將確定性資料中心引進邊緣運算

December 13, 2018 Brandon Lewis

現在,工業物聯網 (IIoT) 系統的邊緣運算優勢已不容忽視。在感應器與致動器鄰近處增添智慧功能,可減少通訊所需頻寬、延遲、安全考量,並且尚具備其他眾多優勢。

但是真正的邊緣運算並非僅意味著增加嵌入式裝置的 MIPS,而是需要可在即時環境中引進資料中心效能的端對端解決方案。

將嵌入式裝置連線至網際網路時,會帶來許多挑戰,包括授權與佈建、遠端管理、端點安全性,以及在物聯網與 IT 環境間分享資料的眾多複雜性。由於前述情況使然,讓邊緣運算自然而然地受限在企業平台上。

這是問題所在。大部分企業解決方案皆不適合工業物聯網應用,因此讓邊緣需求與資料中心的能力之間產生落差。最明顯的是企業網路缺乏工業物聯網邊緣運算情境所需的確定性,不過 OPC Foundation 的統一架構 (OPC UA) 以及 AVnu Alliance 的時效性網路 (TSN) 技術能夠彌補這項差距。

OPC UA:適用於 OT 與 IT 通訊的統一架構

為了讓邊緣裝置與資料中心能夠緊密結合,許多工業 OEM 皆採用 OPC UA。OPC UA 跟以 IT 為中心的技術不同,OPC UA 通訊堆疊提供服務導向的架構 (SOA),可將各種現場層級的通訊協定提取至傳輸層機器對機器 (M2M) 通訊協定,以透過企業網路進行傳輸。

如同圖 1 所示,OPC UA 能讓企業與工業物聯網部署控制層之間的通訊透明化,並且解決許多與邊緣運算相關的網路問題。

圖 1. OPC 統一架構 (OPC UA) 軟體堆疊能實現工業物聯網 (IIoT) 邊緣運算所需的通訊透明化與彈性。(資料來源:National Instruments

有助於讓企業系統與營運設備緊密相連的 OPC UA 功能包括:

  • 雙向心跳,可向客戶與伺服器通知對方的狀態,藉此迅速識別岔斷情況
  • 資料緩衝,在喪失連線之際,可確保仍能保留資料
  • 安全性、驗證與授權,包括二進位版本的 WS-SecureConversation 規格,適合用於資源有限的裝置
  • 備援,在系統故障之際,可改善資料傳輸的可靠性與整體基礎架構

於工廠自動化、建築自動化、石油與天然氣、程序控制和製藥等等產業中,前述功能讓使用 OPC UA 的設備能統整邊緣與雲端。不過此標準本身並未提供相關機制,以維護現場層級的營運確定性並將其引進企業中。

時效性網路 (TSN) 登場:物聯網架構的確定性

衍生自汽車業的 TSN 技術,可透過乙太網路提供高品質且即時的音訊與視訊內容。隨著以乙太網路為基礎的通訊在工業現場匯流排環境中大為盛行,當然 TSN 技術也開始在工業物聯網中站穩腳步

相較於傳統的 IEEE 802.3 乙太網路標準,以 TSN 為基礎的 IEEE 802.1x 乙太網路建立了不可協調的時間限制,以此限制定義端對端的傳輸延遲。這項特性讓 TSN 通訊本質即具有確定性,且因此也具有即時性。

TSN 也可支援位於相同網路上,但類別不同的流量與優先順序層級。因此,支援 TSN 的工業物聯網裝置可讓企業的連線技術拓展至超越 SCADA,並且讓控制系統延伸至現場的感應器與致動器(圖 2)。

圖 2. 支援 802.1 時效性網路 (TSN) 標準的工業通訊協定,可將營運技術 (OT) 系統的確定性延伸至企業平台。(資料來源:EBV Elektronik GmbH

如前一圖片中所示,結合乙太網路 TSN 與 OPC UA 等技術,就可實現以 IP 為基礎的通用連線,從現場層級邊緣運算系統連線至雲端。不過,乙太網路不是唯一採用 TSN 的通訊協定。圖 3 所示為與 TSN 相容的其他現有或未來工業通訊技術。

圖 3.  由 AVnu Alliance 規範的時效性網路 (TSN) 規格,支援透過 OPC UA、PROFINET、IEC 61508、IEEE 1722、乙太網路 IP、DDS 與專屬實作等通訊協定進行的即時通訊。(資料來源:National Instruments

OPC UA 與 TSN 統合軟體定義工廠

OPC Foundation 和 IEEE 802.1x 工作團隊一直致力於將 TSN 技術整合至 OPC UA 通訊堆疊內,這對工業物聯網邊緣運算具有重大的影響。這項創新做法讓工業組織能將實際的資料中心引進廠房內(圖 4),而非僅在嵌入式系統中加入類似資料中心的效能而已。

圖 4. 結合 OPC UA 與 TSN 技術後,工業自動化公司就能將雲端技術引進確定性環境中。(資料來源:Kontron

透過將即時、功能安全與雲端能力整合至現場的邊緣伺服器內,自動化工程師即可著手建立真正由軟體定義的工廠。透過與鄰近資料中心智慧功能之間的低延遲決定性連線,讓控制器、感應器與致動器在可持續改善效能的本地化措施中,佔有一席之地。現在,我們即可運用工廠的集體智慧,並透過軟體即時進行最佳化作業。

例如,利用 OPC UA TSN,現場的邊緣伺服器可在本機執行全面性的即時分析,加快安全關鍵或商務關鍵工業使用案例的決策週期。在預防性維護的即時應用中,也可運用工廠所有節點的歷史資料,藉此保存寶貴的工業設備。在處理新介面之際,也可更新機器學習演算法並重複部署,讓工廠更具智慧,無須仰賴雲端。

當然,建置軟體定義的工廠也需要靈活且完善的硬體,同時需具備適當的網路能力。此時 Kontron 等公司扮演了重要角色。

Kontron 將設計工業及演算與通訊平台的優良傳承,帶進智慧型工廠的環境中。現在該公司提供可擴充的產品組合,內含以標準為基礎的控制器、閘道,以及以 Intel® 技術為基礎的多 CPU伺服器組,支援 OPC UA 和 TSN 等新興工業網路技術。

例如 KBox C-102-2 TSN Starterkit 這款雙插槽工業電腦,搭載了第 6 代 Intel® Core i5 處理器與四個連接埠的 10/100/1000 乙太網路 TSN 網路介面卡 (NIC)。KBox TSN Starterkit 以即時擴充功能支援 Linux,可供快速部署工業 TSN 網路。

工業雲端與連線能力相互融合,讓工廠更具智慧

將效能與功能整合至邊緣感應器與控制器內雖然可帶來優勢,但未必盡然如此。在系統中納入更強大的處理能力與儲存能力,可能會迅速超過尺寸、重量、功率與成本的門檻,由數百個甚或數千個感應器節點組成的工業物聯網部署更是如此。

若改為將資料中心引進至邊緣,則可讓自動化工程師獲得建立工業物聯網所需的智慧情報,同時又保有經過數十年實證考驗的確定性工業系統架構。由於 OPC UA 與 TSN 所具備的即時屬性,讓前述能力現在變得觸手可及。

若要進一步瞭解這些技術,請觀看隨選網路研討會「Edge Computing for Industrial IoT」。

作者簡介

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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