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深度剖析:工业互联网平台(国际篇)
作者: 作者单位:中国机器人网 所属类别: 2018-03-28 00:00:00 浏览:6
  e-works粗略统计,截止2018年3月,声称能提供工业互联网平台服务的国内外厂商已经超过150家,耳熟能详且能直接说出名字的工业互联网平台不下30家。漫天飞舞的工业互联网平台可谓是乱花渐欲迷人眼,让人看的眼花缭乱,很难让人真正理解不同工业互联网平台之间的本质区别。带着对工业互联网的思考,e-works特别策划了题为“工业互联网平台大盘点”的活动,希望能通过对业界主流工业互联网平台的梳理来理清它们之间的区别,进而引导制造企业有针对性的推进工业互联网平台的选型与实施。
  一、工业互联网平台定义
  e-works数字化企业网总编黄培博士认为,工业互联网是指工业互联的网,而不是工业的互联网。他认为,在企业内部工业互联网要实现工业设备、信息系统、业务流程、产品与服务、人员之间的互联,实现企业IT网络与工控网络的互联,实现从车间到决策层的纵向互联;在企业与企业之间,工业互联网要实现上下游企业(供应商、经销商、客户、合作伙伴)之间的横向互联;从产品生命周期的维度来看,工业互联网要实现产品从设计、制造到服役,再到报废回收再利用整个生命周期的互联。
  工业与信息化部电子信息司副司长安筱鹏则将工业互联网用一个简单的公式进行表述,即“数据+模型=服务”。安司长认为,工业互联网平台通过对企业的机器、业务系统、产品模型等过程数据进行广泛的采集,将采集到的关键数据导入到工业化模型以实现业务功能的软件化,最终为企业提供工业级应用服务,帮助企业优化生产流程,为产品从研发到生产、销售和使用等全生命周期提供服务,从而实现制造资源的优化配置。

深度剖析:工业互联网平台大盘点(国际篇)

图1工业互联网平台架构

  在工业互联网产业联盟提供的白皮书中将工业互联网平台从架构上具体划分为四个层次,即边缘层、IaaS层、工业PaaS层和工业SaaS层。其中,IaaS层主要是为PaaS层提供云基础设施支撑,以构建满足工业应用开发需求的硬件环境。工业与信息化部电子信息司副司长安筱鹏曾用三句话概括了工业互联网平台需要支撑的应用功能。
  第一,数据采集是基础。对应工业互联网的边缘层,其本质是利用泛在感知技术对多源设备、异构系统、运营环境、人员信息等要素进行实施高效采集和云端汇聚。
  第二,工业PaaS是核心。对应工业互联网的平台层,其本质是在现有成熟的IaaS平台上构建一个可扩展的操作系统,为工业应用软件开发提供一个基础平台。
  第三,工业APP是关键。对应工业互联网的应用层,其主要功能是为面向特定工业应用场景,激发全社会资源推动工业技术、经验、只是和最佳实践的模型化、软件化、在封装,让用户可以通过对工业APP的调用实现对特定制造资源的优化配置。
  二、工业互联网平台应用支撑能力
  通过梳理业界专家对工业互联网平台的定义,我们可以总结出工业互联网平台需要具备的基本功能:
  第一,能实现将不同来源和不同结构的数据进行广泛采集;
  第二,具备支撑海量工业数据处理的能力;
  第三,能通过工业机理和数据科学实现海量数据的深度分析,并能实现对工业知识的沉淀和复用;
  第四,能够提供开发工具及环境,实现工业APP的开发、测试和部署。
  从当前工业互联网发展水平看,能完全满足以上四个层级功能的国内工业互联网平台还比较少,但针对某些行业应用,领先的厂商基本能做到四个层级功能的全覆盖。比如在燃气轮机、医疗等领域,由于较高的市场占有率和多年的数据积累使得GE、西门子能充分构建基于这些数据运行特点的算法和模型,通过工业机理和数据科学实现海量数据的深度分析,并能实现对工业知识的沉淀和复用。同时还能够提供开发工具及环境,实现工业APP的开发、测试和部署。但对于当前大多数工业互联网平台而言,由于行业影响力和技术支撑能力有限,基本上只能做到数据采集和分析,很难提供基于PaaS平台的应用开发能力。同时缺乏强力的合作伙伴也很难形成工业APP应用开发生态。
  为了全面的了解当前工业互联网平台的发展情况,我们将以前面谈到的四个层次功能为基础,采用对标的方法对当前主流的工业互联网平台进行功能梳理和解读。
  1.国外主流厂商及平台
  (1)GE——Predix
  按照Predix白皮书公布的信息,Predix平台的四大核心功能是链接资产的安全监控、工业数据管理、工业数据分析,云技术应用和移动性。平台架构共分为三层,分别为边缘连接层、基础设施层和应用服务层。其中,边缘连接层主要负责收集数据并将数据传输到云端;平台层主要提供基于全球范围的安全的云基础架构,满足日常的工业工作负载和监督的需求;应用服务层主要负责提供工业微服务和各种服务交互的框架,主要提供创建、测试、运行工业互联网程序的环境和微服务市场。

工业互联网平台大盘点(国际篇)

图2Predix工业互联网平台架构

  Predix平台主要通过一个名为Predix机器的功能模块采集工业数据,这是一个能嵌入到工业控制系统或网络中的软件栈,其嵌入方式主要由三种:
  1)部署在网关。对于支持通用工业通讯协议(如modbus,opc等)或TCP/IP等IT通讯协议的设备,Predix机器可以通过设备自身所支持的协议直接与设备进行通讯,在这种应用场景中,Predix机器往往部署在网关上,而网关起到设备与云之间的通讯连接作用;
  2)部署在控制器。Predix机器直接部署在设备的控制单元中,这样做能够削弱机器软件与硬件之间的联系,实现连接、可升级性、兼容性、远程访问等,使独立运行或在单独网络中运行的工业设备能够直接连接到云端,完成数据采集与实时分析;
  3)部署在传感器节点。在这一应用场景中,传感器部署在生产现场,完成数据采集,直接将数据上传至云端,在云端完成其他的数据处理操作。
  为了实现对大量采集来的工业数据进行处理和分析,进而优化工业生产过程。Predix平台提供包括设备服务、数据服务、分析服务在内的一系列服务。具体实现过程:
  Predix先通过设备服务为设备建模,再利用数据服务将采集的设备运行数据与来自其他的数据源的数据(包括设备模型、ERP数据)相结合,并根据数据的特点存储到不同类型的数据库中,最后采用分析服务对数据进行分析,进而输出分析结果。目前,Predix提供两种类型的数据分析:操作数据分析和历史数据分析。其中,操作数据分析实质是实时数据分析,对设备的状态变化进行实时分析与响应;历史数据分析是对海量历史数据进行分析,进而建立设备预防性维护模型。
  面对当前不同行业数据的分析需求,Predix分析服务提供开发框架,一个基于微软CloudFoundry框架的PaaS开发平台,利用这个开发平台,企业可以根据需求自主开发算法和模型,在通过配置、抽象以及扩展模型用于管理分析算法的执行。由于多年在航空、能源、电力、医疗等行业的经验和数据积累,Predix平台内部集成了一些针对飞机发动机引擎、医疗数据、能源数据的算法和模型。除此之外,GE及合作伙伴还基于Predix平台开发部署了一系列工业APP应用,包括计划和物流、互联产品、智能环境、现场人力管理、工业分析、资产绩效管理、运营优化等。
  e-works认为,Predix平台基本实现了对工业互联网平台四大功能的全覆盖,属于比较典型的工业互联网平台。就目前而言,Predix工业互联网平台无论是在技术架构的领先性、功能服务的全面性、行业应用的覆盖度,以及业界的影响力等方面都要领先与同行,属工业互联网平台中的旗舰和标杆。
  (2)西门子——MindSphere
  如果需要为Predix选择一个行业对手,我认为非MindSphere莫属。MindSphere是西门子推出的基于云的开放式物联网操作系统,自2016年4月发布以来受到了行业的广泛关注。MindSphere之所以有着强大的行业影响力就在于西门子不但在构建工业互联网理念,而且有着比较广泛的行业应用实践,包括一系列数字化工厂和无人工厂都是以MindSphere平台为核心构建。

深度剖析:工业互联网平台大盘点(国际篇)

图3MindSphere基于云的开放式物联网操作系统

  对工业设备的数据采集,西门子提供了一个MindConnect的工具盒子,可以让设备轻松连接入网。在这里可以找到Nano这种即插即用的工具,而配套的网关、软件也都使得连接变得容易,并且可以轻松集成到MES软件上。当然,这个即插即用目前是有限制条件的,要么设备支持西门子S7的通讯协议,要么支持OPCUA这个新一代通讯协议。当然Nano应该只是一个面向既有产品的过渡手段,而对于西门子新自动化设备而言,这种工具干脆就会直接成为数字化设备的一部分。
  MindSphere平台主要依托Nano这一网关型硬件产品,向上与MindSphere的云端进行连接,向下与西门子的众多具有以太网通讯能力的硬件产品、以及支持通用协议的其他品牌产品进行通讯,完成数据采集与传输。如果设备的通讯协议比较特殊,用户可以基于Nano中的开源软件自行开发设备通讯与数据采集程序。
  下面我们具体介绍MindSphere是如何实现与设备之间的通讯与数据传输,主要的方式可归结为四种:
  1)MindConnectNano
  MindConnectNano实质上是一款嵌入式工控机,通过预先进行配置的方式与MindSphere进行连接通讯。在硬件上支持的接口主要包括USB、PCIe插槽、串口以及以太网口。支持的通讯协议包括西门子S7系列的以太网通讯协议以及OPCUA。Nano能够通过安全的网络连接向MindSphere传输加密数据,保证数据安全。Nano只能与MindSphere共同使用。
  从Nano的产品介绍中可以看出,它扮演的角色类似于位于云平台和现场设备之间的工业网关,既完成数据采集(包括建立通讯),又完成数据向云端的加密传输。而且Nano这一工业网关只能用于MindSphere体系中。
  2)MindConnectIOT2040
  这款产品的定位还是作为工控设备与物联网的连接器,因为这款产品本身秉承了SIMATIC系列产品的工艺设计,保证了在工业现场恶劣环境下的可靠性,这一点能够弥补Arduino等物联网开源硬件在工业强度等级上的不足,相当于给性能强大的物联网硬件穿上一身安全服。
  3)MindConnectSoftware
  从功能上推断可能就是Nano中提供的免费开源软件。通过这个开源的软件用户可以自行开发所需要的通讯协议,与设备建立连接,采集数据。比如有些设备并不支持OPCUA工业通信标准,也不支持西门子S7系列的以太网通讯协议,在这种情况下,企业就可以利用MindConnectSoftware进行自主的通讯协议开发。
  4)SIMATIC系列及其他西门子产品
  西门子的自动化产品中有很多通讯模块,比如以太网通讯模块,甚至有些CPU模块中就带有以太网通讯的功能,因此,MindSphere可以通过Nano直接与西门子的这类产品进行集成,实现通讯与数据采集。
  对于数据的分析,MindSphere白皮书介绍比较简单,只是在介绍了MindSphere融合了自己开发的Sinalytics分析平台。这个平台与Predix平台非常类似,整合了远程维护、数据分析及网络安全等一系列现有技术和新技术,还能够对机器感应器产生的大量数据进行整合、保密传输和分析。不过西门子提供的资料表明,Sinalytics分析平台主要是提升对燃气轮机、风力发电机、列车、楼宇和医疗成像系统的监控能力。
  但经过2017年的发展,西门子已经对MindSphere平台的数据分析和应用开发能力做了重大优化。西门子通过与IBM进行合作,将WatsonAnalytics融入到MindSphere中,为MindSphere提供了多个分析工具,包括预测分析、规范分析和认知分析。在2017年汉诺威工业博览会上,西门子展示约50种工业APP,包括了降低安全风险,提升互联设备和工厂的可用性等功能。除此之外,西门子正在与源讯、埃森哲、Evosoft、SAP和微软,以及亚马逊云服务(AWS)和Bluvision等新的合作伙伴进行合作,强化工业APP产业生态的构建。
  MindSphere平台向下提供数据采集API,即支持开放式通讯标准OPCUA,也支持西门子和第三方设备的数据连接;向上提供开发API,方便合作伙伴和用户开发应用程序。MindSphere平台应用开发也是基于CloudFoundry框架构建,即搭建完整的大数据预处理、存储及分析的技术框架,也融合了西门子以前在若干个领域积累的分析模型与算法,也提供开放的接口,便于用户嵌入满足个性化需求的分析算法模型。
  e-works认为,MindSphere平台是目前最贴近制造企业工业自动化应用需求的工业互联网平台。西门子本身就是一家制造企业,生产制造一些关键的工业自动化设备。因此,既能准确的把握制造企业的应用需求,也能通过对工业设备的技术和生态掌控构建满足制造企业需求的工业互联网平台。这决定了MindSphere平台必然是当前制造企业的优先关注对象和应用实施的首选。

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