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自动化金字塔层级架构(Purdue模型)演进:嵌入“边缘计算”层 - 5层变3层

来源:控制工程网2021.05.09阅读 8835

  自1992年推出以来,Purdue模型几乎没怎么改变。在现代商业环境中,技术变革突飞猛进,是否该重新评估该模型的相关性了?
  当Theodore J.Williams和普渡大学计算机集成制造联盟为控制层次结构发布Purdue模型后,它很快就成为了制造团队如何思考、设计和实施工业控制系统事实上的标准。
  Purdue模型成为了度量良好制造企业的一个可靠指标,是与系统和数据流相关讨论的参考对象。该模型还可定义相对于业务其余部分,运营和工厂车间应用所处的位置。简而言之,有了它更便于总揽全局。
  随着工业物联网(IIoT)的出现,Purdue模型开始略显老态。最值得注意的是,互联设备数量的快速增加以及计算能力的平民化带来了新的需求,而这些需求在当前形式的模型线性层次结构中并没有得到解决。
  Purdue模型是什么?
  Purdue模型是工业自动化和控制系统(包括网络和安全要求)的指南(如图1所示)。该模型还推动了ISA-95的制定,它是国际自动化协会的国际标准,定义了企业和控制系统之间的接口。

图1:计算机集成制造的Purdue模型。图片来源:Litmus Automation

  金字塔形式的模型,定义了信息从车间向上流入企业高层级系统的路径。该模型将企业和运营划分为不同区域,并在两者之间建立了工业化的非军事区或隔离区。内置安全功能可以防止从第0层到第5层之间的安全泄露。
  该模型使计算和网络保持确定性,比如确保车间网络专用于控制系统,不会被与生产无关的数据所“淹没”,这些过量数据可能会导致网络容量问题控制工程网版权所有,进而可能会导致生产制造过程中断。
  Purdue模型还可以用作企业IT系统的蓝图,通过隔离区获取车间数据,既不会影响生产,还能防止出于恶意目的而获取车间设备数据。设置在工业区和企业区之间的防火墙,隔离了没有明确数据共享规则区域的数据,从而可以解决网络安全问题。
  当数据流不再分层
  对于1992年的世界,Purdue模型是非常适合的。那时,云计算只是一个梦想。运行设施和制造过程所需的大量计算能力基本都部署在本地。制造工厂和总部之间的数据共享仅限于订单下达和履行。
  这种分层和分区有助于控制数据流。数据流主要来自Purdue金字塔的底部,或向下将计划数据推送到模型以供较低层级使用。
  该模型要求将数据按层次结构和目的驱动进行组织。运行工艺流程所需的数据自上而下进入系统,并在各层级按照需要进行处理和使用。从车间产生的数据被发送回去,有时会在第3层工业安全区域中使用,但更多的是通过隔离区传递到企业安全区域,用于基本的历史报告。
  但是在今天的世界控制工程网版权所有,数据流不再是分层的。制造商可以在传感器、控制器和“边缘”上实现智能化,根据边缘设备的部署位置,“边缘”可以位于第1层到第3层的任何位置。所有这一切都意味着,数据暴露点所处的层级比金字塔模型曾经考虑过的要低得多。
  由于边缘计算设备强大的功能,可以在第1层收集大量数据,经处理后直接发送到云中。在万物互联的影响之下,IIoT要求将控制系统模式从金字塔式转变为“石榴”式。
  一些批评人士认为www.cechina.cn,工业4.0时代Purdue模型似乎已经过时了。制造企业可能需要在第0层收集传感器数据,然后将其发送到云端,以启用预测性维护功能。而将第0层的数据直接发送到第5层,显然违反了Purdue模型的分段理念。
  嵌入工业边缘计算平台
  但是CONTROL ENGINEERING China版权所有,舍弃Purdue模型也于事无补。Purdue模型仍可满足无线和有线网络的分段需求,并保护运营技术(OT)网络免受不必要的流量和侵扰。
  需要一种可以集成到Purdue模型中的混合解决方案,以维护对IT和OT数据流的传统应用的分段,同时,还能提供一定的灵活性,以应对工业物联网日益普及所带来的挑战。
  通过增加工业边缘计算平台软件层,将有助于用户获得所需的IIoT灵活性。利用这一平台,工业物联网项目的实施可以依附于模型中的每一层。该平台层可位于第2层或第3层,并提供从第0、1、2和3层的OT设备收集数据的功能,同时也便于从位于第4层和第5层的IT设备收集数据。
  这样做的好处是,可以在需要时绕过Purdue模型中固有的传统层次结构(即传感器将数据从第0层发送到第5层),通过平台传输数据以确保控制和安全性。
  嵌入Purdue模型内部的工业边缘计算平台,可根据需要促进任何层级之间的通信。它是数据的总指挥。重新整合后的平台使系统之间的通信变得容易。图2展示了如何将工业边缘计算平台嵌入到Purdue模型中。在图2所示的范围之外,传统的和现存的Purdue模型数据流将继续存在。

图2:具有工业边缘计算平台的Purdue模型。

  在当今的制造环境中www.cechina.cn,Purdue模型仍具有宝贵的价值。在模型中融入工业边缘计算平台,将有助于保持系统的完整性。(作者:Vatsal Shah)  

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