主流的工业互联网平台功能梳理和解读.docx
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主流的工业互联网平台功能梳理和解读
主流的工业互联网平台功能梳理和解读
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e-works粗略统计，截止2018年3月，声称能提供工业互联网平台服务的国内外厂商已经超过150家，耳熟能详且能直接说出名字的工业互联网平台不下30家。
漫天飞舞的工业互联网平台可谓是乱花渐欲迷人眼，让人看的眼花缭乱，很难让人真正理解不同工业互联网平台之间的本质区别。
带着对工业互联网的思考，e-works特别策划了题为“工业互联网平台大盘点”的活动，希望能通过对业界主流工业互联网平台的梳理来理清它们之间的区别，进而引导制造企业有针对性的推进工业互联网平台的选型与实施。
一、工业互联网平台定义
e-works数字化企业网总编黄培博士认为，工业互联网是指工业互联的网，而不是工业的互联网。
他认为，在企业内部工业互联网要实现工业设备、信息系统、业务流程、产品与服务、人员之间的互联，实现企业IT网络与工控网络的互联，实现从车间到决策层的纵向互联；在企业与企业之间，工业互联网要实现上下游企业（供应商、经销商、客户、合作伙伴）之间的横向互联；从产品生命周期的维度来看，工业互联网要实现产品从设计、制造到服役，再到报废回收再利用整个生命周期的互联。
工业与信息化部电子信息司副司长安筱鹏则将工业互联网用一个简单的公式进行表述，即“数据+模型=服务”。
安司长认为，工业互联网平台通过对企业的机器、业务系统、产品模型等过程数据进行广泛的采集，将采集到的关键数据导入到工业化模型以实现业务功能的软件化，最终为企业提供工业级应用服务，帮助企业优化生产流程，为产品从研发到生产、销售和使用等全生命周期提供服务，从而实现制造资源的优化配置。
在工业互联网产业联盟提供的白皮书中将工业互联网平台从架构上具体划分为四个层次，即边缘层、IaaS层、工业PaaS层和工业SaaS层。
其中，IaaS层主要是为PaaS层提供云基础设施支撑，以构建满足工业应用开发需求的硬件环境。
工业与信息化部电子信息司副司长安筱鹏曾用三句话概括了工业互联网平台需要支撑的应用功能。
第一，数据采集是基础。
对应工业互联网的边缘层，其本质是利用泛在感知技术对多源设备、异构系统、运营环境、人员信息等要素进行实施高效采集和云端汇聚。
第二，工业PaaS是核心。
对应工业互联网的平台层，其本质是在现有成熟的IaaS平台上构建一个可扩展的操作系统，为工业应用软件开发提供一个基础平台。
第三，工业APP是关键。
对应工业互联网的应用层，其主要功能是为面向特定工业应用场景，激发全社会资源推动工业技术、经验、只是和最佳实践的模型化、软件化、在封装，让用户可以通过对工业APP的调用实现对特定制造资源的优化配置。
二、工业互联网平台应用支撑能力
通过梳理业界专家对工业互联网平台的定义，我们可以总结出工业互联网平台需要具备的基本功能：
第一，能实现将不同来源和不同结构的数据进行广泛采集；第二，具备支撑海量工业数据处理的能力；第三，能通过工业机理和数据科学实现海量数据的深度分析，并能实现对工业知识的沉淀和复用；第四，能够提供开发工具及环境，实现工业APP的开发、测试和部署。
从当前工业互联网发展水平看，完全满足以上四个层级功能的国内工业互联网平台还比较少，但针对某些行业应用，有些厂商基本能做到四个层级功能的全覆盖。
比如在燃气轮机、医疗等领域，由于较高的市场占有率和多年的数据积累使得GE、西门子能充分构建基于这些数据运行特点的算法和模型，通过工业机理和数据科学实现海量数据的深度分析，并能实现对工业知识的沉淀和复用。
同时还能够提供开发工具及环境，实现工业APP的开发、测试和部署。
但对于当前大多数工业互联网平台而言，由于行业影响力和技术支撑能力有限，基本上只能做到数据采集和分析，很难提供基于PaaS平台的应用开发能力。
同时缺乏强力的合作伙伴也很难形成工业APP应用开发生态。
为了全面的了解当前工业互联网平台的发展情况，我们将以前面谈到的四个层次功能为基础，采用对标的方法对当前主流的工业互联网平台进行功能梳理和解读。
1．国外主流厂商及平台
（1）GE——Predix
按照Predix白皮书公布的信息，Predix平台的四大核心功能是链接资产的安全监控、工业数据管理、工业数据分析，云技术应用和移动性。
平台架构共分为三层，分别为边缘连接层、基础设施层和应用服务层。
其中，边缘连接层主要负责收集数据并将数据传输到云端；平台层主要提供基于全球范围的安全的云基础架构，满足日常的工业工作负载和监督的需求；应用服务层主要负责提供工业微服务和各种服务交互的框架，主要提供创建、测试、运行工业互联网程序的环境和微服务市场。
Predix平台主要通过一个名为Predix机器的功能模块采集工业数据，这是一个能嵌入到工业控制系统或网络中的软件栈，其嵌入方式主要由三种：
1）部署在网关。
对于支持通用工业通讯协议（如modbus，opc等）或TCP/IP等IT通讯协议的设备，Predix机器可以通过设备自身所支持的协议直接与设备进行通讯，在这种应用场景中，Predix机器往往部署在网关上，而网关起到设备与云之间的通讯连接作用；
2）部署在控制器。
Predix机器直接部署在设备的控制单元中，这样做能够削弱机器软件与硬件之间的联系，实现连接、可升级性、兼容性、远程访问等，使独立运行或在单独网络中运行的工业设备能够直接连接到云端，完成数据采集与实时分析；
3）部署在传感器节点。
在这一应用场景中，传感器部署在生产现场，完成数据采集，直接将数据上传至云端，在云端完成其他的数据处理操作。
为了实现对大量采集来的工业数据进行处理和分析，进而优化工业生产过程。
Predix平台提供包括设备服务、数据服务、分析服务在内的一系列服务。
具体实现过程：
Predix先通过设备服务为设备建模，再利用数据服务将采集的设备运行数据与来自其他的数据源的数据（包括设备模型、ERP数据）相结合，并根据数据的特点存储到不同类型的数据库中，最后采用分析服务对数据进行分析，进而输出分析结果。
目前，Predix提供两种类型的数据分析：
操作数据分析和历史数据分析。
其中，操作数据分析实质是实时数据分析，对设备的状态变化进行实时分析与响应；历史数据分析是对海量历史数据进行分析，进而建立设备预防性维护模型。
面对当前不同行业数据的分析需求，Predix分析服务提供开发框架，一个基于微软CloudFoundry框架的PaaS开发平台，利用这个开发平台，企业可以根据需求自主开发算法和模型，在通过配置、抽象以及扩展模型用于管理分析算法的执行。
由于多年在航空、能源、电力、医疗等行业的经验和数据积累，Predix平台内部集成了一些针对飞机发动机引擎、医疗数据、能源数据的算法和模型。
除此之外，GE及合作伙伴还基于Predix平台开发部署了一系列工业APP应用，包括计划和物流、互联产品、智能环境、现场人力管理、工业分析、资产绩效管理、运营优化等。
e-works认为：
Predix平台基本实现了对工业互联网平台四大功能的全覆盖，属于比较典型的工业互联网平台。
就目前而言，Predix工业互联网平台无论是在技术架构的领先性、功能服务的全面性、行业应用的覆盖度，以及业界的影响力等方面都要领先于同行，属工业互联网平台中的旗舰和标杆。
（2）西门子——MindSphere
如果需要为Predix选择一个行业对手，我认为非MindSphere莫属。
MindSphere是西门子推出的基于云的开放式物联网操作系统，自2016年4月发布以来受到了行业的广泛关注。
MindSphere之所以有着强大的行业影响力就在于西门子不但在构建工业互联网理念，而且有着比较广泛的行业应用实践，包括一系列数字化工厂和无人工厂都是以MindSphere平台为核心构建。
对工业设备的数据采集，西门子提供名为MindConnect的工具盒子，可以让设备轻松连接入网。
在这里可以找到Nano这种即插即用的工具，而配套的网关、软件也都使得连接变得容易，并且可以轻松集成到MES软件上。
当然，这个即插即用目前是有限制条件的，要么设备支持西门子S7的通讯协议，要么支持OPCUA这个新一代通讯协议。
MindSphere平台主要依托Nano这一网关型硬件产品，向上与MindSphere的云端进行连接，向下与西门子的众多具有以太网通讯能力的硬件产品、以及支持通用协议的其他品牌产品进行通讯，完成数据采集与传输。
如果设备的通讯协议比较特殊，用户可以基于Nano中的开源软件自行开发设备通讯与数据采集程序。
下面我们具体介绍MindSphere是如何实现与设备之间的通讯与数据传输，主要的方式可归结为四种：
1）MindConnectNano
MindConnectNano实质上是一款嵌入式工控机，通过预先进行配置的方式与MindSphere进行连接通讯。
在硬件上支持的接口主要包括USB、PCIe插槽、串口以及以太网口。
支持的通讯协议包括西门子S7系列的以太网通讯协议以及OPCUA。
Nano能够通过安全的网络连接向MindSphere传输加密数据，保证数据安全。
Nano只能与MindSphere共同使用。
从Nano的产品介绍中可以看出，它扮演的角色类似于位于云平台和现场设备之间的工业网关，既完成数据采集（包括建立通讯），又完成数据向云端的加密传输。
而且Nano这一工业网关只能用于MindSphere体系中。
2）MindConnectIOT2040
这款产品的定位还是作为工控设备与物联网的连接器，因为这款产品本身秉承了SIMATIC系列产品的工艺设计，保证了在工业现场恶劣环境下的可靠性，这一点能够弥补Arduino等物联网开源硬件在工业强度等级上的不足，相当于给性能强大的物联网硬件穿上一身安全服。
3）MindConnectSoftware
从功能上推断可能就是Nano中提供的免费开源软件。
通过这个开源的软件用户可以自行开发所需要的通讯协议，与设备建立连接，采集数据。
比如有些设备并不支持OPCUA工业通信标准，也不支持西门子S7系列的以太网通讯协议，在这种情况下，企业就可以利用MindConnectSoftware进行自主的通讯协议开发。
4）SIMATIC系列及其他西门子产品
西门子的自动化产品中有很多通讯模块，比如以太网通讯模块，甚至有些CPU模块中就带有以太网通讯的功能，因此，MindSphere可以通过Nano直接与西门子的这类产品进行集成，实现通讯与数据采集。
对于数据的分析，MindSphere白皮书只是在介绍了MindSphere融合了自己开发的Sinalytics分析平台。
这个平台与Predix平台非常类似，整合了远程维护、数据分析及网络安全等一系列现有技术和新技术，还能够对机器感应器产生的大量数据进行整合、保密传输和分析。
不过西门子提供的资料表明，Sinalytics分析平台主要是提升对燃气轮机、风力发电机、列车、楼宇和医疗成像系统的监控能力。
但经过2017年的发展，西门子已经对MindSphere平台的数据分析和应用开发能力做了重大优化。
西门子通过与IBM进行合作，将WatsonAnalytics融入到MindSphere中，为MindSphere提供了多个分析工具，包括预测分析、规范分析和认知分析。
在2017年汉诺威工业博览会上，西门子展示约50种工业APP，包括了降低安全风险，提升互联设备和工厂的可用性等功能。
除此之外，西门子正在与源讯、埃森哲、Evosoft、SAP和微软，以及亚马逊云服务（AWS）和Bluvision等新的合作伙伴进行合作，强化工业APP产业生态的构建。
MindSphere平台向下提供数据采集API，即支持开放式通讯标准OPCUA，也支持西门子和第三方设备的数据连接；向上提供开发API，方便合作伙伴和用户开发应用程序。
MindSphere平台应用开发也是基于CloudFoundry框架构建，即搭建完整的大数据预处理、存储及分析的技术框架，也融合了西门子以前在若干个领域积累的分析模型与算法，也提供开放的接口，便于用户嵌入满足个性化需求的分析算法模型。
e-works认为：
MindSphere平台是目前最贴近制造企业工业自动化应用需求的工业互联网平台。
西门子本身就是一家制造企业，生产制造一些关键的工业自动化设备。
因此，既能准确的把握制造企业的应用需求，也能通过对工业设备的技术和生态掌控构建满足制造企业需求的工业互联网平台。
这决定了MindSphere平台必然是当前制造企业的优先关注对象和应用实施的首选。
3）ABB——Ability
ABB集团全球CEO史毕福将ABBAbility工业云定义为从设备、边缘计算到云服务的跨行业、一体化的数字化解决方案。
具体来说，ABBAbility工业云平台就是“边缘计算+云”架构，边缘设备负责工业设备的接入，对关键设备的参数、值和属性进行数据采集，由ABBAbility边缘计算服务进行数据的处理和展现，最上层云平台用来对工业性能的高级优化和分析。
从产品白皮书提供的资料分析，ABBAbility可按照“金字塔型”划分为四个层次，分别是底层的设备与传感器，中间层的自动化系统、端到端的工业/企业数字化解决方案，以及最上层的开放的工业云平台。
从四层架构体系看基本涵盖了工业互联网平台定义的功能。
1）底层的设备与传感器
ABB主要业务是电力和自动化，ABBAbility工业互联网平台也是围绕产业业务构建。
对于底层的数据采集，ABB主要是通过传感器来完成。
早在2016年，ABB就推出的智能传感器解决方案，将低压电机与工业互联网相连接，从而实现对电机的连续监测。
传感器可以便捷地贴附在电机上，将电机震动、温度、负载和能耗等关键数据传输到云端。
一旦任何参数偏离标准值，它就会发出警报，从而使操作人员在电机发生故障前采取预防措施。
通信连接由每台传感器内置的蓝牙，通过工作人员的智能手机或者ABB网关解决方案实现。
云服务器进行数据分析，产生有用信息，并将其直接发送到工作人员的智能手机或客户终端。
通过用户终端，工作人员可以获得趋势数据、运行时间以及负载数据等，用以优化运行维护计划。
这些状态与性能数据可以帮助工厂降低电机整个生命周期的总体成本，从而延长电机的工作时间和使用寿命，并提升电机性能和效率。
2）中间层的自动化系统
ABBAbility工业云平台的自动化执行环节是由ABBAbility系统800xA来完成的，这是一款集DCS（分布式控制系统）、电气控制系统，以及安全系统于一体的协同自动化系统，帮助客户提高工程效率、操作员效率和资产利用率。
该系统包括800xADCS、800xA安全、800xA电气控制。
3）端到端的工业数字化解决方案
ABBAblility工业云平台支持的行业应用包括：
面对资产密集型行业的绩效管理解决方案；针对流程工业的控制系统；面向机器人、电机和机械设备的远程监测服务；用于建筑、海上平台和电动汽车充电基础设施的控制解决方案；以及满足数据中心能源管理和远洋船队航线优化等需求的专业领域的解决方案。
4）开放的工业云平台
ABB已经与微软达成战略合作，将依托于微软的Azure平台提供工业云服务。
ABB与IBMWatson已经展开合作，计划为ABBAbility平台提供工业数据计算和分析能力。
在中国市场，ABB则与华为合作，联合研发机器人端到端的数字解决方案，实现机器人远程监控、配置和大数据应用。
e-works认为：
ABBAbility工业云平台的体系架构基本涵盖了工业互联网平台的四大基本功能，但在工业分析能力和应用开发能力方面还有待完善。
为强化平台分析能力，ABB正在通过与微软、IBM、华为这些信息技术领导厂商合作。
ABBAbility工业云平台最适用的仍然是电力自动化，并在交通、数据中心、智能建筑、采矿业、石油化工以及制造业得到了广泛应用。
4）菲尼克斯电气——ProfiCloud
菲尼克斯电气专注做电子电气接口与连接，从世界上第一片组合式接线端子开始，到现在可以为客户提供连接器、壳体、功能安全、工控机、照明、标识、电源、防雷等全系列选择。
菲尼克斯电气提供的ProfiCloud技术可以让PROFINET的用户在不添加任何硬件成本的情况下，轻松实现安全、快捷的底层设备间的互联互通。
对于实现设备之间的互联，ProfiCloud工业云平台主要通过一种叫做ProfiCloud耦合器的设备安全地将本地PROFINET网络连接到ProfiCloud云平台上，同时也使ProfiCloud服务可以在PROFINET中使用。
对于远程的设备则可以采用分布式控制器通过互联网与ProfiCloud相联接。
它就像PROFINET网络中的一个本地设备一样可以直接使用，无需进一步的配置或编程。
在ProfiCloud平台上远程的PROFINET子站甚至都不需要控制器，所有的控制命令都可以由本地PROFINET控制器发出，这样为客户节约了大量硬件成本。
ProfiCloud设备的接入非常简单，工程师只需在ProfiCloud云端服务器上通过UUID（设备通用唯一识别码）添加ProfiCloud设备，并将分布在不同区域的PROFINETIO子站、交换机和云耦合器“连接”在一起就完成了设置工作，然后就可以像使用本地PROFINET设备一样对远程设备进行组态和编程。
除ProfiCloud工业云平台之外，菲尼克斯电气还有开放式控制平台PLCnext，PLCnext可以让各类工具软件如VisualStudio、Eclipse、MatlabSimulink、PCWorx等并行工作成为现实，并共享数据信息资源。
通过将PLCnext开放式控制平台与ProfiCloud工业云平台的结合，使得来自产品开发、设备工程、生产部门的团队可以在新产品开发阶段就跨部门合作，协同配合，以便更快速地使用生产设备。
同时还可以结合第三方数据，如天气数据、汇率数据等，这样的功能能为某些风力发电、光伏发电、水利设施及生产制造企业带来便利。
除了支持ProFinet协议的工业设备的接入，ProfiCloud工业云平台也可以将智能手机、智能手表等移动智能设备集成为虚拟的PROFINET设备，通过智能终端可以随时读取操作人员的心率传感器、重力感应传感器、电子罗盘传感器、三重陀螺仪传感器、温湿度气压传感器等数据。
菲尼克斯电气认为，在未来在智能工厂内部，参与生产的将不仅仅是高端智能制造设备，人机交换也不仅仅是简单的通过按钮和开关，智能穿戴设备和连接智能世界的通讯技术将带来更加高效便利的生产制造模式。
在安全方面，为保障工业设备之间的通信安全，ProfiCloud工业云平台中的设备之间的通信都采用了TLS（安全传输层协议）方式加密，简单而安全的通讯机制可以让用户轻松控制分布在世界各地的设备及系统。
e-works认为：
与Predix、MindSphere这些能广泛支持异构工业协议设备之间互联有所不同，ProfiCloud工业云平台主要支持以ProFinet工业协议为主的工业设备互联。
同时对照工业互联网平台的四大功能，ProfiCloud的重点在设备的接入和互联，以及数据的采集和分析，在平台开发能力和构建工业APP产业生态方面还有待进一步的完善。
5）施耐德电气——EcoStruxure
EcoStruxure是施耐德电气推出的新一代物联网平台。
该平台将原有的三大解决方案融合到一起，包括电力行业的能效管理解决方案PowerStruxure，机器制造行业的能效管理解决方案MachineStruxure，工厂的能效管理解决方案PlantStruxure，实现了从多维Struxure向EcoStruxure平台的统一。
从字面上来讲，E代表了能效，CO代表了控制，EcoStruxure就是我们能效管理平台的总称。
顾名思义，EcoStruxure平台的主要功能就是实现对企业的能源效率进行有效的管理以降低企业的运营成本。
EcoStruxure物联网平台共分三层，包括互联互通的产品、边缘控制以及应用、分析与服务。
1）互联互通的产品层
EcoStruxure物联网平台通过在断路器、变频器和制动器等关键设备中嵌入传感器、计算系统、IP网络和边缘分析等功能，可以实现对设备的发现和加载、设备的配置和通信、设备数据的收集和存储，并具备在设备层级进行本地分析、便捷配置和升级更新的能力。
针对产品的互联互通，施耐德电气推出了AltivarMachine变频器和AltivarProcess变频器。
其中，Altivar机器变频器设计用于满足智能机器的各种要求，并且能够在简单和复杂应用中给予原始设备制造商对于变频器的选择指向。
AltivarProcess变频器不只是一台变频器，而是一款智能型互联互通产品，企业可以通过移动端访问有关信息，从而实时做出业务决策。
2）边缘控制层
EcoStruxure物联网平台实现位于本地或云端运营的控制、管理、自动化和优化的各种构件。
包括SoMachine、MondiconM580ePAC控制器、Foxboro、Triconex、机器自动化。
SoMachine软件：
是一款集成Vijeo-Designer软件的开放、高效的专业软件解决方案。
它集成用于运动控制设备的配置和传送工具，具备对现场总线配置程序、专家诊断功能和故障调试功能，以及维护和可视化等多重功能。
MondiconM580ePAC控制器：
是一款基于工业以太网的可编程自动化控制器，其核心优势在于通过最先进的ARM架构微处理器将标准的以太网嵌入自动化控制器，并且将它应用到现场总线、控制总线和内部的背板总线等所有的通讯中，以及所有的设备和模块，例如配电、低压电路板、能源管理功能等，从而形成一个完整的、真正意义上的开放网络，实现无缝的连接和通讯的优化。
FoxboroDCS：
Foxboro系列控制与I/O设备能够无缝集成现场总线功能，包括现场总线基础、在现场的现场总线基础控制、HART、PROFIBUS、Modbus。
FoxboroDCS无缝完整集成的控件与一套功能强大的工具相结合。
Triconex过程安全解决方案：
为工厂提供全套的安全关键解决方案和全生命周期安全管理理念与服务，保持企业安全可靠稳定运行与盈利增效的同步。
机器控制：
可以实现对机器的协调控制或同步控制，适用于各种自动化系统和行业，包括各种自动化包装机器、物料搬运、暖通空调控制、泵控、材料加工控制等。
3）应用、分析与服务层
EcoStruxure平台提供对基于开放IP协议备最宽泛的容纳能力，能实现云连接，为控制、监视、远程联网和资产管理的应用、分析与服务的交付提供支持，这些全部都构建在微软Azure物联网套件之上。
e-works认为：
EcoStruxure平台的应用定位比较清晰，主要是提供电力系统及设备的互联、状态监控和效率优化。
能支持较为宽泛的电力系统及设备的互联，并对设备的数据进行采集和分析。
实现了工业互联网平台功能三个基本功能，即设备互联、数据采集和存储、数据分析及工业性能优化。
但目前还不提供基于PaaS的开放平台，也不支持企业自主开发工业APP。
6）艾默生——PlantWeb
2016年艾默生推出了经过扩展升级的Plantweb数字生态系统，这是一个基于标准的可扩展硬件、软件、智能设备和服务组合，它将数字智能进一步扩展到整个制造企业，并为现场应用提供了一个全面的框架，帮助制造商在安全性、可靠性、生产力和能源方面实现最佳绩效。
从整体架构划分，最下面一层是数据层，主要是利用艾默生广泛的测量仪表实现对工业运行状态的全面感知，包括传统的温压液位、阀位监测、振动监测和腐蚀监测等。
中间层是传输安全层，主要解决传统数据的传输和存储，以及通过应用网关实现异构设备的互联和数据接入。
接入端安全传输运用一系列网络安全技术和设备将各类仪表采集的数据单向传输到IT平台供互联网和云端使用，同时防止外部数据侵入企业过程运营平台。
最上层是应用层，该层
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