边缘计算使能工业互联网

本书从工业视角出发，对制造业体系架构与发展过程进行回顾与总结，并在工业互联网的全新架构下，阐述边缘计算给制造业带来的改变。首先详细介绍了在工业互联网+边缘计算的背景下工业软件的模式变革和标准化进程，接着介绍工业边缘计算中所需要的关键技术，包括确定性IP网络、双绞线以太网和先进物理层、OPC UA TSN、DDS等新一代工业通信技术、工业4.0管理壳以及工业边缘计算建模语言IEC 61499，对工业边缘计算的应用场景（包括参数寻优、热备份冗余、预测性维护以及数字孪生等）进行了系统介绍。

随着工业互联网时代的来临，制造业正在经历着一场前所未有的变革。工业互联网、智能制造、工业4.0等新概念层出不穷，推动制造业的信息化与智能化快速发展。另外，随着芯片、通信与储存技术的不断提升，工业现场设备的综合性能获得了极大的提高。为充分利用现场设备资源，边缘计算应运而生，从而使得过去不可能实现的智能变成可能。在工业互联网的推进过程中，OT与IT融合难的问题越发明显，一边是以IT企业领衔的工业互联网平台大规模挺进，另一边是以OT企业领衔的制造系统信息化水平不断提升，但工业互联网平台始终无法与制造系统完全双向互通，实现智能算法与模型的真正落地。边缘计算将成为OT与IT融合的纽带，它是工业互联网的实际载体，同时也是两化融合的重要一环。
本书从制造业的控制与计算发展开始，分别以离散制造业和流程工业为例，回顾工业系统中控制与通信的发展历史，进而介绍工业互联网与边缘计算的起源与发展，以及一些国外现有的边缘计算架构及案例；接着，解析工业互联网+边缘计算的新体系架构及其对工业软件的影响，并且进一步介绍基于微服务的工业边缘App以及应用市场将对工业项目开发模式的改变；然后，介绍一些边缘计算中时间敏感网络（TSN）、OPC UA与管理壳、系统级建模语言IEC 61499和下一代IP等新技术，以及这些技术对工业的影响；最后，对一些潜在的工业边缘计算应用场景进行介绍，并对需求以及挑战进行分析。
本书从OT从业者的角度出发，对工业互联网+边缘计算架构做出了新的诠释，详细讲解了OT与IT融合的关键问题以及技术路径，为工业互联网应用落地指明了方向，同时也为工业自动化、信息化、智能化的实施提供了有效的路径。希望本书能为OT与IT从业者提供联系的桥梁和纽带。

前言

第1章　制造业中的控制与计算发展概貌　1
1.1　综述　1
1.1.1　四次工业革命时期的制造自动化　1
1.1.2　与制造业相关的控制理论的发展进程　3
1.1.3　制造业控制和计算多级分层架构的发展进程　4
1.2　流程工业和离散制造业的自动化发展进程　8
1.2.1　流程工业的自动化发展进程　8
1.2.2　离散制造业的自动化发展进程　10
1.3　工业现场总线和工业以太网的发展历程　11
1.3.1　流程工业现场总线和工业以太网的发展历程　12
1.3.2　离散制造业现场总线和工业以太网的发展历程　14
第2章　工业互联网与边缘计算发展现状　16
2.1　工业互联网与边缘计算　16
2.1.1　边缘计算　16
2.1.2　工业环境下的边缘计算　17
2.1.3　工业边缘的两个视角　21
2.1.4　在工业边缘构建可靠的虚拟化和控制应用　23
2.2　边缘可编程工业控制器的发展　27
2.2.1　数据共享是制造业未来的急切需要　27
2.2.2　差异性是赢得市场竞争的重要手段　28
2.2.3　边缘可编程控制器是OT与IT融合的利器　30
2.2.4　让控制器具有内生的信息安全　33
2.2.5　边缘可编程控制器的软件架构和配置　36
2.2.6　小结　38
第3章　工业互联网下边缘计算体系架构　39
3.1　工业边缘计算体系架构　39
3.1.1　工业系统体系架构变化　39
3.1.2　工业互联网云平台+边缘计算下的软件新需求　42
3.1.3　微服务架构与工业边缘计算　43
3.2　工业软件新形态——工业App与工业应用市场　46
3.2.1　工业边缘应用新模式　46
3.2.2　面向工业边缘App的统一建模语言IEC 61499　49
3.2.3　轻量级容器化工业边缘微服务应用的运行环境　52
3.3　工业边缘计算标准化进程　53
3.3.1　IEEE P2805.1边缘计算节点自我管理协议　55
3.3.2　IEEE P2805.2边缘计算节点数据采集、过滤与缓存管理协议　55
3.3.3　IEEE P2805.3边–云协作机器学习协议　56
第4章　工业边缘计算关键技术　58
4.1　下一代工业边缘通信技术　58
4.1.1　工业以太网一网到底的发展　58
4.1.2　单对双绞线以太网和先进物理层　65
4.1.3　OPC UA TSN　76
4.1.4　数据分发服务　100
4.1.5　确定性IP网络　123
4.2　工业4.0管理壳　125
4.2.1　工业4.0参考架构模型RAMI4.0和资产管理壳的概念　125
4.2.2　工业4.0基本元件模型　127
4.2.3　资产管理壳的基本结构　130
4.2.4　工业4.0基本元件的开发实践概述　132
4.2.5　PLCopen关于AAS开发的进展　142
4.3　工业边缘计算建模语言IEC 61499　145
4.3.1　IEC 61499功能块标准简介　145
4.3.2　IEC 61499与IEC 61131-3的区别　151
4.3.3　IEC 61499应用前景　153
4.4　工业边缘计算与机器学习　154
第5章　工业边缘计算潜在应用场景　157
5.1　参数寻优　157
5.2　热备份冗余　159
5.3　预测性维护　161
5.3.1　预测性维护的发展　161
5.3.2　预测性维护的场景　163
5.3.3　预测性维护的方法　165
5.3.4　预测性维护的实现　168
5.3.5　小结　171
5.4　数字孪生　171
5.4.1　数字孪生产生的背景　172
5.4.2　数字孪生的特征　176
5.4.3　工业数字孪生　181
5.4.4　边缘架构中的数字孪生　183
5.4.5　数字孪生应用场景分析　185
结语　190