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数字化双胞胎中的数据-工业物联网的数字化基础设施

想要提供全新数字化服务,需要的不仅是能够为数字化双胞胎 (digital twin) 提供数据的智能对象和相应应用,更重要的是要部署数字化基础设施。数字化基础设施的第一核心要素是为应用提供运行环境的平台层,包括将数据实际存储于“数据池” 中等服务,或用于提供应用和使用付费的应用商店。 


第二个核心要素是网络层,网络层的作用是在现场传感器和基于云的应用之间提供必要的连接。网络层的要求十分严苛:除了常规的工业能力(高可用性和服务质量 保证)之外,还要具有能确保灵活性和数据安全性的工业物联网 (IIoT)。架构灵活性非常重要,因为这有利于相对快速地更改 IIoT 中的要求:对于每个新应用,可能需要在不影响自动化环境变化的情况下挖掘新的数据源。 


 物联网的核心由高性能、灵活和安全的数字化基础设施构成


网络层和网段 


现代化网络在自动化环境的所有单元之间建立连接。为了满足日益增加的工业应用需求,推荐您使用具有多个网络层和段的网络架构。 

 

在机器或生产单元层(控制器、分布式 I/O 模块、逆变器、 操作单元)中,横向通信占主导地位,即在机器之间(机器对机器)和生产单元内或它们之间交换小数据包,传输距离 大多很短(不超过100 米)。有时,通信必须同时具有确定性、故障安全保护、高可用性和未授权访问保护。 

 

这一领域的标准为基于以太网的 TCP/IP 协议和工业以太网以及 PROFINET 等专用协议。OPC UA 适用于独立于制造商的数据交换或数据传输,以便在基于云的系统中进行分析和进一步的处理。多协议网关和连接模块也可以实现其他现场总线系统的连接,例如 PROFIBUS、AS-Interface (AS-I) 或 HART,尤其是对现有装置的集成。 

 

由于网络安全原因,对生产单元层的访问权限也仅授予授权用户(生产单元保护方案)。这最好通过专用安全模块来实现,例如从 SCALANCE SC-600 系列实现,该系列采用标准化机制,包括防火墙保护和 VPN 加密。

 

然后,各个生产单元或多或少会在生产环境中形成自给网段。

 

在车间网络中,可以集中捆绑生产车间中的几台机器或系统, 使其具有清晰的结构并且更加透明。这种做法十分合理,因为机器有时必须在生产单元之间快速交换数据。在车间网络中,由于距离较远,光纤连接很适合汇聚层的较低聚合级别。 

 

冗余互联网络组件(例如 SCALANCE XM-400,其传输速率高达 1 Gbps)适用于处理更大量的数据。XM-400 的优势在于其模块化设计 - 设备会随着其任务扩展。 

 

工业骨干网位于汇聚层的上部,由冗余光纤环组成,通过冗余(机架)交换机聚集所有下级区域的数据,并构成办公室 IT 系统的接口。这里的传输速度将扩展至 10 Gbps。工业以太网已将自身构建为标准通信子协议。向企业 IT 系统核心层的过渡通过防火墙进行保护,向处理或提供生产现场所需信息的工业数据中心的过渡亦是如此。 

 

在这种情况下,SCALANCE XR-500 交换机是首选。此外, 还建议在适当的网络层中使用 SINEC NMS 等。 


生产和物流数字化保证了公司的关键竞争优势,例如能源管理应用


无线通信  


只有当相应的现场设备拥有通信端口时,才能用有线网络将数据传输到云。 

 

但是,大数据对传输容器、工具或实际产品等对象也有用。 这正是各种无线技术发挥作用的地方,这些技术可以缩小 (以太网)通信网络和实际生产对象之间的差距。无线 LAN (WLAN)、无线射频识别技术 (RFID) 和实时定位系统 (RTLS) 之间存在差别。 

 

WLAN 网络已广泛应用并适用于各种任务,还可以在同一无线网络上同时使用,但会受到带宽要求限制。 SCALANCE W系列中产品特别符合坚固、灵活和高性能的工业要求,而且还能实现安全应用(无线安全)。 

 

作为无线网络的配对设备,支持 WLAN 的传感器必不可少。 这类传感器可以根据工厂需要,带来不同功效。例如,支持 WLAN 的传感器可以节省相当大的布线成本,尤其是在工厂的某些点(如室外)没有通信基础设施的情况下。 在布线根本不可行的情况下,从移动对象到云的数据传输还有一个优势。例如,西门子驱动使用的SIMOTICS IQ 说明了在 IIoT 中使用 WLAN 的方法。


SIMOTICS IQ 是一个易于操作的传感器盒,可以在不干扰驱 动本身的情况下捕获各种驱动参数,并通过 WLAN 传输至云。 例如,您可以使用RUGGEDCOM RX1400作为接入点,将收集的数据记录通过移动无线网络传输至云。 

 

作为 IIoT 的第二项技术,RFID 系统已经在生产控制和物流应用中使用多年。在这个系统中,所有相关对象均配备小型 无线电芯片(电子标签),RFID 读写器可以通过无线电对 其进行读取和写入。 根据具体过程,RFID电子标签可以直接插入实际产品中 (例如电子铭牌)或固定到工件输送架上以备多次使用。 

 

最后但同样重要的是,实时定位系统 (RTLS) 也已开始在工厂车间中占得一席之位。与 RFID 类似,所有相关对象均提供电子标签,但与 RFID 不同的是,RTLS 标签属于有源标 签。 

 

通过锚定基站网络(与 WLAN 中的接入点类似),电子标签 从x、y、z三个维度定位,必要时可每秒更新一次位置。位置数据从这里传送给定位管理器,然后由定位管理器发送至各种目标系统。 此外,SIMATIC RTLS 实时定位系统还提供一个反馈信道, 可以在集成到电子标签中的电子墨水屏上显示位置相关信息。 


结构化网络概念,用于将基于以太网的自动化系统连接至公司网络 


充分利用先进技术 


仅凭一流的网络组件并不能构建一流的工业通信网络,按需定制的网络设计同样必不可少。 

 

西门子为工业通信所有环节提供从培训到咨询和设计,再到集成与实施的全方位服务。 

 

面向未来的技术和最佳实践的强强联合,为当今制造公司的新数字化应用创造先决条件。


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