剛剛過去的11月，對于工業互聯網而言并不平凡，發生了很多可能一石激起千層浪的標志性事件。這些事件均由IT企業引領，積極將IT與OT推向融合。
這是我在【物女心經】專欄(lan)寫的(de)第270篇(pian)文章。
剛(gang)剛(gang)過去的(de)11月，對(dui)于(yu)工業互聯(lian)網而言并不平凡，發(fa)生了很多可能一石(shi)激(ji)起千層(ceng)浪的(de)標志性事件。這些事件均(jun)由IT企業引領，積極將(jiang)IT與OT推向融(rong)合。
第一件，開源軟硬件平臺Arduino發布了其首款具有工業物聯網功能的微型PLC。該PLC可以借助Arduino大量靈活、易用的開源軟硬件資源，實現快速部署。這款產品的問世，推動工業控制系統的白盒化更進一步。
第二件，Marvell推出了一系列旨在將標準以太網引入工業環境的芯片，搭載多種安全功能并提供對TSN時間敏感網絡的支持。該系列芯片的發布具有里程碑式的意義，表明標準互聯網協議IP進入工業體系的時機趨近成熟，IT與OT正在走向真正的融合。
第三件，Analog Devices、ARM、亞馬遜云服務、貝(bei)加(jia)(jia)萊(lai)、施耐德電氣和德州儀器等(deng)公司(si)，正在一起(qi)合(he)作(zuo)基(ji)于開源實(shi)時操作(zuo)系統FreeRTOS構建(jian)(jian)OPC UA over TSN。這項行動的重點(dian)是將OPC UA over TSN的能(neng)力進一步(bu)下(xia)沉，從(cong)控制(zhi)器、工業(ye)(ye)PC、HMI等(deng)設備，繼續下(xia)探到功耗(hao)和算力更加(jia)(jia)受限的傳感器和執行器，也就是將OPC UA over TSN這條IT企業(ye)(ye)直達(da)工業(ye)(ye)現場的特快通(tong)道，修建(jian)(jian)得更加(jia)(jia)徹底。
這些事件在國內鮮有(you)報(bao)道，這篇文章我們分別來(lai)進行(xing)解讀。
白盒化，工業控制的開源征程(cheng)
工(gong)業(ye)中一直(zhi)存在(zai)(zai)設備、協議、操(cao)作系(xi)統(tong)、編程軟(ruan)件(jian)(jian)緊密綁定的(de)情(qing)況。自(zi)(zi)從在(zai)(zai)1970年代PLC（可(ke)編程邏輯控(kong)制器）和DCS（分布(bu)式控(kong)制系(xi)統(tong)）進入工(gong)業(ye)領域之后，控(kong)制層的(de)自(zi)(zi)動(dong)化(hua)硬件(jian)(jian)和軟(ruan)件(jian)(jian)結構(gou)從未變動(dong)，一直(zhi)圍繞著(zhu)捆(kun)綁式的(de)自(zi)(zi)動(dong)化(hua)硬件(jian)(jian)和軟(ruan)件(jian)(jian)在(zai)(zai)演進。
這與1970年代的小型計算機(ji)市(shi)場(chang)非常類似(si)，當時幾乎(hu)每(mei)一個小型機(ji)的供(gong)應商都是以硬件(jian)(jian)軟件(jian)(jian)捆綁的應用方式和軟件(jian)(jian)工具，以及自己的渠道(dao)伙(huo)伴和軟件(jian)(jian)供(gong)應商進入和占領(ling)市(shi)場(chang)。
工業(ye)設備的(de)白盒(he)化這個(ge)趨勢(shi)在很多場(chang)景(jing)中發生(sheng)，典(dian)型的(de)包括流程工業(ye)、離散控(kong)制等。
在(zai)(zai)流程工業，開放過(guo)程自(zi)動化(hua)(hua)架構OPA標(biao)準(zhun)化(hua)(hua)現場設備的(de)基本輸(shu)(shu)入輸(shu)(shu)出，及監管控制(zhi)功能(neng)塊的(de)執行。在(zai)(zai)離散控制(zhi)，統(tong)一自(zi)動化(hua)(hua)平臺(tai)UAP讓控制(zhi)器可以(yi)最大限度的(de)采用通用化(hua)(hua)的(de)硬(ying)件(jian)(jian)，推進硬(ying)件(jian)(jian)與軟件(jian)(jian)解耦，并使得通訊走向標(biao)準(zhun)化(hua)(hua)。
Arduino推出(chu)的這款(kuan)名為Opta的可編程邏輯控(kong)制器（PLC），推動工業(ye)控(kong)制系統的白盒化更進(jin)一(yi)步。
Opta的(de)基本功能包括支持標(biao)準(zhun)IEC 61131-3 PLC語言，通過(guo)Modbus TCP（以太(tai)網(wang)(wang)）和(he)Modbus RTU（串行(xing)RS485）進行(xing)現(xian)場總(zong)線集成，通過(guo)標(biao)準(zhun)以太(tai)網(wang)(wang)、Wi-Fi、BLE實(shi)現(xian)工業互聯(lian)網(wang)(wang)連(lian)接，通過(guo)Arduino Cloud進行(xing)實(shi)時(shi)遠(yuan)程監控，支持OTA固件(jian)更(geng)新和(he)設(she)備管(guan)理(li)。
根據Arduino業務負(fu)責人在LinkedIn帖子上發布(bu)的(de)信息，Opta售價將(jiang)低于200歐(ou)元(yuan)，精簡版本的(de)起步價為(wei)122歐(ou)元(yuan)。
工程師們展示(shi)了使(shi)用Opta實(shi)現工業自(zi)動(dong)化和樓宇控制的案例。比如(ru)將Opta與稱(cheng)重傳(chuan)感器、視覺系(xi)統結合使(shi)用，完成包裝箱在傳(chuan)送帶上的運輸和填充。
Opta使用網(wang)絡時(shi)間協議NTP進行時(shi)鐘(zhong)同步，并自動(dong)在(zai)包裝(zhuang)上打(da)印時(shi)間信息。Opta的(de)(de)實時(shi)監控通過BLE接入本地HMI，或者(zhe)直連Arduino Cloud完(wan)成。其內(nei)置的(de)(de)機(ji)器學習算(suan)法可以檢測(ce)異常情況的(de)(de)發生，并基于預(yu)測(ce)性維護來確保(bao)產線無憂。
工業設備白(bai)盒化的推(tui)進(jin)，亦將對行業格局(ju)產生深(shen)遠影響。通(tong)過其(qi)搭載的多種連接功能(neng)和機器學(xue)習，Opta的推(tui)出(chu)解鎖了大量IT工程師(shi)實現(xian)OT工業控(kong)制(zhi)的能(neng)力(li)，也讓很多OT工程師(shi)能(neng)夠輕(qing)松(song)調用豐(feng)富的IT資(zi)源。
車(che)同軌(gui)，IT與OT走向真(zhen)正融合
時間敏感網絡(luo)對于工業領域的應用(yong)至關重要。日常生活中(zhong)(zhong)，幾乎每個人都使(shi)用(yong)過標準(zhun)以太網或者Wi-Fi網絡(luo)進行(xing)通信，在我們下載(zai)超大文件或者進行(xing)語(yu)音通話的過程(cheng)中(zhong)(zhong)，可能(neng)會出(chu)現(xian)丟包、變慢或卡頓的情況。這些問題(ti)(ti)在平時可能(neng)沒什(shen)么大不(bu)了，但是(shi)一旦類(lei)似問題(ti)(ti)發生于工廠車間，就可能(neng)導致嚴(yan)重事故(gu)或者人身危險。
因此(ci)在工業領域，用戶(hu)對于通(tong)信(xin)的(de)低(di)延遲和確定性有著很嚴苛的(de)要求，可行(xing)方案(an)是(shi)通(tong)過引入時間敏感網絡來解(jie)決這個問題。
Marvell新推出了將標準(zhun)以太(tai)網引入工業(ye)環境的芯(xin)片，具(ju)體方案由Prestera交換機(ji)和Alaska PHY收發(fa)器(qi)組成，借助TSN將標準(zhun)以太(tai)網擴展(zhan)到工廠的車(che)間中。
這一系列芯片(pian)的發布，具有里程碑式的意義(yi)(yi)。一般意義(yi)(yi)上的工業以(yi)(yi)(yi)太網(wang)，都(dou)對標準以(yi)(yi)(yi)太網(wang)協議進(jin)行了(le)某(mou)種定制(zhi)，不是真正意義(yi)(yi)上的使用以(yi)(yi)(yi)太網(wang)以(yi)(yi)(yi)及標準IP技(ji)術進(jin)行通(tong)訊(xun)。
該系列芯(xin)片的(de)(de)問世表明(ming)標準互聯網(wang)(wang)協議IP進入工業(ye)(ye)體系的(de)(de)時機趨近成熟，一顆芯(xin)片可以(yi)同時支持IT與OT多(duo)種通訊需求(qiu)，從而(er)降低了成本，IT與OT正在走向真正的(de)(de)融合(he)。根據研究機構預測，到(dao)2026年基于TSN的(de)(de)工業(ye)(ye)以(yi)太網(wang)(wang)交(jiao)換機，其市場占有率將從不到(dao)15%增長(chang)到(dao)趨近50%，工業(ye)(ye)以(yi)太網(wang)(wang)的(de)(de)總市場規模也將攀升至17億美元。
考慮到工業(ye)(ye)通訊設備的生命(ming)周期普遍(bian)長達20~30年(nian)，因此基于(yu)標準IT技(ji)術的以太網(wang)(wang)引入工業(ye)(ye)尚需時日，不過(guo)一旦標準以太網(wang)(wang)在工業(ye)(ye)領域普及，將(jiang)會引發更大范(fan)圍的變化。
因為(wei)IT網絡(luo)具備(bei)更(geng)加全面的(de)(de)(de)特性與功能，具有總體擁有成本低、使(shi)用簡單(dan)的(de)(de)(de)明顯優(you)勢。使(shi)用非標(biao)(biao)準(zhun)的(de)(de)(de)工(gong)業通(tong)訊(xun)協議，芯片價格在幾(ji)歐元的(de)(de)(de)量(liang)級(ji)，而TSN和標(biao)(biao)準(zhun)以太網的(de)(de)(de)芯片，售價存在縮減(jian)到十分之(zhi)一的(de)(de)(de)潛力。況且通(tong)用的(de)(de)(de)網絡(luo)、存儲、計算資(zi)源更(geng)為(wei)經濟，過去(qu)龐大的(de)(de)(de)工(gong)業網絡(luo)基礎設(she)施投(tou)入的(de)(de)(de)必要性正在減(jian)弱。
可以(yi)預測(ce)，TSN與(yu)標(biao)準IP技術的(de)結合，將為IT與(yu)OT的(de)融合建立統一的(de)通訊“高速公路”。
書同文，OPC UA觸(chu)達現場層
在(zai)文章《TSN聯手OPC UA，將是阿(a)里、騰訊、華為(wei)們直達工業4.0的特快通道》中，我曾經提到過OPC UA over TSN的重要作(zuo)用。
TSN與(yu)OPC UA聯(lian)手，正在嘗試改寫工業(ye)通訊的底層架構。由TSN與(yu)OPC UA鋪成的“特快(kuai)通道”，有可能讓一直在工業(ye)物聯(lian)網領域懸(xuan)空的互聯(lian)網企業(ye)、IT企業(ye)們直達工業(ye)現場層。
OPC UA是OPC基金會(hui)提供的(de)新一代(dai)技術，提供安全、可靠并獨(du)立于廠商(shang)的(de)數據傳輸，跨越制造層(ceng)級(ji)、生產計劃層(ceng)級(ji)和ERP層(ceng)級(ji)。通過OPC UA ，所有需(xu)要的(de)數據信息在(zai)任何(he)時(shi)間(jian)、任何(he)地點(dian)、對每(mei)個(ge)授(shou)權的(de)應用、每(mei)個(ge)授(shou)權的(de)人員都(dou)可使用。這種功能獨(du)立于制造廠商(shang)的(de)原(yuan)始應用、編(bian)程(cheng)語言和操作系統等軟(ruan)硬件屬性。
OPC UA over TSN，其(qi)中(zhong)TSN解(jie)決(jue)數據(ju)獲(huo)得(de)的(de)問題(ti)(ti)，OPC UA解(jie)決(jue)語(yu)義解(jie)析的(de)問題(ti)(ti)。兩者搭配，傳(chuan)統工業的(de)金字(zi)塔架(jia)構(gou)在很大(da)概率(lv)上(shang)會被直(zhi)接(jie)打破，變成扁平化結構(gou)，不(bu)用再(zai)經過層層設備(bei)，數據(ju)獲(huo)得(de)可(ke)以直(zhi)接(jie)“跳步”貫穿到(dao)數據(ju)分(fen)析和(he)應用。
如今(jin)，OPC UA over TSN 又(you)有了最新進展。Analog Devices、ARM、亞馬遜云服務、貝加萊、施耐德電氣和德州儀器等公司，正在(zai)一起合(he)作基(ji)于開源實(shi)時操作系統FreeRTOS構(gou)建OPC UA over TSN。
原本OPC UA 僅(jin)能覆(fu)蓋內(nei)含CPU的控制設備(bei)，比如PLC、工業(ye)PC、HMI人機界面(mian)或者SCADA，因其對設備(bei)的算力(li)和內(nei)存具有較高的要求。而本項行動的重點恰恰是將OPC UA over TSN的能力(li)進一步下沉(chen)，從控制器(qi)(qi)、工業(ye)PC、HMI等設備(bei)，繼續下探到功耗和算力(li)更加受限的傳感器(qi)(qi)和執行器(qi)(qi)。
該(gai)行動將解鎖(suo)大量的現場設備對OPC UA over TSN的支持，從而在整個工(gong)業體系中建立更加廣泛的生態系統，也(ye)就是將OPC UA over TSN這條IT企業直(zhi)達(da)工(gong)業現場的特快通道，修建得(de)更加徹底(di)。
OPC UA作為一種數(shu)據傳輸的統(tong)一格式，無(wu)論是傳感(gan)器層還是云平(ping)臺(tai)層都可以部署，保持全棧信息模型的統(tong)一。因為無(wu)論產品(pin)類型、品(pin)牌和功能等(deng)差異如何存(cun)在(zai)，均(jun)可輕而易舉的實現從(cong)下到上的貫(guan)穿和整(zheng)合。
寫在最后(hou)
白盒化、車(che)同(tong)軌、書同(tong)文，工業企業如(ru)何把握這些機遇？
AI+工業(ye)互聯網，作為產業(ye)智能化的新范式，將怎樣推進企業(ye)的數字化轉型？
后(hou)疫情時代，工業企(qi)業實現(xian)高(gao)質量發展的手段有哪些？
?為了更好的回答上述問題，2022年(nian)12月7日(ri)，一年一度的產業盛會【中國AIoT產(chan)業年會暨2023智(zhi)能產(chan)業前瞻洞(dong)察大典(dian)】將在深圳(zhen)召開。
在年會中，我(wo)們即(ji)將(jiang)發(fa)(fa)布《2023年中國AIoT產(chan)業全景圖譜(pu)——工業互聯網(wang)子圖譜(pu)》，并且(qie)圍繞工業互聯網(wang)的最新(xin)發(fa)(fa)展(zhan)趨勢，我(wo)們特別設(she)置(zhi)了系列演講環節，分享和交流前瞻的產(chan)業方向(xiang)、技(ji)術趨勢以及(ji)應用場景實(shi)踐(jian)經驗，為產(chan)業升級發(fa)(fa)展(zhan)提供新(xin)價(jia)值、提供新(xin)動(dong)力。
