可快速部署的低成本多源異構數據采集和可視化解決方案 —— 基于宜科邊緣控制器和IoTHub平臺的設備智能管理應用
宜科（天津）電子有限公司成立于2003年，位于天津市西青經濟開發(fā)區(qū)，在中國天津和德國德累斯頓設有研發(fā)中心。公司將“自動化技術+數字化工廠+工業(yè)互聯網”定義為重要的發(fā)展戰(zhàn)略，圍繞工業(yè)互聯網和智能制造業(yè)務持續(xù)發(fā)力，在工業(yè)互聯網、智能制造、工業(yè)軟件等方面積累了大量項目案例和實施經驗，在工業(yè)互聯網領域擁有核心產品和方案，在系統(tǒng)集成解決方案領域處于國內領先地位。
1、 項目概況
宜科邊緣控制器利用宜科IoTHubTM工業(yè)互聯網賦能平臺和Workbench工業(yè)APP快速開發(fā)工具，提供“設備連接+數據可視化”應用模式，將成為中小企業(yè)管理者直觀了解工廠運行狀態(tài)的最有效方式。
1. 項目背景
工業(yè)互聯網平臺是工業(yè)互聯網建設的核心。工業(yè)設備上云正成為牽引工業(yè)互聯網平臺發(fā)展的先導性應用，也是當前工業(yè)互聯網平臺建設的切入點。
工業(yè)設備上云就是通過建立實時、系統(tǒng)、全面的工業(yè)設備數據采集體系。構建基于云計算的數據匯聚、分析和服務平臺，實現工業(yè)設備狀態(tài)監(jiān)測、預測預警、性能優(yōu)化，引導帶來工業(yè)互聯網平臺的功能演進和規(guī)模商用。工業(yè)設備種類繁雜、數量多、通信協議與數據格式各異，當前尚缺乏有效的技術手段能夠低成本、便捷地實現工業(yè)設備快速接入平臺，導致絕大部分平臺的設備接入數量有限。
2. 項目簡介
基于宜科邊緣控制器，提供“數據+應用”的服務，充分利用IoTHubTM工業(yè)互聯網賦能平臺IaaS和PaaS資源，以及邊緣計算設備的性能，提供數據采集能力和數據可視化應用。
數據：系統(tǒng)提供多種協議接口，支持典型的工業(yè)控制器、傳感器、物聯網采集監(jiān)控終端，并提供協議連接及數據交互操作。
應用：工業(yè)APP開發(fā)工具，方便提供生產過程監(jiān)控、調試維護配置、報警相應及處理、報表實時更新及顯示生成等功能，方便平臺應用。
數據+應用=服務
3. 項目目標
面向工業(yè)互聯網應用，支持市場二十種以上主流工業(yè)協議解析，支持二十萬臺設備并發(fā)連接，提供面向工業(yè)現場的圖形化、拖拽式和低代碼快速開發(fā)APP工具，支持本地、私有云、共有云混合或單一部署，提供多個重點垂直領域的基礎應用APP。
在汽車整車及零部件、裝備制造、冶金、電子信息領域發(fā)展客戶上千家，設備連接數超百萬。在設備監(jiān)控、設備預測性維護、生產現場數據可視化、數據分析、實時報警等方面，幫助廣大中小制造業(yè)企業(yè)解決“數據之痛”，提升生產效率，降低運營成本，提高管理水平，助力企業(yè)做大做強。
二、項目實施概況
針對于廣大中小企業(yè)，提供數據采集+可視化方案，直接將現場采集數據經由IoTHub平臺轉換處分析后，通過高度定制化的工業(yè)APP和Dashboard客戶端呈現給客戶，與市場同類產品相比，產品價格和部署周期有巨大優(yōu)勢。
1. 項目總體架構和主要內容
面向中小企業(yè)制造過程最重要的數據化環(huán)節(jié)，融合工業(yè)互聯網技術及平臺理念，提供智能現場連接采集系統(tǒng)，實現邊緣處理以及工業(yè)APP微服務。
圖1項目總體架構
2.邊緣部署架構和主要內容
宜科IoTHubTM是由宜科德國研發(fā)中心與宜科中國研發(fā)團隊聯合打造的一款面向工業(yè)4.0智能制造應用、物聯網連接管理應用、工業(yè)互聯網平臺賦能的邊緣層設備平臺，可結合不同的應用場景及部署環(huán)境，實現多種應用屬性，面向工業(yè)制造業(yè)，融合工業(yè)互聯網技術及平臺理念，作為工業(yè)互聯網平臺邊緣層、PaaS層、SaaS層提供賦能應用支撐。同時，面向制造業(yè)智能制造過程最重要的數據化環(huán)節(jié)，提供智能現場連接采集系統(tǒng)，實現邊緣處理以及工業(yè)APP微服務。
（1）邊緣數據采集和可視化主要內容
將工業(yè)現場的工業(yè)控制器、數控與檢測設備、人工數據通過IoTHub邊緣控制器進行異構協議解析和轉換后，形成統(tǒng)一的IP數據與軟件數據和物聯網數據上傳到云端。基于IoTHub平臺自身內置的邏輯交互及規(guī)則引擎，提供輕量化MES系統(tǒng)的功能，用戶應用界面通過工業(yè)APP實現數據的應用。通過微服務的方式，主要解決工業(yè)制造領域各個場景下各類機器及設備的控制器、傳感器、物聯網智能終端與本地或云端數據庫，以及現場操作及遠程操作人員之間的互聯互通。作為工業(yè)互聯網平臺解決方案的初級配置，適用于典型的制造業(yè)落地應用。
圖2數據采集和可視化總體架構
（2）宜科邊緣控制器
IoTHub邊緣控制器是IT和OT之間的物理接口，實現工業(yè)互聯網應用的南向與北向“互聯互通”。IoTHub邊緣控制器產品（圖3）包括IoTHub Agent邊緣采集網關、工控機等。結合不同的采集、處理及存儲需求，邊緣控制涵蓋ARM架構、X86架構的處理器，支持Linux及Windows操作系統(tǒng)，結合工業(yè)現場典型的數據接口類型，典型的南向物理接口包括RJ45（LAN）、RS232、RS485、GPIO等接口，支持主流的PLC協議及數控協議，用于連接邊緣層設備。北向提供RJ45（WAN）、4G、WiFi等網絡接口，支持標準TCP/IP、MQTT等網絡協議，用于連接工業(yè)互聯網平臺或工業(yè)互聯網賦能平臺（圖4），完成IT與OT的物理融合。
圖3宜科IoTHub邊緣控制器
圖4宜科IoTHub邊緣控制器部署方式
（3）基于IoTHub的新型自動化上位App開發(fā)環(huán)境
圖 5 基于IoTHub的新型自動化上位App開發(fā)環(huán)境
通用開發(fā)環(huán)境主要用于開發(fā)工業(yè)APP。工業(yè)APP分成兩類：邊緣層APP（圖6） 和應用層APP（圖7）。通用開發(fā)環(huán)境基于宜科WorkBench工業(yè)APP開發(fā)工具構建，能夠實現圖形化低代碼快速開發(fā)和一鍵式部署，并提供工業(yè)APP應用商場。
圖 6 應用層App開發(fā)環(huán)境界面
圖 7邊緣層App開發(fā)環(huán)境界面
3. 具體應用場景和應用模式
（1）應用場景
設備可視化：對企業(yè)設備進行幾何建模，可以直觀、真實、精確地展示設備分布、設備運行狀況，同時將設備模型與實時、檔案等基礎數據綁定，實現設備在二維場景中的快速定位與基礎信息查詢。
設備預測性維護：通過對設備的集中式管理，人員分權限使用，可以實現遠程開關機、遠程設置參數；遠程設置策略，批量、定時定點操作；設備視頻集成、遠程呼叫。
數據分析：通過采集設備的原始數據：如電流電壓等；或者采集設備的結果數據：如報警，故障等，積累設備運行大數據，設備運行分析報告，設備經濟運行報告等。
實時報警：制造商自動化水平越來越高，很多崗位實現了全自動無人生產，甚至往黑燈工廠。針對設備故障后無人在現場不能被及時發(fā)現，現在通過實時報警系統(tǒng)及時顯示設備故障并主動推送。
（2）應用模式
針對于廣大中小企業(yè)，提供數據采集+可視化方案，直接將現場采集數據經由IoTHub平臺轉換處分析后，通過高度定制化的工業(yè)APP和Dashboard客戶端呈現給客戶。
4.安全及可靠性
（1）安全機制
通過開發(fā)示例性協議過濾器組件（MQTT），開發(fā)Android應用程序的安全執(zhí)行套件，建立應用程序隔離機制；建立虛擬機移動到組件的安全隔離機制，滿足本地和云端平臺安全訪問需求。
（2）可靠性
產品基于Kafka事件處理總線流處理平臺，具有高可靠性、高擴展性、搞數據吞吐能力的特性，滿足IoTHub內部模塊之間快速、安全、可靠和可伸縮的數據交換。
三、下一步實施計劃
1. 計劃1豐富協議支持種類
繼續(xù)完善設備連接管理能力，最終達到支持市場全部主流設備管理協議的目標。
2. 計劃2拓展垂直行業(yè)應用
在現有汽車整車和零部件行業(yè)應用的基礎上，深耕垂直行業(yè)應用，拓展機械制造、新能源、冶金、電子信息等行業(yè)解決方案。
3. 計劃3建立生態(tài)體系
針對不用用戶特性及資源需求，整合合作伙伴解決方案，包括對于云資源、網絡資源、采集硬件的系統(tǒng)認證模式，為用戶提供穩(wěn)定可靠的參考方案。
四、項目創(chuàng)新點和實施效果
1. 項目先進性及創(chuàng)新點
（1）多源異構協議兼容的數據集成
采用可擴展異構協議解析器，接入工業(yè)控制器、數控設備、人工接口、物聯網終端、工業(yè)軟件等五種現場數據源。
（2）圖形化低代碼通用集成開發(fā)環(huán)境
建立圖形化低代碼通用集成開發(fā)環(huán)境，實現圖形化編輯、自動代碼生成、分布式編譯、一鍵式部署和工業(yè)APP應用商店的集成，能夠有效提高工業(yè)APP開發(fā)部署效率。
（3）可視化垂直閉環(huán)應用
以簡單的設備接入和分布式APP為展現形式，打通從數據采集到設備管理可視化的垂直閉環(huán)應用鏈。
2. 實施效果
IoTHub邊緣控制器的核心是能夠有效解決工業(yè)互聯網落地過程中的困難及問題，能夠切實有效的實現工業(yè)制造業(yè)與工業(yè)互聯網、使用云平臺及大數據分析等先進制造增值服務技術融合應用。特別是無法負擔或接受通過對于企業(yè)進行MES系統(tǒng)實施提升企業(yè)數據化的中小微企業(yè)，從工業(yè)企業(yè)發(fā)展現狀進行分析，總結宜科過往的案例與實踐，針對中小企業(yè)在“人、機、料、法、環(huán)”各個環(huán)節(jié)都普遍存在的“痛點”，包括如何實現多源設備、異構系統(tǒng)、運營環(huán)境、人等要素間信息實時高效采集和互動，從而實現工業(yè)互聯網的基礎工作——數據化。
面向智能制造現場的連接采集應用，針對制造業(yè)現場各種類型的設備、控制器、數據庫，以及人員的連接及數據采集提供快速便捷的接入管理方案，并基于宜科自身內置的邏輯交互及規(guī)則引擎，提供輕量化MES系統(tǒng)的功能，用戶應用界面通過工業(yè)APP實現數據的應用。通過微服務的方式，主要解決工業(yè)制造領域各個場景下各類機器及設備的控制器、傳感器、物聯網智能終端與本地或云端數據庫，以及現場操作及遠程操作人員之間的互聯互通。作為數據化解決方案的初級配置，適用于典型的制造業(yè)落地應用，快速實施快速應用，為智能制造解決方案系統(tǒng)集成商提供了快速開發(fā)、部署以及管理應用的系統(tǒng)平臺，以較小的基礎設施擴展、數據管理和歸集投入，便捷的通訊協議接入及配置實現數據化應用，降低開發(fā)成本、大大縮短開發(fā)時間。
聲明
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