現(xiàn)代PLC vs. 邊緣控制器
2023-11-24新聞
本文來自于控制工程中文版雜志（CONTROL ENGINEERING China）2023年8月刊《封面故事》欄目：為現(xiàn)代PLC和HMI集成邊緣計(jì)算功能。作者 | Damon Purvis。由「控制工程中文版」原創(chuàng)發(fā)布， 數(shù)字化企業(yè)經(jīng)授權(quán)發(fā)布。
現(xiàn)在，消費(fèi)者比以往任何時候都更希望能從眾多不同類型的產(chǎn)品中選擇滿足其需要的產(chǎn)品，制造商需要將先進(jìn)的自動化和控制設(shè)備安裝在邊緣，以滿足消費(fèi)者的需求。生產(chǎn)制造的靈活性帶來一個問題：通常情況下，大規(guī)模生產(chǎn)和標(biāo)準(zhǔn)化是提高效率和降低成本的較佳方案，但這與消費(fèi)者對定制產(chǎn)品的需求不太吻合。
為了滿足消費(fèi)者的需求，許多行業(yè)正在轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)驅(qū)動的解決方案，以提高產(chǎn)品質(zhì)量、服務(wù)和制造業(yè)的響應(yīng)能力。這反過來又會促進(jìn)運(yùn)營技術(shù)（OT）生產(chǎn)系統(tǒng)與信息技術(shù)（IT）企業(yè)系統(tǒng)更深層次的集成，邊緣計(jì)算可以提供此方面的幫助。
不僅對于大規(guī)模定制，而且對于收集和處理數(shù)據(jù)以進(jìn)行持續(xù)改進(jìn)、質(zhì)量控制和跟蹤工作，這些集成都是必要的。這些數(shù)據(jù)也是預(yù)測性、規(guī)范性和描述性分析的基礎(chǔ)。
數(shù)據(jù)是實(shí)現(xiàn)敏捷生產(chǎn)動態(tài)變化、優(yōu)化運(yùn)營和能源消耗的關(guān)鍵。出于這些原因，工業(yè)企業(yè)正在尋找有效的方法來連接其制造系統(tǒng)所包含的寶貴數(shù)據(jù)，并充分利用這些數(shù)據(jù)。工業(yè)自動化設(shè)計(jì)人員，尤其是原始設(shè)備制造商 (OEM)，如何適應(yīng)日益增長的數(shù)據(jù)需求以及與企業(yè)系統(tǒng)深度集成的需求？
很顯然，生產(chǎn)制造系統(tǒng)生產(chǎn)產(chǎn)品，但現(xiàn)在它們也越來越多地生產(chǎn)數(shù)據(jù)?，F(xiàn)在所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)比歷史上任何時候都多?！皵?shù)據(jù)不眠不休”信息圖的創(chuàng)建者Domo聲稱，截至2022年，在過去十年中全球創(chuàng)建、捕獲、復(fù)制和消費(fèi)的數(shù)據(jù)總量為97 澤字節(jié)（ZB）。制造業(yè)在該方面保持領(lǐng)先，存儲的數(shù)據(jù)比包括政府在內(nèi)的任何其它部門都多。
為了生成和處理這些數(shù)據(jù)，整個行業(yè)大規(guī)模實(shí)施了數(shù)字化轉(zhuǎn)型、智能設(shè)備和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）技術(shù)。大多數(shù)制造商和OEM廠商都認(rèn)識到，車間控制和監(jiān)控系統(tǒng)生成的數(shù)據(jù)是數(shù)字黃金，但前提是可以輕松訪問這些數(shù)據(jù)并據(jù)此迅速采取行動。
數(shù)據(jù)來源比以往任何時候都多，與之類似，與這些數(shù)據(jù)連接的技術(shù)選項(xiàng)也有很多。由于所需的基礎(chǔ)設(shè)施和安全性，連接、情境化、傳輸和處理大型數(shù)據(jù)集可能既復(fù)雜又昂貴。
對于試圖訪問工業(yè)數(shù)據(jù)源并對其采取行動的用戶來說，挑戰(zhàn)在于連接各種位于邊緣的目標(biāo)設(shè)備，然后將數(shù)據(jù)傳輸和存儲到可以執(zhí)行計(jì)算和分析的地方。
傳統(tǒng)上，工業(yè)自動化系統(tǒng)設(shè)計(jì)有可編程邏輯控制器（PLC）和人機(jī)界面（HMI），以提供基本的控制和監(jiān)控功能。在典型場景中，可以通過OPC數(shù)據(jù)服務(wù)器收集數(shù)據(jù)，并在歷史數(shù)據(jù)庫或監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集（SCADA）系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)情境化。
PLC、HMI/SCADA和歷史數(shù)據(jù)庫通常與IT基礎(chǔ)設(shè)施分開。伴隨著OT設(shè)備的改進(jìn)，以及相關(guān)網(wǎng)絡(luò)和通信協(xié)議技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)收集變得更簡單，在某種程度上，OT設(shè)備甚至可以更直接地與IT系統(tǒng)交互。
OT和IT技術(shù)的融合帶來了另一個關(guān)鍵發(fā)展，這是一種新型的工業(yè)控制和計(jì)算設(shè)備，通常被稱為邊緣控制器。邊緣控制器通常將實(shí)時PLC控制與通用PLC/SCADA計(jì)算和通信能力相結(jié)合。邊緣控制器與OT和IT資產(chǎn)通信良好，它們還使存儲和計(jì)算資源能夠從中央數(shù)據(jù)中心或云，轉(zhuǎn)移到生成數(shù)據(jù)的邊緣位置（圖1）。
圖1：在設(shè)施邊緣的PLC和IIoT設(shè)備提供了重要而有價值的數(shù)據(jù)，現(xiàn)在有許多途徑可以通過邊緣控制器將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)浆F(xiàn)場或基于云的資源，以進(jìn)行監(jiān)測和分析。
圖2：原始設(shè)備制造商和設(shè)計(jì)師可以使用最新的PLC來實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自動化并提供簡單的連接，而不是開發(fā)自定義平臺或指定邊緣控制器。
1.網(wǎng)絡(luò)和通信：Modbus、EtherNet/IP和Profinet是流行的基于OT的通信協(xié)議或現(xiàn)場總線，大多數(shù)現(xiàn)代、甚至一些傳統(tǒng)PLC都支持這些協(xié)議。但直到最近，PLC還很少包含允許其與企業(yè)系統(tǒng)無縫集成的協(xié)議。此外，加密、數(shù)據(jù)隱私和其它網(wǎng)絡(luò)安全問題，要么沒有得到解決，要么只是事后才考慮。不過，一些現(xiàn)代 PLC 通過支持 OPC UA、本地和企業(yè)電子郵件服務(wù)的安全集成、微軟認(rèn)證的 Azure 集成、安全 REST API、使用 Sparkplug B 的安全消息隊(duì)列遙測傳輸 (MQTT)，以及大量現(xiàn)場總線協(xié)議，將 IT 功能原生集成到了通信堆棧中（圖3）。
圖3：邊緣計(jì)算功能需要多個層面的集成。先進(jìn)的PLC可以使用流行的現(xiàn)場總線與各種OT設(shè)備進(jìn)行通信，還可以使用許多不同的方法與更高級別的IT系統(tǒng)進(jìn)行交互。
3.低延遲數(shù)據(jù)處理：由于內(nèi)存和其它計(jì)算資源的限制，傳統(tǒng)PLC通常不可能在邊緣就地聚合數(shù)據(jù)，或者與執(zhí)行控制代碼相比，其優(yōu)先級較低?，F(xiàn)代PLC平衡內(nèi)存和處理，允許就地收集和聚合基本數(shù)據(jù)，同時優(yōu)先執(zhí)行實(shí)時控制代碼。在數(shù)據(jù)源頭對低延遲數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理是有效的，并且可以減少數(shù)據(jù)獲取和轉(zhuǎn)換所需的上游網(wǎng)絡(luò)流量和處理量。
關(guān)鍵概念：
■ 邊緣控制器提供計(jì)算和高級通信功能，但對于小型應(yīng)用來講，可能過于復(fù)雜或昂貴。
■ 現(xiàn)代PLC超越了傳統(tǒng)PLC的實(shí)時控制，具有邊緣計(jì)算功能，可以支持?jǐn)?shù)據(jù)收集和分析，來實(shí)現(xiàn)更靈活的生產(chǎn)和更高的效率。
思考一下：
現(xiàn)代控制器和邊緣設(shè)備如何幫助制造商收集數(shù)據(jù)以提高生產(chǎn)和效率？
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