将确定性的数据中心引入到边缘计算中

December 13, 2018 Brandon Lewis

边缘计算为工业物联网 (IIoT) 系统带来的好处变得不容忽视了。在传感器和执行器附近添加智能可减少通信带宽、延迟和安全顾虑,还可以带来其它优势。

但是,真正的边缘计算不仅仅意味着在嵌入式设备上提高 MIPS。它需要能够将数据中心的性能引入到实时环境中的端到端解决方案。

将嵌入式设备连接到互联网会带来许多挑战,包括授权和配置、远程管理、端点安全以及跨物联网和 IT 环境的共享数据的许多复杂事物。这些问题使边缘计算天生与企业平台捆绑在一起。

这会造成问题。大多数企业解决方案不适合 IIoT 应用程序,导致边缘的要求和数据中心的功能之间出现缺口。尤其值得注意的是,企业网络缺乏 IIoT 边缘计算方案所需的确定性,但这种缺口正在通过 OPC Foundation 的统一架构 (OPC UA) 和 AVnu Alliance 的时间敏感型网络 (TSN) 技术填补。

OPC UA:适合 OT 和 IT 通信的统一架构

为了将边缘设备与数据中心相结合,许多工业 OEM 使用 OPC UA。与以 IT 为中心的技术不同,OPC UA 通信堆栈提供了面向服务的架构 (SOA),它会将各种现场级别协议抽象化到传输层机器到机器 (M2M) 协议,以便通过企业网络进行传输。

图 1 中所示,OPC UA 实现企业和 IIOT 部署的控制层之间的透明通信,并解决了与边缘计算关联的许多网络障碍。

图 1. OPC 统一架构 (OPC UA) 软件堆栈实现工业物联网 (IIoT) 边缘计算所需的通信透明度和灵活性。(信息来源:National Instruments

OPC UA 可帮助将企业系统绑定到操作设备的功能包括:

  • 双向检测信号,可向客户端和服务器通知彼此的状态,使得能够快速识别中断
  • 数据缓冲,可确保在连接中断的情况下保留数据
  • 安全、身份验证和授权,包括 WS-SecureConversation 规范的二进制版本,适合资源受限的设备
  • 冗余,可改善数据传输及整个基础设施的可靠性,以防系统出现故障

这些功能允许支持 OPC UA 的设备在工厂自动化、楼宇自动化、石油和天然气、过程控制和药物等行业中统一边缘和云。但是,标准不会天生提供可用于保持从现场级别到企业的工作确定性的机制。

进入时间敏感型网络 (TSN):物联网架构的确定性

从汽车行业产生的 TSN 技术可通过以太网交付高质量的实时音频和视频内容。因为基于以太网的通信在工业现场总线环境中普遍存在,TSN 技术开始在 IIOT 中崭露头角就一点也不奇怪了。

与传统 IEEE 802.3 以太网标准相比,基于 IEEE 802.1x TSN 的以太网网络制定不可协商的时间边界以定义端到端传输延迟。这个特征使得在默认情况下 TSN 通信可确定,因此可实时进行。

TSN 还可以在同一网络上支持不同的流量类别和优先级级别。因此,支持 TSN 的 IIoT 设备可以将企业连接技术从 SCADA 和控制系统扩展到现场中的传感器和执行器(图 2)。

图 2. 支持 802.1 时间敏感型网络 (TSN) 标准的工业协议可将运营技术 (OT) 系统的确定性扩展到企业平台。(资料来源:EBV Elektronik GmbH

如前面的图中所示,以太网 TSN 与 OPC UA 等技术相结合可提供从现场级别边缘计算系统到云的基于 IP 的常见连接。但是,以太网不是支持 TSN 的唯一协议。图 3 显示了与 TSN 兼容的其他现有或将来的工业通信技术。

图 3. 受 AVnu Alliance 管控的时间敏感型网络 (TSN) 规格支持通过 OPC UA、PROFINET、IEC 61508、IEEE 1722、Ethernet IP、DDS 等协议和专门实施的实时通信。(信息来源:National Instruments

OPC UA 和 TSN 统一软件定义的工厂

OPC Foundation 和 IEEE 802.1x 工作组开展工作以将 TSN 技术集成到 OPC UA 通信堆栈,这对 IIOT 边缘计算产生了重大影响。这种创新使工业组织能够将实际的数据中心引入到工厂,而不是将可以与数据中心媲美的性能添加到嵌入式系统(图 4)。

图 4. OPC UA 和 TSN 技术相结合使工业自动化公司能够将云技术引入到确定性的环境中。(资料来源:Kontron

通过在内部部署的边缘服务器中结合实时、功能安全和云功能,自动化工程师可以开始创建真正意义上的软件定义的工厂。借助与附近的数据中心智能的确定性、低延迟的连接,控制器、传感器和执行器成为本地化性能改进体系的一部分。现在,可以通过软件利用工厂集体智慧进行实时优化。

例如,借助 OPC UA TSN,在内部部署的边缘服务器可以在本地执行全面、实时分析,以在安全或业务关键型工业使用案例中加快决策周期。来自工厂内所有节点的历史数据也可以在预测性维护的 Swift 应用中用于保护贵重的工业设备。在处理新的推断时,可以采用迭代方式更新和重新部署机器学习算法,提高工厂的智能化程度,而不必依赖云。

当然,实施软件定义的工厂还需要具有合适的网络功能的灵活、稳健的硬件。这正是 Kontron 等公司派上重要用场之处。

Kontron 将设计工业级计算和通信平台的传统引入到智能工厂环境中。现在,该公司提供基于标准的控制器、网关和基于英特尔® 技术的多 CPU 服务器的可扩展产品组合,以支持 OPC UA 和 TSN 等新兴工业网络技术。

例如,KBox C-102-2 TSN Starterkit 是一种双插槽工业 PC,采用了第六代智能英特尔® 酷睿 i5 处理器和四端口 10/100/1000 以太网 TSN 网络接口卡 (NIC)。KBox TSN 入门套件支持 Linux 并具有实时扩展,允许快速部署工业 TSN 网络。

工业云和连接整合成就智能化程度更高的工厂

将性能和功能集成到边缘传感器和控制器确实具有优势,但并不是在所有情况下都如此。将更多处理能力和存储空间调配到这些系统可能会迅速突破大小、重量、能耗和成本阈值,在包含几百或上千个传感器节点的 IIOT 部署中尤其如此。

相反,将数据中心引入到边缘不但可为自动化工程师提供认识 IIOT 所需的情报,而且可保持经过数十年考验的确定性的工业系统架构。得益于 OPC UA 和 TSN 的实时属性,此功能现在触手可及。

要了解有关这些技术的更多信息,请观看按需点播网络研讨会 “面向工业物联网的边缘计算”。

作者简介

Brandon Lewis

Brandon is responsible for Embedded Computing Design’s IoT Design, Automotive Embedded Systems, Security by Design, and Industrial Embedded Systems brands, where he drives content strategy, positioning, and community engagement. He is also Embedded Computing Design’s IoT Insider columnist, and enjoys covering topics that range from development kits and tools to cyber security and technology business models. Brandon received a BA in English Literature from Arizona State University, where he graduated cum laude.

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