为物联网和工业4.0实现云连接

随着信息技术和自动化技术的不断融合，基于云的通信和数据服务越来越多地应用于工业自动化项目。兼容的I/O组件与工业物联网(IIoT)兼容，易于配置并无缝集成到公共和私有云应用程序中。

通过斯文戈尔茨坦 2016年10月19日

在传统控制任务的范围之外，大数据、数据挖掘、状态或电力监测等应用可以实现先进的自动化解决方案。新硬件和软件产品的工业4.0和工业物联网(IIoT)为高级解决方案提供简单的实现。

工业4.0和工业物联网战略对设备和服务的网络和通信能力提出了严格的要求。在图1所示的传统通信金字塔中，在这些实现中，必须在现场级传感器和更高层之间交换大量数据。然而，可编程逻辑控制器(PLC)系统之间的横向通信在现代生产设施中也起着至关重要的作用。基于pc的控制技术为水平通信提供了通用的能力，正是由于这个原因，它已成为当今自动化项目的重要组成部分。基于pc的控制架构中的工程和控制软件为工业4.0概念和物联网通信提供了理想的基础技术。此外，新的iiot兼容I/O组件易于配置并无缝集成到公共和私有云应用程序中。

通过工业4.0和物联网创造竞争优势

工业4.0和物联网应用并不仅仅从底层技术开始。实际上，这项工作开始得比这早得多。在实施物联网项目时，首先检查企业业务目标并确定将从这些项目中获得的利益是至关重要的。从自动化提供商的角度来看，可以定义两种不同的客户类别:机器制造商和自动化机器的最终客户。

特别是在制造部门，通过有效和可靠的生产控制以及减少生产的不合格品数量来降低内部生产成本是有意义的。传统的机器制造商追求非常相似的目标，并有兴趣在保持或提高生产质量的同时降低机器的成本。优化机器的能耗和生产周期，以及实现预测性维护和故障诊断，都是有益的目标。

具体来说，预测性维护和故障诊断为机器制造商提供了坚实的基础，可以为最终客户提供服务，作为额外的收入来源。这两类客户最终想要的是机器或产品设计得更有效，并增加市场竞争力。

收集和分析工艺数据

生产过程中使用的过程数据为创造附加价值和实现业务目标提供了基础。这包括由传感器记录并通过现场总线传输到PLC的机器值。这些数据可以直接在控制器上进行分析，使用集成到领先的自动化软件平台中的状态监测库来监测系统的状态，从而减少停机时间和维护成本。

当多个分布式控制器服务于生产区域时，它们可能不足以分析来自单个控制器的数据。通常需要从生产系统或特定机器类型中的多个甚至所有控制器收集数据来执行足够的数据分析，以便正确分析整个系统。为此需要相应的信息技术(IT)基础设施。以前的实现侧重于在机器或公司网络中使用配备数据内存的中央服务器系统，通常以数据库系统的形式。这使得分析软件可以直接访问数据库中收集的数据来执行相应的评估。

尽管这种在生产设施中收集和分析数据的方法确实工作得很好，但它也带来了许多问题，因为必须首先提供所需的it基础设施。相应的服务器系统的高硬件和软件费用是一个问题，此外，由于执行复杂的联网生产系统，还要支付获得熟练人员的费用。更复杂的是，可伸缩性非常低。最终会达到服务器系统的物理极限(内存量或CPU能力，或分析所需的性能和内存大小)。如果必须用新机器或控制器来补充系统，这通常会导致更广泛的手动转换工作。在一天结束时，中央服务器系统必须随之增长，以处理额外的数据量。

基于云计算的通信

基于云的通信和数据服务现在通过向用户提供底层硬件和软件系统的抽象视图来避免先前的问题。“抽象”意味着用户在使用服务时不必考虑各自的服务器系统。相反，只需要考虑各自服务的使用。IT基础架构上的所有维护和更新工作都由云系统的提供商执行。这样的云系统可以分为公有云和私有云。

公共云服务提供商从自己的数据中心为用户提供一系列服务。这从虚拟机开始，在虚拟机中，实际用户可以控制操作系统和安装在其上的应用程序，并扩展到抽象的通信和数据服务，这些服务可以由用户集成到应用程序中。这些可以包括访问机器学习算法，它可以根据某些机器和生产信息对特定数据进行预测和分类。该算法借助通信服务获取所需的内容。

此类通信服务通常基于通信协议，而通信协议又基于发布/订阅原则。这为相互通信的所有应用程序的解耦提供了优势。一方面，减少了任何耗时的地址信息披露。所有应用程序都通过中央云服务进行通信。另一方面，从终端设备的角度来看，通过消息代理与云服务进行的数据通信涉及一个传出通信连接——无论数据是发送(发布)还是接收(订阅)。配置IT基础设施的优点是不需要配置传入通信连接，例如在防火墙或其他网络终端中。

这大大减少了IT基础设施的设置时间和维护成本。用于数据通信的传输协议是精简和标准化的，例如消息队列遥测传输(MQTT)和高级消息队列协议(AMQP)。此外，各种安全机制也可以锚定在这里;例如，与消息代理相关的数据通信加密和身份验证。标准化通信协议OPC统一架构(OPC UA)也同样认识到基于发布/订阅的通信场景的附加价值，并采取措施将这种通信原则集成到规范中。这意味着除了MQTT和AMQP之外，还有一个额外的标准可以作为到云的传输机制。

发布/订阅机制也可以在公司或机器网络的私有云中使用。对于MQTT和AMQP，所需的基础设施可以以消息代理的形式在任何PC上轻松安装和使用。这意味着机器对机器(M2M)场景都可以实现，任何终端设备(如智能手机)都可以连接到控制器。此外，通过防火墙系统进一步保护对这些设备的访问。OPC UA规范在发布/订阅方面的扩展也将简化未来机器网络中1:N通信场景的配置和使用。

数据分析，机器学习服务

一旦数据被发送到公共或私有云服务，下一个问题就是如何继续处理这些数据。许多公共云提供商提供各种分析和机器学习服务，可用于进一步检查过程数据。这些平台为数据分析和记录所有机器过程的能力提供了相关机制。

根据需求，这些数据可以存储在本地机器处理器上进行评估，也可以存储在公共或私有云中。这为机器制造商提供了创造新的商业理念和模式的能力，也为客户带来了好处。

工业4.0和物联网是行业内的关键概念。当底层基础设施需要创新的业务模型时，这些概念是至关重要的。这也推动了IT和自动化技术的日益融合。基于云的数据服务可以帮助实现此类自动化项目，因为它们使机器制造商或最终客户不必提供相应的IT专业知识。

工业4.0和物联网产品

倍福为用户提供各种各样的组件，用于简单和标准化地集成到基于云的通信和数据服务中。TwinCAT 3自动化软件平台中的物联网(IoT)产品通过标准化的基于发布/订阅的通信协议提供各种功能，用于交换过程数据，以及访问公共云服务提供商的特殊数据和通信服务。相应的服务可以托管在公共云系统中，例如Microsoft Azure™或Amazon Web services，但也可以在私有云系统中同样有效地使用。

这些物联网功能可以通过特殊功能模块直接从控制程序访问，也可以通过控制程序外的“TwinCAT物联网数据代理”应用程序进行配置。需要传输的数据可以通过图形化配置器轻松选择，并配置为传输到特定的服务。一个优点是数据代理还允许在旧的、现有的TwinCAT系统中集成基于云的服务。过程数据也可以继续使用标准化通信协议，OPC统一架构(UA)在这里导出，结果是数据也可以从非倍福系统发送。一款智能手机应用程序可以在手机上显示机器的警报和状态信息。

如果输入/输出(I/O)信号需要在没有控制程序的情况下直接转发，那么倍福新推出的EK9160物联网总线耦合器可以通过设备上易于配置的网站对I/O数据进行参数化，从而发送到云服务。然后总线耦合器独立地将数字或模拟I/O值发送到云服务。物联网耦合站由EK9160和几乎无限数量的强大而快速的EtherCAT终端组成。数据以用户友好的、标准化的Javascript对象表示法(JSON)格式发送到云服务，如果需要，也可以以加密形式传输。扩展机制，如在Internet连接中断的情况下对I/O数据进行本地缓冲，在这里以与连接的现场总线的监控功能相同的方式提供。因此，I/O信号不仅可以通过EtherCAT采集，还可以通过其他现场总线，如CANopen或过程现场总线(Profibus)采集。

斯文戈尔茨坦TwinCAT的连接和嵌入式系统产品经理在Beckhoff自动化。编辑:Emily Guenther, CFE Media副内容经理，eguenther@cemedia.com。

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