数据云梯 赋能工业互联网平台

来源:宜科

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关键词:工业APP 工业互联网

    工业APP,为工业互联网平台而生

    负责IT(互联网技术)和OT(运营技术)的管理者,在工业化和信息化融合的几十年来,井水不犯河水:IT看重业务流程合理,OT看重业务执行稳定。从具体的面向对象来看,OT与IT的区别主要是体现设备的边缘端,OT的世界遵从物理进化的原理和机制,发展比较缓慢:源自控制,专注于运营。

    然而,工业互联网的发展,和数据流动变得空前容易,激发了人们对于数据价值的想象,从而大大促使了OT和IT融合的必要性。工业互联网的应用在很多层面上就是统一IT和OT的视角。但IT和OT二者自身的需求、纬度、思维方式太不一样,融合是非常困难的。工业互联网的普及,不同于常规的企业管理软件ERP和执行管理系统MES应用,它不仅仅是收集数据丰富性和颗粒度的问题,而更多是要考虑这些数据背后的价值,这只能站在更高的战略岗位上才可以评估和定义。

    GE在2018年的报告中指出,真正数字转型的主战场,恰恰是发生在IT和OT交界的地方。实际上GE更倾向于OT技术的魅力将得到极大释放,“IT正在失去魔法,OT的指挥棒正在缓缓升起”。而ARC咨询团队在2016年提出的IT和OT融合成熟度模型中,描述了人员、流程、技术和测量之间在各融合度的关系,也表明了一点,需要连接边缘和云、需要处理各种OT协议和数据格式,都是IIoT大显身手的地方。

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    图1:设备连接与IT应用的融合

    IT要下沉,OT要上升,从各种系统汇流而来的数据要分析,这就使得工业互联网平台的崛起成为可能,使得面向工业应用的开发大大加速。IIoT平台,为工业APP应用的开发,提供了一张充满沃土的温床。

    数据重力,推动边缘的进化

    设备的数据,具有一种“沉底”的特性。它很少被真正打捞上来使用。因为工业数据最大的特点就是海量,而且无序。在工业发展数百年历史上,产线的管理者从来不曾正眼看过它们。它被列入考虑对象也就是最近几年的事情。

    例如,仅仅单个数控机床设备,每秒产生的数据就可以达到400M。按照一条产线上有10个工位十台设备计算,有五条产线的话,那么一个简单的工厂,数据生产量每秒钟可以达到20G!想想一个人,手机流量也不过是每个月10G左右。二者相差500万倍!

    工厂的大数据,往往都是垃圾数据山,主要表现在六大症状:数据很脏(必须大量的算法清洗,才能有可用数据)、频率不同(现场触发的频率非常不同)、海量、大小不一(数据的容量大小不一)、种类很多(各种异构数据源)、跨学科导致的关系复杂 (数据机制来自“机光电热磁”等不同学科领域)。

    如此庞大的数据,大多数是没有用的,只能留在机器端。这就是所谓的“数据重力”。

    它使得大量的数据被丢弃在车间的地板上、设备周围的空气中。

    数据重力,导致大量数据无法上云端,也就无法完成分析。而这几年物联网和计算能力的发展,推动了人们对于边缘智能的思考。太重的数据,可以就地处理。在大数据分析的时代,这个任务交给了边缘计算。

    工业互联网平台,本身就是一个分布式的计算平台,它很好地解决云和边缘的集成问题。通过连接、设备管理、数据管理和机器学习,为真正打开数据的分析价值,提供了一个认真的钥匙。这也为面向场景应用的工业APP的开发和部署,提供了极大的方便。

    工业APP的春天正在来临

    工业互联网平台中间的PaaS平台(Platform as a Service)是最重要的部分。目前最有雄心壮志的选手,都在聚焦这个地方。新型API技术和与环境无关的容器封装技术,使得平台本身的快速部署和应用。有了工业PaaS平台的支撑,面向场景的工业APP应用,也是工业互联网当下最具憧憬的一个领域:千军万马过大江的局面,正在呼之欲出。

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    图2:工业互联网平台架构(source:白皮书)

    平民开发师(Citizen developer)也就是非专业软件人士,正在大量涌现,当前很多企业的设备维护都是这一类人员,如果也能使用软件环境,轻松部署,这就需要有大量轻代码的编程、大量拖拽式的应用。

    2017年10月,工业互联网巨头美国通用电气公司GE与苹果达成合作,两家公司将共同开发企业级 iOS 应用,并推出全新的Predix SDK,重点就是物联网。GE 将为自己开发 iOS 应用以及商业合作伙伴,并在全公司部署 iPhone 和 iPad。

    这个面向物联网开发APP应用,背后有一个真实的故事。

    加州州立大学的计算机系学生在GE Predix的创新大赛中,发明了一款APP,可以利用学校三个不同的能源点(太阳能光伏板、热电气联产等)的能源消耗数据,通过数据分析得出最佳的供电量。该项目获得了10000美元的奖金。

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    图3:GE创新APP竞赛的优胜者团队

    一直在思考电厂如何更加有效运行的GE团队,受TITAN的启发非常大,因为他们的一个方向就是更好地解决管道蒸汽损耗。随后,开发团队又在iPhone的应用商店中找到一例照相机辅助应用,可以获得快速、高效和低成本形成热成像技术。这让他们觉得找到了提高电厂效率的方法。

    GE的APP研发团队跟亚特兰大电厂的现场经理合作。后者陪着他们一起走访了现场的各种管道,并指出哪些管道接口是可能漏汽从而造成热损耗的。

    借助于这些领域专家所标定的异常故障图像,再结合机器学习和成像工具,GE开发团队随后开发了一款APP,面向管道的热成像工具TITAN(异常报警热成像工具),每年可以节省50000美元。

    代价竟是如此之小。创新团队的大学生们只获得了10000美元的奖金。而GE的开发团队仅仅用了6个就开发出这样一个效果神奇的工业APP。

    这就是数字组合创新的魅力,就像是高中毕业生的舞会,空气中弥漫着随时可以撮合的火花。

    而要满足数字化的全新组合,所有的要素尽量服务化。这样得以释放的数据就可以轻松成为场景应用的基本素材。借助于一个松耦合、多方可以调用的资源,工业APP把各种数据重新组合,经过信息化、知识化的处理,封装成可以执行或者调用的模块。

    云化风正盛

    上云的应用,场景意图往往很明显,需求变化也很快。为了适应这种快速变化,就要微服务化,这就是最近几年微服务非常流行的原因。微服务可以为各类APP开发者提供满足场景应用的资源池调用,因此它正在成为全新的潮流。一心要往云方向转型的金蝶,据说已经有了几百种微服务。

    在今年德国汉诺威博览会上,某传感器制造商推出了可编程的传感器,同时建立了一套软件体系,可以帮助现场工作人员建立面向传感器应用的APP Space。这大大改变了传统上对传感器只有开关信号的认知。软件定义硬件,已经武装到设备最末端的牙齿上了。而该制造商同时推出了APP Space的编程社区,旨在推动那些在现场的人员,也成为APP的开发者,实现各种灵活的功能,具有非常大的吸引力。

    工业互联网平台走向平民化,非IT专业人士也可以轻松上手工业APP应用。这是一个巨大的进步,一种开放式的知识洪流,在工业互联网平台上轰鸣,并重新汇成令人兴奋的场景应用。

    数据云梯,推动OT与IT数据融合

    IT由管理业务数据、支撑管理流程的技术、系统和应用程序组成,通常报告给CIO,这些管理的应用程序包括ERP、MES、EAM、WMS等。而OT由管理生产资产、保持顺畅运营的技术、系统和应用程序组成,通常报告给COO,管理的应用程序包括PLC、PCD、SCADA、SIS、数据历史和网关系统等。

    这些数据要实现融合,意味着要克服数据重力,完成从地板到天花板的迁移。

    这些数据有三条通道可以直达天花板:带通讯能力的传感器、网关和PLC。对于褐色工厂(brown field),很难采用PLC/IPC,因为对PLC重新编程会有很多困难;这个时候,一般采用网关集成的方式。而对于绿色工厂(green field),也就是通过使用当下各种接口的PLC/IPC,包括支持OPC UA协议的,都可以有很多自由的选择;对于一些褐色工厂,传感器也是适合的。但是这一点不能规模化,这种多带有通讯能力的传感器,成本还是会太高。

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    图4:数据云梯

    数据要完成从设备级的地板,升到企业级的天花板。需要闯过三关,第一关是设备连接;第二关是数据重力识别,对相关数据进行分析;第三关是建立面向个人的APP应用。

    对于工业互联网平台而言,最需要的就是搭建这样一个“数据云梯”,来完成数据上上下下的运载,从而丰富工业互联网平台的应用。

    针对这种局面,宜科电子采用了一种IoT Hub的思路,通过三驾马车实现从边缘到云端的一揽子数据解决方案。一是面向连接的大胃王的IoT Hub边缘端,完成各种设备的数据采集,尤其是对PLC的采集;二是在边缘层构建ThingsWise大数据分析软件,实现对数据的实时分析;这两者完成了对数据的边缘分析和计算。最后,通过工业APP快速生成工具WorkBench的应用端,可以使得“平民程序员”(citizen developer)用最少代码的方式,通过视图和拽曳,就可以快速生成APP,并且可以适配各种移动操作系统。

    这就实现了设备连接、边缘分析和APP应用的“三位一体”的使能平台,从而使得工业互联网平台可以面向场景应用来处理各种设备和数据。

    例如在博世的一个纯蒸汽发生器的场景中,大型设备往往需要多个本地的HMI,而且部分工序需要人工操作(如转换、物料再存储等)。

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    图5:为博世提供IoT Hub解决方案

    而在IoT Hub的三位一体解决方案中,通过OPC UA采集过程变量的实时数据,并通过WiFi传输,然后在移动端分析各种KPI信息。这使得机器故障可以及时得到反馈,同时节省了固定的HMI,也不需要多次切换。

    在5月份天津的第二届世界智能大会上,宜科电子总经理张鑫发表了以《赋能工业互联网平台 使能云制造》为主题的演讲,提到:“宜科的理念是搭建一个‘数据云梯’,将边缘层的数据送至云端,在Paas层利用工业互联网平台对数据进行分析处理;在Saas层通过提供工业APP等创新工具,将数据应用展示出来。” 这样的赋能平台,核心IoT Hub就像是一个“数据云梯”,使数据能力真正成为一种战略上的资源优势。

    一个好的工业互联网应用,需要行业领域专家提出需求和描述,这是企业必须要独立解决的--在很大程度上,这也是一个企业Know-how的关键因素。在此基础之上,可以通过外包团队或者全职程序员完成资产建模。而剩余的设备连接、数据分析、到工业APP的生成,都是数据云梯可以大展身手的地方。

    小记

    工业互联网平台大大加速了IT、OT的融合过程。数据开始从设备中挣脱数据重力,像珠子一样,四处滚落。而借助工业互联网平台上的数据云梯,一部分经过边缘计算和分析就地处理,一部分则上升到IT层,都是业务决策的一部分。

    在机器和人的注视中,上上下下的数据开创着一个技术上分工合作的数字时代。


    (审核编辑: 智汇胡妮)