工业互联网平台上的数据天梯

工业app，为工业互联网平台而生

负责IT和OT（运营技术）的管理者，在工业化和信息化融合的几十年来，井水不犯河水：IT看重业务流程合理，OT看重业务执行稳定。从具体的面向对象来看，OT与IT的区别主要是体现设备的边缘端，OT的世界遵从物理进化的原理和机制，发展比较缓慢：源自控制，专注于运营。

然而，工业互联网的发展，和数据流动变得空前容易，激发了人们对于数据价值的想象，从而大大促使了OT和IT融合的必要性。工业互联网的应用在很多层面上就是统一IT和OT的视角。但IT和OT二者自身的需求、纬度、思维方式太不一样，融合是非常困难的。工业互联网的普及，不同于常规的企业管理软件ERP和执行管理系统MES应用，它不仅仅是收集的数据丰富性和颗粒度的问题，而且更多是要考虑这些数据背后的价值，这只能站在更高的战略岗位上才可以评估和定义。

GE在2018年的报告中指出，真正数字转型的主战场，恰恰是发生在IT和OT交界的地方。实际上GE更倾向于OT技术的魅力将得到极大释放，“IT正在失去魔法，OT的指挥棒正在缓缓升起”。而ARC咨询团队在2016年提出的IT和OT融合成熟度模型中，描述了人员、流程、技术和测量之间在各融合度的关系，也表明了一点，需要连接边缘和云、需要处理各种OT协议和数据格式，都是IIoT大显身手的地方。

图1 设备连接与IT应用的融合

IT要下沉，OT要上升，从各种系统汇流而来的数据要分析，这就使得工业互联网平台的崛起成为可能。

这都使得面向工业应用的开发，将大大加速。IIoT平台，为工业app应用的开发，提供了一张充满沃土的温床。

数据重力 推动边缘的进化

设备的数据，具有一种“沉底”的特性。它很少被真正打捞上来使用。因为机器现场的工业数据，最大的特点就是海量、而且无序。在工业发展数百年历史上，产线的管理者从来不曾正眼看过它们。它被列入考虑对象也就是最近几年的事情。

例如，仅仅单个数控机床设备，每秒产生的数据就可以达到400M。按照一个产线上有10个工位十台设备计算，有五个产线的话，那么一个简单的工厂，数据生产量每秒钟可以达到20G！想想一个人，手机流量也不过是每个月10G左右。二者相差500万倍！

工厂的大数据，往往都是垃圾数据山，主要表现在六大症状：数据很脏（必须大量的算法清洗，才能有可用数据）、频率不同（现场触发的频率非常不同）、海量、大小（数据的容量大小不一）、种类很多（各种异构数据源）、跨学科导致的关系复杂（数据机制来自“机光电热磁”等不同学科领域）。

如此庞大的数据，大多数是没有用的，只能留在机器端。这就是所谓的“数据重力”。

它使得大量的数据被丢弃在车间的地板上、设备周围的空气中。

数据重力，导致大量数据无法上云端，也就无法完成分析。而这几年物联网和计算能力的发展，推动了人们对于边缘智能的思考。太重的数据，可以就地处理。在大数据分析的时代，这个任务交给了边缘计算。

工业互联网平台，本身就是一个分布式的计算平台，它很好地解决云和边缘的集成问题。通过连接、设备管理、数据管理和机器学习，为真正打开数据的分析价值，提供了一个认真的钥匙。这也为面向场景应用的工业APP的开发和部署，提供了极大的方便。

工业app的春天正在来临

工业互联网平台中间的PaaS平台（Platform as a Service）是最重要的部分。目前最有雄心壮志的选手，都在聚焦这个地方。新型API技术和与环境无关的容器封装技术，使得平台本身的快速部署和应用。有了工业PaaS平台的支撑，面向场景的工业APP应用，也是工业互联网当下最具憧憬的一个领域：千军万马过大江的局面，正在呼之欲出。

图2 工业互联网平台架构（source：白皮书）

平民开发师（Citizen developer）也就是非专业软件人士，正在大量涌现，当前很多企业的设备维护都是这一类人员，如果也能使用软件环境，轻松部署，这就需要有大量轻代码的编程，大量拖拽式的应用。

2017年10月工业互联网巨头，美国通用电气公司GE与苹果达成合作，两家公司将共同开发企业级 iOS 应用，并推出全新的Predix SDK，重点就是物联网。GE 将为自己开发 iOS 应用以及商业合作伙伴，并在全公司部署 iPhone 和 iPad。

这个面向物联网开发app应用，背后是有一个真实的故事。

加州州立大学的计算机系大学生在GE Predix的创新大赛中，发明了一款app，可以利用学校三个不同的能源点（太阳能光伏板、热电气联产等）的能源消耗数据，利用数据分析，可以得出最佳的供电量。该项目获得了10000美元的奖金。

图3 GE创新APP竞赛的优胜者团队

一直在思考电厂如何更加有效运行的GE团队，受到TITAN的启发非常大，因为他们的一个方向就是更好解决管道蒸汽损耗。随后，开发团队又在iPhone的应用商店中找到一例照相机辅助应用，可以获得快速、高效和低成本形成热成像技术。这让他们觉得找到了提高电厂效率的方法。

GE的app研发团队，跟亚特兰大电厂的现场经理合作。后者陪着他们一起走访了现场的各种管道，并指出哪些管道接口是可能漏汽从而造成热损耗的。

借助于这些领域专家所标定的异常故障图像，再结合机器学习和成像工具，GE开发团队随后开发了一款app，面向管道的热成像工具TITAN（异常报警热成像工具），可以使得每年节省50000美元。

代价竟是如此之小。创新团队的大学生们只获得了10000美元的奖金。而GE的开发团队，仅仅用了6个就开发出这样一个效果神奇的工业app。

这就是数字组合创新的魅力，就像是高中毕业生的舞会，空气中弥漫了随时可以撮合的火花。

而要满足数字化的全新组合，所有的要素尽量服务化。这样得以释放的数据，就可以轻松成为场景应用的基本素材。借助于一个松耦合、多方可以调用的资源，工业App把各种数据重新组合，经过信息化、知识化的处理，封装成可以执行或者调用的模块。

云化风正盛

上云的应用，场景意图往往很明显，需求变化也很快。为了适应这种快速变化，就要微服务化，这就是最近几年微服务非常流行的原因。微服务，可以为各类APP开发者提供满足场景应用的资源池调用，因此它正在成为全新的潮流。一心要往云方向转型的金蝶，据说已经有了几百多种微服务。

在今年德国汉诺威博览会上，传感器制造商Sick推出了具有可编程的传感器，同时建立一套软件体系，可以帮助现场工作人员，建立面向传感器应用的AppSpace。这大大改变了传统上对传感器只有开关信号的认知。软件定义硬件，已经武装到设备最末端的牙齿上了。而Sick同时推出了AppSpace的编程社区，旨在推动那些在现场的人员，也能够成为App的开发者，实现各种灵活的功能，具有非常大的吸引力。

工业互联网平台走向平民化，非IT的专业人士也可以轻松上手工业App应用。这是一个巨大的进步，一种开放式的知识洪流，在工业互联网平台上轰鸣，并重新汇成令人兴奋的场景应用。

数据天梯，推动OT与IT数据融合

IT由管理业务数据、支撑管理流程的技术、系统和应用程序组成。通常报告给CIO，这些管理的应用程序包括ERP、MES、EAM、WMS等。而OT由管理生产资产、保持顺畅运营的技术、系统和应用程序组成。通常报告给COO，管理的应用程序包括PLC、PCD、SCADA、SIS、数据历史和网关系统等。

这些数据要实现融合，意味着要克服数据重力，完成从地板到天花板的迁移。

这些数据有三条通道可以直达天花板：带通讯能力的传感器、网关和PLC。对于褐色工厂（brown field），很难采用PLC/IPC，因为对PLC重新编程会有很多困难；这个时候，一般采用网关集成的方式。而对于绿色工厂（green field），也就是通过使用当下各种接口的PLC/IPC，包括支持OPC UA协议的，都可以有很多自由的选择；对于一些褐色工厂，传感器也是适合的。但是这一点不能规模化，这种多带有通讯能力的传感器，成本还是会太高。

图4 数据天梯

数据要完成从设备级的地板，升到企业级的天花板。需要闯过三关，第一关是设备连接；第二关是数据重力识别，对相关数据进行分析；第三关是建立面向个人的app应用。

对于工业互联网平台而言，最需要的就是搭建这样一个“数据天梯”，来完成数据上上下下的运载，从而可以丰富工业互联网平台的应用。

针对这种局面，宜科电子采用了一种IoT Hub的思路，通过三驾马车实现从边缘到云端的一揽子数据解决方案。一是面向连接的大胃王的IoT Hub边缘端，完成各种设备的数据采集，尤其是对PLC的采集；二是在边缘层构建ThingsWise大数据分析软件，实现对数据的实时分析；这两者完成了对数据的边缘分析和计算。最后，通过工业APP快速生成工具WorkBench的应用端，可以使得“平民程序员”（citizen developer）用最少代码的方式，通过视图和拽曳，就可以快速生成app程序，并且可以适配各种移动操作系统。

这就实现了设备连接、边缘分析和app应用的“三位一体”的使能平台，从而使得工业互联网平台，可以面向场景应用，来处理各种设备和数据。

例如在博世的一个纯蒸汽发生器的场景中，大型设备往往需要多个本地的HMI，而且部分工序需要人工操作（如转换、物料再存储等）。

图5 为博世提供IoT Hub解决方案

而在IoT Hub的三位一体解决方案中，通过OPC UA采集过程变量的实时数据，并通过WiFi传输，然后在移动端分析各种KPI信息。这使得机器故障可以及时得到反馈，同时节省了固定的HMI，也不需要多次切换。

在5月份天津的第二届世界智能大会上，宜科电子总经理张鑫发表了以《赋能工业互联网平台 使能云制造》为主题的演讲，提到：“宜科的理念是搭建一个‘数据天梯’，将边缘层的数据送至云端，在Paas层利用工业互联网平台对数据进行分析处理；在Saas层通过提供工业APP等创新工具，将数据应用展示出来。” 这样的赋能平台，核心IoT Hub就像是一个“数据云梯”，使数据能力真正成为一种战略上的资源优势。

一个好的工业互联网应用，需要行业领域专家提出需求和描述，这是企业必须要独立解决的——在很大程度上，这也是一个企业Know-how的关键因素。在此基础之上，可以通过外包团队或者全职程序员完成资产建模。而剩余的设备连接、数据分析、到工业APP的生成，都是数据云梯可以大展身手的地方。

小记

工业互联网平台大大加速了IT、OT的融合过程。数据开始从设备中挣脱数据重力，像珠子一样，四处滚落。而借助工业互联网平台上的数据天梯，一部分经过边缘计算和分析就地处理，一部分则上升到IT层，都是业务决策的一部分。

在机器和人的注视中，上上下下的数据，开创着一个技术上分工合作的数字时代。

作者简介

林雪萍 ：南山工业书院发起人，北京联讯动力咨询公司

DC732F 3BDH000375R0001进行编程还是用置位复位指令进行编程

DC732F 3BDH000375R0001进行编程还是用置位/复位指令进行编程

设置中间单元

　　在梯形图中，若多个线圈都受某一触点串/并联电路的控制，为了简化电路，在梯形图中可设置用该电路控制的辅助继电器，辅助继电器类似于继电器电路中的中间继电器。

　　（4） 时间继电器瞬动触点的处理

　　时间继电器除了延时动作的触点外，还有在线圈得电或失电时立即动作的瞬动触点。对于有瞬动触点的时间继电器，可以在梯形图中对应的定时器的线圈两端并联辅助继电器，后者的触点相当于时间继电器的瞬动触点。

　　（5） 外部联锁电路的设立

　　DC732F 3BDH000375R0001为了防止控制正/反转的两个接触器同时动作，造成三相电源短路，除了在梯形图中设置与它们对应的输出继电器的线圈串联的动断触点组成的软互锁电路外，还应在PLC外部设置硬互锁电路。

　　2 梯形图的结构分析

　　采用一般编程方法还是采用顺序功能图编程方法；DC732F 3BDH000375R0001采用顺序功能图的单序列结构还是选择序列结构、并行序列结构，使用启/保/停电路、步进顺控指令进行编程还是用置位/复位指令进行编程。这部分内容见第四章和第五章。

　　梯形图的分解由操作主令电路（如按钮）开始，查线追踪到主电路控制电器（如接触器）动作，中间要经过许多编程元件及电路，查找起来比较困难。

　　无论多么复杂的梯形图，DC732F 3BDH000375R0001都是由一些基本单元构成的。按主电路的构成情况，利用逆读溯源法，把梯形图和指令语句表分解成与主电路的用电器（如电动机）相对应的几个基本单元，然后一个环节、一个环节地分析，最后再利用顺读跟踪法把各环节串起来。

　　（1） 按钮、行程开关、转换开关的配置情况及作用

　　在PLC的I/O接线图中有许多行程开关和转换开关，以及压力继电器、温度继电器等，这些电器元件没有吸引线圈，DC732F 3BDH000375R0001它们的触点的动作是依靠外力或其他因素实现的，因此必须先把引起这些触点动作的外力或因素找到。其中行程开关由机械联动机构来触压或松开，（文章来源：http://www.dqjsw.com.cn）而转换开关一般由手工操作，从而使这些行程开关、转换开关的触点在设备运行过程中便处于不同的工作状态，即触点的闭合、断开情况不同，以满足不同的控制要求，这是看图过程中的一个关键。

　　这些行程开关、转换开关的触点的不同工作状态单凭看电路图难以搞清楚，必须结合设备说明书、电器元件明细表，明确该行程开关、转换开关的用途，操纵行程开关的机械联动机构，触点在不同的闭合或断开状态下电路的工作状态等。

　　（2） 采用逆读溯源法将多负载（如多电动机电路）分解为单负载（如单电动机）电路

　　根据主电路中控制负载的控制电器的主触点文字符号，在PLC的I/O接线图中找出控制该负载的接触器线圈的输出继电器，再在梯形图和指令语句表中找出控制该输出继电器的线圈及其相关电路，这就是控制该负载的局部电路。

　　在梯形图和指令语句表中，很容易找到该输出继电器的线圈电路及其得电、失电条件，但引起该线圈的得电、失电及其相关电路就不容易找到，可采用逆读溯源法去寻找：

　　1） 在输出继电器线圈电路中串、并联的其他编程元件触点的闭合、断开就是该输出继电器得电、失电的条件。

　　2） DC732F 3BDH000375R0001由这些触点再找出它们的线圈电路及其相关电路，在这些线圈电路中还会有其他接触器、继电器的触点……

　　3） 如此找下去，直到找到输入继电器（主令电器）为止。

　　值得注意的是：当某编程元件得电吸合或失电释放后，应该把该编程元件的所有触点所带动的前、后级编程元件的作用状态全部找出，不得遗漏。

　　找出某编程元件在其他电路中的动合触点、动断触点，这些触点为其他编程元件的得电、失电提供条件或者为互锁、联锁提供条件，引起其他电器元件动作，驱动执行电器。

　　（3） 将单负载电路进一步分解

　　DC732F 3BDH000375R0001控制单负载的局部电路可能仍然很复杂，还需要进一步分解，直至分解为基本单元电路。

　　（4） 分解电路的注意事项

　　1） 若电动机主轴接有速度继电器，则该电动机按速度控制原则组成停车制动电路。

　　2） 若电动机主电路中接有整流器，表明该电动机采用能耗制动停车电路。

　　（5） 集零为整，综合分析

　　把基本单元电路串起来，采用顺读跟踪法分析整个电路。

ABB IEMMU21

GE IS200ESYSH3A

MOTOROLA MVME3100-1152

MOTOROLA MVME3100-1263

ABB PP883 3BSE092979R1

ABB 3BHE021951R0124

ABB CI867K01 3BSE043660R1

ABB IMDSI22

ABB SPNIS21

ABB IEMMU21

ABB IMDSO14

ABB SPNPM22

ABB IMMFP12

ABB IPMON01

ABB IPSYS01

ABB SPNIS21

ABB NTCL01

ABB IMMFP03

HONEYWELL CC-PWRR01

ABB CI861 3BSE058590R1

SCHNEIDER 140DAI75300

SCHNEIDER 140DDI85300

GE IS200ERGTH1AAA

GE IS200EROCH1AED

ABB PP845 3BSE042235R1

PROSOFT MVI69E-MBTCP

GE PCIE-5565RC-100000

EATON XVS-450-57MPI-1-10

HONEYWELL 05701-A-0550

SST SST-ESR2-CLX-RL

SST SST-SSR4-CLX-RLL

GE 469-P5-LO-A20-E

HONEYWELL CC-TAOX01

HONEYWELL 51304650-100

HONEYWELL 51405043-175

ELAU C200/10/1/1/1/00

ELAU MC-4/11/10/400

ABB RLM01

ABB CI840A

SAIA PCD1.M120

BENTLY 3500/92-04-01-00

EMERSON PR9268/302-000

EMERSON PR9268/202-000

ABB SPDSO14

ABB SPASI23

ABB SPFEC12

ABB SPASO11

ABB SPDSI14

ABB SCYC55830 58063282A

FOXBORO FBM230 P0926GU

ABB GJR2391500R1210 81EU01E-E

ABB GJR2389800R1210 81ET03M-E

ABB GKWE857800R1214 87TS50E-E

EMERSON MMS3110/022-000

KOLLMORGEN S22460-SRS

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