既有的工控系统如何向物联网化演进？

　　摘要：首先介绍了传统工控系统的渐进式发展思路，以及物联网的革命式(一步到位)发展思路。并探讨了边缘计算的重要性。并以风河公司的Titamiun Control物联网操作系统为例，探讨了工业用物联网操作系统的特点。

　　关键词：工控;物联网;操作系统

　　从传统工控到物联网化

　　目前，工业控制系统正从传统的复杂无序的控制系统，向简化、整洁、开放的物联网控制系统演变。图1是埃克森美孚公司的传统控制系统和新的物联网控制系统的架构，图2和图3是放大的局部图。由图2和图3可见，二者的区别是：过去各个OT(操作技术)和IT(信息技术)设备是分立的(图2)，而现在控制端在云端(如图3)。图1~图3中，黄色框是运营/操作功能(OT)，蓝色框是典型的IT功能，包括监控体系、资产体系等。

　　图1 传统工控系统的渐进式演变

图2 传统架构的历史演进(图1的左半部分)

图3 新的开放系统架构(图1的右半部分)

　　图2黄色产品块来自GE、西门子、施耐德等公司的产品。现在的任务是把这些实体的小盒子变成虚拟的，放到云端上，从而实现系统的简化。例如，过去没有虚拟化，需要增加一类功能就要增加一台服务器，缺点是过去一台服务器也许不能用满，会造成服务器资源的浪费。现在(如图3)同一个大盒子按照资源量进行虚拟功能分块，可把资源集中在一台服务器上。

　　从图2到图3的演变可能需要5~10年时间。时间长短主要取决于各企业的商业模式，例如有的公司刚购置了一个如图1的黄色小块的功能，为了实现投资回报，不可能把以前的设备全部推倒重来。另外，新技术的应用也需要时间，例如核电厂的测试需要花费时间。再有不同行业对科技的应用速度也有快有慢。

　　云与边缘

　　云是无处不在的。我们身边的产品就有云服务，例如手机和电脑都用到了云服务。著名的云服务提供商有美国的微软Azure、亚马逊AWS等，中国有BAT(百度阿里腾讯)等。

图4 物联网从云到边缘的框架

　　图4左侧是云，右侧是边缘(Edge)，中间是二者的接入。实际上，物联网计算覆盖了云和边缘，因此均需要保证安全。

　　Titamiun Control定位工控/边缘

　　近日，风河公司行业解决方案部门高级总监Ricky Watts来京，向电子产品世界的记者介绍了用于边缘的虚拟化平台(图3中的红色框)及风河2017年的新产品——Titamiun Control。

　　众所周知，边缘有Fog(雾)和Mist(薄雾)。那么为何有了云，还要有边缘?首先为了节省时间，计算尽可能放在离边缘/设备近的地方。例如机器人要执行一项任务：拧一个螺钉。如果把控制功能放在云上，再从云到设备、再返回到云，耗时较长。其次是监管的需要，例如中国的工厂，诸如核电厂，把数据放到美国的云上，是不太合理、合法的。再有是边缘会产生海量的数据。据统计，在边缘生成的数据99%被扔掉了，因为数据量太大，不能送到云端上，例如一些电机产生的数据量会达到TB级的数据量。

　　但是这些控制端也需要安全和高效。为此，风河推出了Titamiun Control产品。据悉，埃克森美孚公司2021年将部署风河Titanium Control系统，2024年将正式运行。

　　实际上，风河Titanium家族有三款产品：Titamiun Cloud, Titamiun Edge和Titamiun Control。前两款基于通信/电信，后者定位工控等边缘设备。

　　可见，Titamiun Control是基于Titamiun Cloud的整个生态系统而产生的，特点是高可靠性和低延迟性。另外，工业市场需要有针对性的产品，例如水、电、气等系统对安全性和可靠性要高，为此，相比Titamiun Cloud，Titamiun Control增加了安全性。

　　Titamiun Control的亮点是安全

　　Titamiun Control软件包括三部分。

　　*开源软件。Titamiun Control软件有三层集成系统，这对工业客户十分重要，例如二三年后可能更换硬件平台，又不会对网络产生影响。同时在安全方面，增加安全性能时不会对整个系统造成干扰。

　　*实时性。在物联网边缘希望始终实现实时的要求。

　　*安全。传统工控系统中有一整套特有的方式来保证安全。如果做成工业物联网方案，Titamiun Control有三种方法确保安全。1.自上而下的经典安全模型，原理像笔记本电脑的开机，需要密码认证。2.自下而上，有受信平台模型(TPM)。如果一个软件没有解密密码，软件就无法安装到平台上。3.穿越整个系统。Titamiun Control有ITA(集成测量架构)，在系统运行过程中，如果有人想登陆或改变数据，软件会模拟并自动关闭系统。

　　应用案例：水处理系统

　　Titamiun Control的系统平台可用于公用事业，诸如水处理和发电等，特点是高安全性。

　　图4是水处理使用模型。无论是地下取水或回收水等，都要确保系统安全。在水处理过程中需要用到水泵和检测器等，需要用到模拟器(simulator)，把运转过程放到模拟器上去模拟运转(图5中)，即把它放到Titanium Control上。为何这么做?因为Titanium Contro平台能尽可能接近工厂中的实际情况。如果在模型器中运转良好，就会复制到真实的工厂中(见图5蓝色箭头)。绿色箭头是把模型复制到真实工厂之后，会衡量结果，同时和模拟器中的结果对比。

　　图5 水处理使用模型

　　现在模型系统和操作系统是分开的。但是随着技术可用性更高，可以把模型系统和实际操作系统放到同一平台上。

　　目前此过程还是手动/人为过程，需要很多人参与，最终将实现系统的全自动化，无需耗费人力。尽管这是未来的目标，但相信会很快实现。

　　小结

　　对于工业物联网的实现(图3)，传统工控系统(图2)不可能像新兴企业一样一步到位。这时对工业物联网操作系统的需求特点是：开放性强，可扩展性强，安全可靠性高。

　　参考文献：

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