【儀表網(wǎng) 行業(yè)科普】對(duì)于制造商而言，數(shù)字化轉(zhuǎn)型是一個(gè)持續(xù)不斷的過(guò)程，其驅(qū)動(dòng)力是在不干擾運(yùn)營(yíng)的前提下提高效率、洞察力和安全性?？刂破脚_(tái)的現(xiàn)代化為采用新技術(shù)提供了戰(zhàn)略機(jī)會(huì)，確保即時(shí)改進(jìn)和長(zhǎng)期數(shù)字創(chuàng)新。

 

　　數(shù)字化轉(zhuǎn)型恰如一場(chǎng)旅程，自十年前工業(yè) 4.0 概念問(wèn)世以來(lái)，幾乎所有制造商都已投身其中。每家企業(yè)都按照自身的節(jié)奏推進(jìn)，在邁向新的效率提升、洞察深化以及安全性增強(qiáng)目標(biāo)的征程中，有著各自不同的階段性任務(wù)。盡管各企業(yè)的轉(zhuǎn)型路徑千差萬(wàn)別，但它們有一個(gè)共同之處，那就是都要在不影響正常業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)的前提下實(shí)施變革。
 

　　在日常運(yùn)轉(zhuǎn)里，數(shù)字化轉(zhuǎn)型最切實(shí)地反映在基層一線。對(duì)多數(shù)企業(yè)而言，進(jìn)行技術(shù)更改的時(shí)間窗口有限，并且任何一項(xiàng)變革都得慎重考慮其可能給企業(yè)運(yùn)營(yíng)帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)、產(chǎn)生的影響或者造成的干擾。
 

　　控制平臺(tái)的現(xiàn)代化升級(jí)帶來(lái)了關(guān)鍵的契機(jī)。制造企業(yè)可借此運(yùn)用新技術(shù)改善當(dāng)下運(yùn)營(yíng)狀況，同時(shí)為長(zhǎng)期的發(fā)展壯大以及數(shù)字化創(chuàng)新筑牢根基。這些項(xiàng)目通常由一些常見(jiàn)的驅(qū)動(dòng)因素推動(dòng)，而制造企業(yè)必須對(duì)此加以重點(diǎn)關(guān)注：
 

　　外部觸發(fā)因素：企業(yè)需要升級(jí)流程與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以此滿(mǎn)足新法規(guī)、報(bào)告要求以及行業(yè)指令的合規(guī)性標(biāo)準(zhǔn)，這些通常與環(huán)境或安全領(lǐng)域相關(guān)。
 

　　可靠性因素：存在這樣一些企業(yè)，它們關(guān)注設(shè)備故障修復(fù)周期，或者在數(shù)據(jù)丟失以及計(jì)劃內(nèi)、計(jì)劃外停機(jī)的情況下會(huì)面臨諸多干擾。每一種情形都可能給企業(yè)帶來(lái)風(fēng)險(xiǎn)，還會(huì)導(dǎo)致團(tuán)隊(duì)無(wú)法專(zhuān)注于創(chuàng)新和轉(zhuǎn)型等更具價(jià)值的工作。
 

　　可支持性因素：由于零部件供應(yīng)、應(yīng)用程序支持或者操作系統(tǒng)支持等方面的原因，底層計(jì)算機(jī)硬件無(wú)法獲得有效支持。應(yīng)用程序版本可能已經(jīng)落后，并且超出了供應(yīng)商所承諾的支持期限。
 

　　更強(qiáng)的計(jì)算能力：現(xiàn)代軟件具備新功能且安全性更高，這對(duì)計(jì)算能力和內(nèi)存容量提出了新的要求。另外，舊有的基礎(chǔ)設(shè)施因多年前是為傳統(tǒng)就地操作而部署的，無(wú)法支持與云應(yīng)用程序的交互。
 

　　企業(yè)可以借助這些契機(jī)構(gòu)建并部署具有前瞻性的現(xiàn)代控制架構(gòu)。此類(lèi)架構(gòu)可提供可靠的性能以及強(qiáng)大的計(jì)算能力，用以支撐企業(yè)持續(xù)發(fā)展變化的需求。部署具備彈性與靈活性的邊緣計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施，通過(guò)軟件部署與數(shù)據(jù)采集，為提升自動(dòng)化和數(shù)字化程度筑牢根基。這一舉措還為吸引其他職能部門(mén)參與其中，實(shí)現(xiàn)針對(duì)當(dāng)前及未來(lái)需求的跨職能協(xié)同合作打開(kāi)了方便之門(mén)。
 

　　部署用于邊緣控制的設(shè)備
 

　　數(shù)字化轉(zhuǎn)型能否成功，關(guān)鍵在于能否把生成的海量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為切實(shí)可行的見(jiàn)解。自動(dòng)化和控制環(huán)節(jié)在邊緣端產(chǎn)生了大部分此類(lèi)數(shù)據(jù)。如今，自動(dòng)化和控制平臺(tái)越來(lái)越多地由軟件驅(qū)動(dòng)，需要更強(qiáng)的處理能力和可靠性，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)該行業(yè)多年來(lái)一直依賴(lài)的傳統(tǒng)現(xiàn)成計(jì)算平臺(tái)或傳統(tǒng)工業(yè)PC 。
 

　　制造企業(yè)正在尋找一種可以在任何環(huán)境中部署的 “設(shè)備”，此設(shè)備需具備在任何環(huán)境下進(jìn)行部署的能力，無(wú)論是偏遠(yuǎn)地區(qū)的資產(chǎn)設(shè)施、工廠車(chē)間，還是運(yùn)營(yíng)管理中心。并且，該設(shè)備要能夠運(yùn)行企業(yè)所選定的任何軟件。企業(yè)希望運(yùn)用開(kāi)放的、不依賴(lài)特定供應(yīng)商的工具，重新規(guī)劃設(shè)備的任務(wù)分配，在不造成中斷的情況下來(lái)部署新軟件，還能夠在無(wú)需停機(jī)維護(hù)、無(wú)需人工干預(yù)的情況下遠(yuǎn)程操控該設(shè)備。
 

　　容錯(cuò)能力和虛擬化的好處
 

　　通過(guò)融合運(yùn)營(yíng)技術(shù)(OT)和信息技術(shù)(IT)工具與技術(shù)，團(tuán)隊(duì)可以部署一臺(tái)能夠滿(mǎn)足所有這些需求的單一硬件設(shè)備。他們可以在一個(gè)可遠(yuǎn)程訪問(wèn)的計(jì)算平臺(tái)上運(yùn)行生產(chǎn)應(yīng)用程序，并采用開(kāi)放的、非專(zhuān)有的標(biāo)準(zhǔn)。這使企業(yè)能夠在任何需要的地方部署他們自己的軟件棧，并以最高的可靠性運(yùn)行它，幾乎無(wú)需人工干預(yù)。借助容錯(cuò)、虛擬化、容器化、遠(yuǎn)程管理以及網(wǎng)絡(luò)安全等一系列核心技術(shù)，企業(yè)正在打造一個(gè)面向當(dāng)下與未來(lái)需求的、具有前瞻性的控制平臺(tái)。
 

　　數(shù)字化最為基礎(chǔ)的要素，包括計(jì)算資源的可獲取性，以及這些資源在計(jì)劃外停機(jī)狀況下維持運(yùn)行的可靠性?，F(xiàn)如今，OT與IT團(tuán)隊(duì)比以往任何時(shí)候都更有必要協(xié)同合作，挑選出能夠契合當(dāng)下以及未來(lái)需求的專(zhuān)用計(jì)算硬件。隨著控制架構(gòu)變得日益復(fù)雜，所運(yùn)行的生產(chǎn)軟件層級(jí)不斷提升，確保在具有最少的現(xiàn)場(chǎng)信息技術(shù)支持的情況下，確保計(jì)算資源能夠持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)就顯得尤為關(guān)鍵 。
 

　　現(xiàn)在有一些容錯(cuò)服務(wù)器，它們將冗余的內(nèi)部中央處理器(CPU)、存儲(chǔ)、輸入/輸出(I/O)和電源與監(jiān)控軟件相結(jié)合，以預(yù)測(cè)故障并主動(dòng)解決問(wèn)題，從而實(shí)現(xiàn) 99.99999%的可用性。單一計(jì)算平臺(tái)中的這種基于硬件的容錯(cuò)功能將故障轉(zhuǎn)移延遲降低到幾秒(與集群的故障轉(zhuǎn)移相比)，并且與搭建和管理集群相比，其復(fù)雜程度和成本都只是一小部分，更不用說(shuō)故障時(shí)的恢復(fù)時(shí)間了。
 

　　這種級(jí)別的計(jì)算可靠性帶來(lái)了全新的靈活性，讓企業(yè)能夠輕松整合現(xiàn)有的計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施，并且部署更為復(fù)雜的軟件堆棧。舉例來(lái)說(shuō)，如今，控制工程師多了將控制功能轉(zhuǎn)移至容錯(cuò)平臺(tái)的選擇，可以自行決定是繼續(xù)沿用傳統(tǒng)的可編程邏輯控制器(PLC)，還是把控制邏輯遷移到控制平臺(tái)上，甚至可以采用基于軟件的可編程邏輯控制器。
 

　　借助這樣的平臺(tái)，企業(yè)能夠在長(zhǎng)達(dá)數(shù)年的時(shí)間里，既不會(huì)遭遇計(jì)劃外停機(jī)的狀況，也無(wú)需對(duì)計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行更新。這種高可靠性與團(tuán)隊(duì)所熟悉的OT資產(chǎn)的長(zhǎng)使用周期相契合，而不像典型的IT設(shè)備那樣，三年就需要更新。
 

　　運(yùn)營(yíng)團(tuán)隊(duì)需要部署一系列生產(chǎn)應(yīng)用程序?；谟?jì)算平臺(tái)的容錯(cuò)能力，團(tuán)隊(duì)能夠整合軟件工作負(fù)載。虛擬化技術(shù)提供了一種將多個(gè)應(yīng)用程序作為獨(dú)立分區(qū)的虛擬機(jī)(VM)進(jìn)行部署的方法。
 

　　借助虛擬化技術(shù)，核心的人機(jī)界面(HMI)與監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集(SCADA)系統(tǒng)、分布式控制系統(tǒng)(DCS)以及歷史數(shù)據(jù)記錄器等可以繼續(xù)在平臺(tái)上運(yùn)行，不過(guò)它們是以虛擬機(jī)的形式呈現(xiàn)。通過(guò)這種方式，這些系統(tǒng)能夠輕松增添批處理功能，或者配置工程工作站。運(yùn)行多個(gè)虛擬機(jī)，賦予團(tuán)隊(duì)同時(shí)運(yùn)行來(lái)自不同供應(yīng)商應(yīng)用程序的能力。僅需一個(gè)具備虛擬化功能的單一計(jì)算平臺(tái)，便能夠同時(shí)運(yùn)行來(lái)自不同供應(yīng)商的多個(gè)系統(tǒng)平臺(tái)以及應(yīng)用程序。由此可見(jiàn)，虛擬化無(wú)疑是團(tuán)隊(duì)部署所有所需軟件的一種高效途徑。
 

　　尤為關(guān)鍵的是，制造商能夠連接至云設(shè)施環(huán)境，特別是針對(duì)那些已集成到企業(yè)資源規(guī)劃(ERP)系統(tǒng)中的制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)，以及企業(yè)層面的訂單操作流程。這種集成對(duì)于多站點(diǎn)部署以及標(biāo)準(zhǔn)化工作而言具有重要的意義。依據(jù)計(jì)算平臺(tái)規(guī)模的不同，企業(yè)在單個(gè)平臺(tái)上運(yùn)行的虛擬機(jī)數(shù)量少則三四個(gè)，多則可達(dá)幾十個(gè)。在容錯(cuò)計(jì)算平臺(tái)上運(yùn)行的虛擬化軟件堆棧提供了極高的可靠性，能夠有效避免應(yīng)用程序出現(xiàn)任何因計(jì)算問(wèn)題導(dǎo)致的停機(jī)狀況。對(duì)于OT團(tuán)隊(duì)而言，虛擬化已然成為部署分層軟件、重新分配設(shè)備任務(wù)以及支持軟件部署的關(guān)鍵工具。
 

　　使用容器化技術(shù)
 

　　容器是一種特殊的軟件包，其中囊括了所有的代碼以及相關(guān)依賴(lài)項(xiàng)。當(dāng)采用容器的形式進(jìn)行部署應(yīng)用程序時(shí)，這種特性使得應(yīng)用程序能夠在各種不同的計(jì)算環(huán)境中保持一致的運(yùn)行狀態(tài)。對(duì)于負(fù)責(zé)管理異構(gòu)環(huán)境的運(yùn)營(yíng)團(tuán)隊(duì)而言，容器提供了一種能夠?qū)崿F(xiàn)一致性部署的有效方式。在完成部署后，則通過(guò)編排技術(shù)來(lái)對(duì)這些應(yīng)用程序進(jìn)行管理。常見(jiàn)的容器應(yīng)用工具包括Docker和Kubernetes。
 

　　容器在多個(gè)方面對(duì)虛擬機(jī)起到了有益的補(bǔ)充作用。其一，容器能夠以更為輕量級(jí)的軟件包形式來(lái)部署軟件，甚至可用于潛在的軟件測(cè)試工作，并且支持軟件的持續(xù)更新與部署。
 

　　其二， IT團(tuán)隊(duì)對(duì)容器以及編排技術(shù)(后續(xù)部分將詳細(xì)討論)的運(yùn)用已相當(dāng)嫻熟。在OT計(jì)算平臺(tái)上，容器為IT團(tuán)隊(duì)提供了獨(dú)立的分段空間，使得IT應(yīng)用程序能夠輕松地與OT應(yīng)用程序并行運(yùn)作。從OT的視角來(lái)看，在分段的虛擬機(jī)中運(yùn)行容器，為IT部門(mén)部署應(yīng)用程序提供了合適的運(yùn)行環(huán)境，而且不會(huì)存在干擾并行虛擬機(jī)中正在運(yùn)行的OT應(yīng)用程序的風(fēng)險(xiǎn)。利用容器實(shí)現(xiàn)持續(xù)部署可以很好地滿(mǎn)足OT和IT雙方的需求，能夠在不影響企業(yè)正常運(yùn)營(yíng)的前提下，不斷推動(dòng)軟件的迭代發(fā)展并持續(xù)部署新的軟件。
 

　　遠(yuǎn)程管理和邊緣計(jì)算編排
 

　　在自動(dòng)化和控制領(lǐng)域，遠(yuǎn)程管理向來(lái)是一項(xiàng)關(guān)鍵需求，尤其是對(duì)于那些處于孤立狀態(tài)的資產(chǎn)，或者IT人員配備有限的偏遠(yuǎn)站點(diǎn)而言，這一需求更為迫切。如今，有諸多將遠(yuǎn)程管理功能融入控制平臺(tái)的可行方案，這些功能已然成為未來(lái)控制平臺(tái)不可或缺的關(guān)鍵組成部分。
 

　　團(tuán)隊(duì)能夠部署輕量級(jí)管理器以及遠(yuǎn)程桌面，以此對(duì)資產(chǎn)性能展開(kāi)遠(yuǎn)程監(jiān)控。許多企業(yè)都在致力于實(shí)現(xiàn)單一操作面板功能，以提升操作的可見(jiàn)性。通過(guò)OPC UA進(jìn)行連接是一種將控制平臺(tái)與運(yùn)營(yíng)中心相連接的簡(jiǎn)便方式。該平臺(tái)還具備數(shù)據(jù)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)功能，能夠在網(wǎng)絡(luò)中斷或者因低帶寬廣域網(wǎng)連接而導(dǎo)致連接中斷的情況下，保障數(shù)據(jù)的有效處理。
 

　　當(dāng)下最受關(guān)注的新興技術(shù)之一當(dāng)屬邊緣計(jì)算編排技術(shù)，這是一種能從集中的位置向多個(gè)目標(biāo)實(shí)施軟件部署的方式。在IT領(lǐng)域，這種便于軟件部署與更新的方法已然十分成熟，如今在OT的應(yīng)用中也日益普遍。它為持續(xù)集成和持續(xù)部署提供支持，從而實(shí)現(xiàn)軟件的快速更新。借助這種方式，團(tuán)隊(duì)能夠遠(yuǎn)程部署新軟件，并且將開(kāi)發(fā)運(yùn)維(DevOps)的方法引入到OT領(lǐng)域當(dāng)中。
 

　　網(wǎng)絡(luò)安全問(wèn)題
 

　　對(duì)于網(wǎng)絡(luò)安全方面的問(wèn)題與考量，可能是IT和OT團(tuán)隊(duì)最為一致的需求，且往往是團(tuán)隊(duì)所面臨的首要難題。任何現(xiàn)代化項(xiàng)目的推進(jìn)或者軟件的部署都會(huì)引發(fā)有關(guān)網(wǎng)絡(luò)安全的討論，而這一話(huà)題常常推動(dòng)著OT團(tuán)隊(duì)與IT團(tuán)隊(duì)攜手合作，共同探尋出一個(gè)聯(lián)合解決方案。
 

　　網(wǎng)絡(luò)安全團(tuán)隊(duì)常常會(huì)參照美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院(NIST)所制定的網(wǎng)絡(luò)安全框架(CSF)，這一框架詳細(xì)闡述了組織所需考慮的特定功能。它所涉及的范圍廣泛，包含了一系列的軟件應(yīng)用程序，同時(shí)也有眾多的供應(yīng)商可供選擇?？梢允褂锰摂M化技術(shù)來(lái)部署這一整套網(wǎng)絡(luò)安全解決方案，使其與其他OT應(yīng)用程序并行運(yùn)行。一些供應(yīng)商的解決方案還提供了可作為虛擬機(jī)運(yùn)行的應(yīng)用程序。
 

　　容錯(cuò)計(jì)算平臺(tái)不僅在強(qiáng)化網(wǎng)絡(luò)安全應(yīng)用程序方面起著關(guān)鍵作用，對(duì)于為OT應(yīng)用程序提供其必需的基本可靠性而言，同樣至關(guān)重要。這種高可靠性，為IT應(yīng)用程序在同一平臺(tái)上運(yùn)行創(chuàng)造了條件，進(jìn)而讓團(tuán)隊(duì)能夠通過(guò)管理單個(gè)平臺(tái)，而非維護(hù)兩個(gè)相互獨(dú)立的系統(tǒng)，來(lái)簡(jiǎn)化運(yùn)行流程。