作者 |?Damon Purvis

過去，PLC和HMI主要用于實(shí)時(shí)控制；現(xiàn)在，它們可以執(zhí)行更多任務(wù)，利用邊緣計(jì)算技術(shù)可以輕松實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析和其他需求。

現(xiàn)在，消費(fèi)者比以往任何時(shí)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(dòng)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(lái)一個(gè)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最佳方案，但這與消費(fèi)者對(duì)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(dòng)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(lái)又會(huì)促進(jìn)運(yùn)營(yíng)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(duì)于大規(guī)模定制，而且對(duì)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(cè)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(dòng)態(tài)變化、優(yōu)化運(yùn)營(yíng)和能源消耗的關(guān)鍵。出于這些原因，工業(yè)企業(yè)正在尋找最有效的方法來(lái)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(dòng)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(zhǎng)的數(shù)據(jù)需求以及與企業(yè)系統(tǒng)深度集成的需求？

01

不斷增長(zhǎng)的制造業(yè)數(shù)據(jù)

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(lái)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(shí)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(chǔ)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(gè)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(shí)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(dòng)。

數(shù)據(jù)來(lái)源比以往任何時(shí)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。

02

制造業(yè)數(shù)據(jù)收集和分析的發(fā)展

對(duì)于試圖訪問工業(yè)數(shù)據(jù)源并對(duì)其采取行動(dòng)的用戶來(lái)說(shuō)，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(chǔ)到可以執(zhí)行計(jì)算和分析的地方。

傳統(tǒng)上，工業(yè)自動(dòng)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(chǎng)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(kù)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(kù)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(jiǎn)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(lái)了另一個(gè)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(shí)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(chǔ)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(jià)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(chǎng)或基于云的資源，以進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析。

對(duì)于某些應(yīng)用，邊緣控制器可能很有吸引力，但這種設(shè)備的一個(gè)后果是技術(shù)堆棧變得更深，因此對(duì)于很多OEM機(jī)器制造商或較小的最終用戶應(yīng)用來(lái)講，總體成本和所需的開發(fā)時(shí)間較長(zhǎng)，可能并不實(shí)用。

03

從邊緣實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)訪問的實(shí)用方法

即使安全的遠(yuǎn)程連接、數(shù)據(jù)訪問和敏捷生產(chǎn)變得越來(lái)越重要，機(jī)器制造商仍將始終專注于穩(wěn)健的實(shí)時(shí)控制和便利的可視化。

在某些特殊情況下，例如年生產(chǎn)量達(dá)數(shù)萬(wàn)臺(tái)的機(jī)器，開發(fā)定制的控制、計(jì)算和連接解決方案可能是有意義的。在其它情況下，有些項(xiàng)目可能會(huì)支持邊緣控制器和相關(guān)開發(fā)成本。

然而，現(xiàn)實(shí)情況是，現(xiàn)代 PLC 和HMI可以很容易地為大部分機(jī)器甚至中小型通用自動(dòng)化應(yīng)用提供服務(wù)，即使數(shù)據(jù)訪問是優(yōu)先事項(xiàng)（圖 2）。

▲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(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的自動(dòng)化并提供簡(jiǎn)單的連接，而不是開發(fā)自定義平臺(tái)或指定邊緣控制器。

這是因?yàn)樽钚略O(shè)備包含了網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)處理功能，因此它們可以滿足大部分IT可訪問性要求，而且成本合理，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。它們支持邊緣計(jì)算需求，例如遠(yuǎn)程連接以及高級(jí)監(jiān)控和分析集成。在現(xiàn)代PLC中，至少有三個(gè)特點(diǎn)是顯而易見的：

1.網(wǎng)絡(luò)和通信：Modbus、EtherNet/IP和Profinet是最流行的基于OT的通信協(xié)議或現(xiàn)場(chǎng)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(wú)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(cè)傳輸 (MQTT)，以及大量現(xiàn)場(chǎng)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(gè)層面的集成。先進(jìn)的PLC可以使用流行的現(xiàn)場(chǎng)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(jí)別的IT系統(tǒng)進(jìn)行交互。

2.數(shù)據(jù)情境化：傳統(tǒng)PLC通常包含非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，這需要在監(jiān)管層進(jìn)行大量返工，以便企業(yè)系統(tǒng)可以使用?，F(xiàn)代PLC軟件允許自動(dòng)化設(shè)計(jì)人員在數(shù)據(jù)源一次性創(chuàng)建數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和定義，PLC固件可以公開數(shù)據(jù)模型以供使用，從而為使用數(shù)據(jù)的系統(tǒng)提供“單一的真實(shí)來(lái)源”。

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(jí)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(shí)優(yōu)先執(zhí)行實(shí)時(shí)控制代碼。在數(shù)據(jù)源頭對(duì)低延遲數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理是最有效的，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。

有了現(xiàn)代PLC，設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在有了可擴(kuò)展的選擇，可以開發(fā)可靠的未來(lái)就緒型自動(dòng)化系統(tǒng)，與企業(yè)系統(tǒng)集成，提供邊緣計(jì)算功能。

04

超越基本自動(dòng)化功能的現(xiàn)代PLC

工業(yè)自動(dòng)化設(shè)計(jì)師和開發(fā)人員追求標(biāo)準(zhǔn)化的解決方案，使設(shè)備更易于開發(fā)、操作和維護(hù)。然而，一些開發(fā)人員會(huì)擔(dān)心，隨著產(chǎn)品范圍和需求的擴(kuò)大，投資于標(biāo)準(zhǔn)化的解決方案可能會(huì)限制創(chuàng)新。

由于現(xiàn)代PLC和HMI可以確?？煽康恼w功能，在執(zhí)行基本任務(wù)的同時(shí)，允許在未來(lái)執(zhí)行更先進(jìn)的計(jì)算，從而可以解決這些問題。

如今，用戶可以使用熟悉的平臺(tái)來(lái)實(shí)施這類邊緣技術(shù)，以提供大小合適且具有成本效益的自動(dòng)化系統(tǒng)，同時(shí)根據(jù)需要為創(chuàng)建更高級(jí)別的應(yīng)用（如邊緣計(jì)算功能）敞開大門?，F(xiàn)在，更高級(jí)別的IIoT平臺(tái)、云計(jì)算甚至機(jī)器學(xué)習(xí)等復(fù)雜策略，可以直接安全地與OT數(shù)字資產(chǎn)進(jìn)行交互，而不需要復(fù)雜的中間步驟。

現(xiàn)代PLC和HMI開辟的這個(gè)新領(lǐng)域，為設(shè)計(jì)者提供了當(dāng)前所需的實(shí)時(shí)控制功能，同時(shí)增加了數(shù)據(jù)處理和訪問能力。這些設(shè)備豐富的計(jì)算資源，也為處理未來(lái)需求提供了平臺(tái)，無(wú)論是預(yù)期的還是非預(yù)期的。

編輯：黃飛

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