备的触摸屏上配置I/O和联网
-I /O模块规格和接线图可在现场查看，在设备上
-spring-clamp端子和集成，覆盖的钢丝，以适应各种电线尺寸
-每个I/O模块上指示模块健康和离散通道状态的led

OEM解决方案
回到之前讨论过的烤箱制造商面临的挑战，这里是他们如何使用EPIC来解决他们的问题。

EPIC可以直接连接到烘箱中的传感器和执行器，在单个单元中提供控制、监控、数据处理、通信和可视化。对于控制编程，OEM可以使用一种流程图语言，一种符合CODESYS IEC 61131-3的语言(如梯形图或功能块图)或安全Shell访问(SSH)来创建运行在Linux操作系统上的自定义程序。

为了改善HMI体验，OEM有以下选择:
在较小的烤箱中，EPIC的内置触摸屏可以提供局部可视化(图3)。
-更大的烤箱，工业监视器可以添加和插入EPIC的HDMI端口。
-对于所有烤箱，OEM可以建立一个安全的基于web的人机界面，用于电脑和移动设备。该人机界面可由客户使用，也可由OEM。

工业自动化市场上的第一个EPIC设备来自Opto 22(图3)。Opto 22的EPIC设备于2018年5月发布，此后每季度的软件更新都增加了重要的功能。这款EPIC设备具有内置的HMI，足以满足许多OEM应用程序。

由于EPIC的系统管理软件是基于Web的，因此OEM可以应用软件更新并从其位置管理烤箱，而不是向客户网站进行旅行。

然而，对于OEM来说，EPIC设备的最大优势可能是能够从客户现场的烤箱中获取所需的数据，而不会给客户带来安全问题。

除了通常用于数据通信的请求/响应方法外，EPIC还提供了另一种方法:发布/订阅。发布/订阅，或发布/订阅，通过设置一个中心代理来工作，或者在内部，或者在云中。代理处理所有数据通信。每个数据源只有在代理使用异常报告更改时才向代理发送数据。需要数据的设备和软件只订阅它们需要的数据，并且只有在数据发生变化时才从代理接收数据(图4)。