現代PLC vs. 邊緣控制器
2023-11-24新聞
本文來(lái)自于控制工程中文版雜(zá)志（CONTROL ENGINEERING China）2023年8月(yuè)刊《封面故事》欄目：爲現代PLC和(hé)HMI集成邊緣計算(suàn)功能。作者 | Damon Purvis。由「控制工程中文版」原創發布， 數字化(huà)企業經授權發布。
現在，消費者比以往任何時(shí)候都更希望能從衆多(duō)不同類型的(de)産品中選擇滿足其需要的(de)産品，制造商需要将先進的(de)自動化(huà)和(hé)控制設備安裝在邊緣，以滿足消費者的(de)需求。生産制造的(de)靈活性帶來(lái)一個(gè)問題：通(tōng)常情況下(xià)，大(dà)規模生産和(hé)标準化(huà)是提高(gāo)效率和(hé)降低成本的(de)較佳方案，但這(zhè)與消費者對(duì)定制産品的(de)需求不太吻合。
爲了(le)滿足消費者的(de)需求，許多(duō)行業正在轉向數據驅動的(de)解決方案，以提高(gāo)産品質量、服務和(hé)制造業的(de)響應能力。這(zhè)反過來(lái)又會促進運營技術（OT）生産系統與信息技術（IT）企業系統更深層次的(de)集成，邊緣計算(suàn)可(kě)以提供此方面的(de)幫助。
不僅對(duì)于大(dà)規模定制，而且對(duì)于收集和(hé)處理(lǐ)數據以進行持續改進、質量控制和(hé)跟蹤工作，這(zhè)些集成都是必要的(de)。這(zhè)些數據也(yě)是預測性、規範性和(hé)描述性分(fēn)析的(de)基礎。
數據是實現敏捷生産動态變化(huà)、優化(huà)運營和(hé)能源消耗的(de)關鍵。出于這(zhè)些原因，工業企業正在尋找有效的(de)方法來(lái)連接其制造系統所包含的(de)寶貴數據，并充分(fēn)利用(yòng)這(zhè)些數據。工業自動化(huà)設計人(rén)員(yuán)，尤其是原始設備制造商 (OEM)，如何适應日益增長(cháng)的(de)數據需求以及與企業系統深度集成的(de)需求？
很顯然，生産制造系統生産産品，但現在它們也(yě)越來(lái)越多(duō)地生産數據。現在所産生的(de)數據比曆史上任何時(shí)候都多(duō)。“數據不眠不休”信息圖的(de)創建者Domo聲稱，截至2022年，在過去十年中全球創建、捕獲、複制和(hé)消費的(de)數據總量爲97 澤字節（ZB）。制造業在該方面保持領先，存儲的(de)數據比包括政府在内的(de)任何其它部門都多(duō)。
爲了(le)生成和(hé)處理(lǐ)這(zhè)些數據，整個(gè)行業大(dà)規模實施了(le)數字化(huà)轉型、智能設備和(hé)工業物(wù)聯網（IIoT）技術。大(dà)多(duō)數制造商和(hé)OEM廠商都認識到，車間控制和(hé)監控系統生成的(de)數據是數字黃(huáng)金，但前提是可(kě)以輕松訪問這(zhè)些數據并據此迅速采取行動。
數據來(lái)源比以往任何時(shí)候都多(duō)，與之類似，與這(zhè)些數據連接的(de)技術選項也(yě)有很多(duō)。由于所需的(de)基礎設施和(hé)安全性，連接、情境化(huà)、傳輸和(hé)處理(lǐ)大(dà)型數據集可(kě)能既複雜(zá)又昂貴。
對(duì)于試圖訪問工業數據源并對(duì)其采取行動的(de)用(yòng)戶來(lái)說，挑戰在于連接各種位于邊緣的(de)目标設備，然後将數據傳輸和(hé)存儲到可(kě)以執行計算(suàn)和(hé)分(fēn)析的(de)地方。
傳統上，工業自動化(huà)系統設計有可(kě)編程邏輯控制器（PLC）和(hé)人(rén)機界面（HMI），以提供基本的(de)控制和(hé)監控功能。在典型場(chǎng)景中，可(kě)以通(tōng)過OPC數據服務器收集數據，并在曆史數據庫或監控和(hé)數據采集（SCADA）系統中實現情境化(huà)。
PLC、HMI/SCADA和(hé)曆史數據庫通(tōng)常與IT基礎設施分(fēn)開。伴随著(zhe)OT設備的(de)改進，以及相關網絡和(hé)通(tōng)信協議(yì)技術的(de)發展，數據收集變得(de)更簡單，在某種程度上，OT設備甚至可(kě)以更直接地與IT系統交互。
OT和(hé)IT技術的(de)融合帶來(lái)了(le)另一個(gè)關鍵發展，這(zhè)是一種新型的(de)工業控制和(hé)計算(suàn)設備，通(tōng)常被稱爲邊緣控制器。邊緣控制器通(tōng)常将實時(shí)PLC控制與通(tōng)用(yòng)PLC/SCADA計算(suàn)和(hé)通(tōng)信能力相結合。邊緣控制器與OT和(hé)IT資産通(tōng)信良好，它們還(hái)使存儲和(hé)計算(suàn)資源能夠從中央數據中心或雲，轉移到生成數據的(de)邊緣位置（圖1）。
圖1：在設施邊緣的(de)PLC和(hé)IIoT設備提供了(le)重要而有價值的(de)數據，現在有許多(duō)途徑可(kě)以通(tōng)過邊緣控制器将這(zhè)些數據傳輸到現場(chǎng)或基于雲的(de)資源，以進行監測和(hé)分(fēn)析。
圖2：原始設備制造商和(hé)設計師可(kě)以使用(yòng)最新的(de)PLC來(lái)實現設備的(de)自動化(huà)并提供簡單的(de)連接，而不是開發自定義平台或指定邊緣控制器。
1.網絡和(hé)通(tōng)信：Modbus、EtherNet/IP和(hé)Profinet是流行的(de)基于OT的(de)通(tōng)信協議(yì)或現場(chǎng)總線，大(dà)多(duō)數現代、甚至一些傳統PLC都支持這(zhè)些協議(yì)。但直到最近，PLC還(hái)很少包含允許其與企業系統無縫集成的(de)協議(yì)。此外，加密、數據隐私和(hé)其它網絡安全問題，要麽沒有得(de)到解決，要麽隻是事後才考慮。不過，一些現代 PLC 通(tōng)過支持 OPC UA、本地和(hé)企業電子郵件服務的(de)安全集成、微軟認證的(de) Azure 集成、安全 REST API、使用(yòng) Sparkplug B 的(de)安全消息隊列遙測傳輸 (MQTT)，以及大(dà)量現場(chǎng)總線協議(yì)，将 IT 功能原生集成到了(le)通(tōng)信堆棧中（圖3）。
圖3：邊緣計算(suàn)功能需要多(duō)個(gè)層面的(de)集成。先進的(de)PLC可(kě)以使用(yòng)流行的(de)現場(chǎng)總線與各種OT設備進行通(tōng)信，還(hái)可(kě)以使用(yòng)許多(duō)不同的(de)方法與更高(gāo)級别的(de)IT系統進行交互。
3.低延遲數據處理(lǐ)：由于内存和(hé)其它計算(suàn)資源的(de)限制，傳統PLC通(tōng)常不可(kě)能在邊緣就地聚合數據，或者與執行控制代碼相比，其優先級較低。現代PLC平衡内存和(hé)處理(lǐ)，允許就地收集和(hé)聚合基本數據，同時(shí)優先執行實時(shí)控制代碼。在數據源頭對(duì)低延遲數據進行預處理(lǐ)是有效的(de)，并且可(kě)以減少數據獲取和(hé)轉換所需的(de)上遊網絡流量和(hé)處理(lǐ)量。
關鍵概念：
■ 邊緣控制器提供計算(suàn)和(hé)高(gāo)級通(tōng)信功能，但對(duì)于小型應用(yòng)來(lái)講，可(kě)能過于複雜(zá)或昂貴。
■ 現代PLC超越了(le)傳統PLC的(de)實時(shí)控制，具有邊緣計算(suàn)功能，可(kě)以支持數據收集和(hé)分(fēn)析，來(lái)實現更靈活的(de)生産和(hé)更高(gāo)的(de)效率。
思考一下(xià)：
現代控制器和(hé)邊緣設備如何幫助制造商收集數據以提高(gāo)生産和(hé)效率？
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