Современные подходы и тенденции в архитектуре IIoT-систем

Введение

IIoT призван преобразовать практически все существующие бизнес-модели, создавая при этом новые возможности для всех игроков на рынке промышленной автоматизации.

Основная концепция IIoT заключается в интеграции информационных технологий (ИТ), операционных технологий (ОТ) и платформ для работы с клиентами.

Применение методологий построения систем с использованием IIoT предоставит возможности доступа к новым источникам данных и инструментам аналитики, а также определит в ближайшем будущем стандартные подходы и архитектуры для построения распределённых систем управления и мониторинга в различных областях промышленности.

Решения IIoT объединят разрозненные организационные элементы, процессы и источники информации, что позволит улучшить процесс разработки и доставки товаров и услуг.

Кроме того, решения IIoT расширят разнообразие бизнес-каналов, доступных предприятиям, создавая больше возможностей для повышения привлекательности для клиентов. 

Унифицированные источники данных

Внедрение IIoT предполагает использование концептуально новых и унифицированных источников данных.

Эти данные будут поступать из самых разных источников:

Объединение этих источников для анализа в контексте IIoT обеспечит основу для более всестороннего мониторинга бизнеса, анализа и контроля данных, а также повышения эффективности. 

Преимущества внедрения IIoT

Основными преимуществами внедрения IIoT являются:

IIoT создаёт потенциальную выгоду от подключения и интеграции данных из систем информационных технологий (ИТ), центра обработки данных из операционных технологий (OT) на заводе и подключённых устройств.

Интеграция ИТ и ОТ

До появления Интернета вещей существовало ограниченное сотрудничество или перекрёстная связь между системами ИТ и ОТ.

Такие «островки» исполнения способствовали развитию организационных моделей, которые, будучи индивидуально эффективными, заставляли ИТ и ОТ работать относительно независимыми способами.

В рамках системы IIoT эти два домена могут продолжать функционировать как отдельные пулы.

При этом необходима интеграция:

Интеграция этих данных приведёт к более интегрированной инфраструктуре ИТ и ОТ, что принесёт преимущества как по вертикали в обоих доменах, так и по горизонтали во всей организации (рис. 1). 

Консорциумы и модели IIoT

IIoT требует беспрецедентной степени системной интеграции через границы домена, границы иерархии и фазы жизненного цикла.

Это возможно только в том случае, если решения исходят из стандартов и спецификаций, основанных на консенсусе (табл.).

Крайне важно рассматривать стандартизацию как основу открытой и совместимой системной архитектуры для промышленной реализации концепции интеллектуального производства. 

IIoT-платформа

С функциональной точки зрения платформа IIoT – это техническая система, которая предоставляет ряд вспомогательных услуг для поддержки доставки приложений IIoT.

В контексте инициативы Консорциума промышленного Интернета (Industrial Internet Consortium, IIC) по тестированию отдельных (вертикальных) приложений, таких как управление эффективностью активов, контроллеры микросетей и производственные операции должны полагаться на услуги платформы IIoT для предоставления надёжных, масштабируемых и безопасных приложений конечным пользователям.

Каждое приложение IIoT зависит от Среды разработки платформы и набора сервисов платформы (рис. 2). 

Сервисные функции IIoT

Сервисы платформы IIoT являются общими для многих приложений Интернета вещей (рис. 3).

Повторное использование этих служб для поддержки нескольких приложений даёт преимущества в области стандартизации.

Кроме того, их включение в архитектуру горизонтальной платформы помогает разрушить границы и обеспечивает совместимость между приложениями. 

Asset

Под Asset понимают:

Каждое устройство (Asset) на граничном уровне должно иметь свой «драйвер» – Asset Administration Shell (AAS).

Трёхуровневая архитектура системы IIoT

Трёхуровневая архитектура включает в себя граничный уровень, уровень платформы и уровень предприятия (рис. 4).

Уровни играют определённую роль в обработке потоков данных и потоков контроля, связанных с действиями по использованию.

Уровни связаны тремя сетями:

Функциональные домены трёхуровневой архитектуры IIoT

Паттерн трёхуровневой архитектуры объединяет основные компоненты (например, платформы, службы управления, приложения), которые обычно отображаются в функциональные домены (рис. 5).

В результате компоненты всех функциональных доменов могут использовать одни и те же данные, аналитические платформы и службы для преобразования данных и информацию в своих целях. 

Взаимодействие и управление посредством шлюза

Архитектура взаимодействия и управления посредством шлюза содержит решение для локального подключения на границе системы IIoT со шлюзом, который соединяется с глобальной сетью.

Шлюз действует как оконечная точка для глобальной сети, изолируя локальную сеть от граничных сенсорных узлов.

Данная архитектура (рис. 6) позволяет локализовать операции и контроль (граничные аналитика и вычисления).

Главное преимущество подобной архитектуры состоит в том, что можно снизить сложность систем IIoT для масштабирования по количеству управляемых активов и по сетям.

Некоторые сенсорные граничные узлы должны иметь возможность маршрутизации. В результате пути маршрутизации от одного сенсорного узла к другому и к граничному шлюзу могут изменяться динамически. Граничный шлюз действует как единая точка входа в сенсорные граничные узлы и как точка управления, обеспечивающая маршрутизацию и преобразование адресов. 

Сетевой СТЭК и протоколы передачи данных

Особое внимание при проектировании IIoT-систем стоит уделить стандартам (рис. 7):

Формат обмена данными AutomationML (AML)

Формат обмена данными AutomationML, стандартизированный в соответствии со стандартом IEC 62714, является нейтральным, бесплатным форматом данных на основе XML. Он был разработан для поддержки обмена данными между инженерными инструментами в гетерогенной среде инженерных инструментов.

AML должен содержать следующую информацию об устройстве (ASSET):

Помимо этого, AML позволяет хранить и передавать алгоритмы в стандарте OpenPLC (XML), а также имеет возможность хранить версионность. 

Унифицированная распределённая архитектура платформы IIoT

В основе передачи информации между различными уровнями лежит OPC UA-протокол, в который интегрируется AML-информация.

При необходимости реализации REALTIME-сетей на Граничном уровне (Edge Tier) необходимо использовать OPC UA over DDS или OPC UA over TSN. 

Выводы

При проектировании и разработке современных IIoT-систем автоматизации следует обращать внимание на опыт и предложения мировых сообществ в данной области, при этом принимать решение об конкретной архитектуре, опираясь на особенности конкретного производства и предприятия.

Приведённые в статье архитектурные подходы чётко дают понять, что необходимо уже сейчас продумывать возможные пути и методы модернизации существующих и новых производств с учётом предлагаемых современных архитектурных векторов развития IIoT-систем. 

Литература