作者 |?Damon Purvis

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

現(xiàn)在，消費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，制造商需要將先進的自動化和控制設備安裝在邊緣，以滿足消費者的需求。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)和標準化是提高效率和降低成本的最佳方案，但這與消費者對定制產(chǎn)品的需求不太吻合。

為了滿足消費者的需求，許多行業(yè)正在轉向數(shù)據(jù)驅動的解決方案，以提高產(chǎn)品質量、服務和制造業(yè)的響應能力。這反過來又會促進運營技術（OT）生產(chǎn)系統(tǒng)與信息技術（IT）企業(yè)系統(tǒng)更深層次的集成，邊緣計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)以進行持續(xù)改進、質量控制和跟蹤工作，這些集成都是必要的。這些數(shù)據(jù)也是預測性、規(guī)范性和描述性分析的基礎。

數(shù)據(jù)是實現(xiàn)敏捷生產(chǎn)動態(tài)變化、優(yōu)化運營和能源消耗的關鍵。出于這些原因，工業(yè)企業(yè)正在尋找最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)自動化設計人員，尤其是原始設備制造商 (OEM)，如何適應日益增長的數(shù)據(jù)需求以及與企業(yè)系統(tǒng)深度集成的需求？

01

不斷增長的制造業(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、復制和消費的數(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)模實施了數(shù)字化轉型、智能設備和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）技術。大多數(shù)制造商和OEM廠商都認識到，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)連接的技術選項也有很多。由于所需的基礎設施和安全性，連接、情境化、傳輸和處理大型數(shù)據(jù)集可能既復雜又昂貴。

02

制造業(yè)數(shù)據(jù)收集和分析的發(fā)展

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設備，然后將數(shù)據(jù)傳輸和存儲到可以執(zhí)行計算和分析的地方。

傳統(tǒng)上，工業(yè)自動化系統(tǒng)設計有可編程邏輯控制器（PLC）和人機界面（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)中實現(xiàn)情境化。

PLC、HMI/SCADA和歷史數(shù)據(jù)庫通常與IT基礎設施分開。伴隨著OT設備的改進，以及相關網(wǎng)絡和通信協(xié)議技術的發(fā)展，數(shù)據(jù)收集變得更簡單，在某種程度上，OT設備甚至可以更直接地與IT系統(tǒng)交互。

OT和IT技術的融合帶來了另一個關鍵發(fā)展，這是一種新型的工業(yè)控制和計算設備，通常被稱為邊緣控制器。邊緣控制器通常將實時PLC控制與通用PLC/SCADA計算和通信能力相結合。邊緣控制器與OT和IT資產(chǎn)通信良好，它們還使存儲和計算資源能夠從中央數(shù)據(jù)中心或云，轉移到生成數(shù)據(jù)的邊緣位置（圖1）。

▲圖1：在設施邊緣的PLC和IIoT設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，以進行監(jiān)測和分析。

對于某些應用，邊緣控制器可能很有吸引力，但這種設備的一個后果是技術堆棧變得更深，因此對于很多OEM機器制造商或較小的最終用戶應用來講，總體成本和所需的開發(fā)時間較長，可能并不實用。

03

從邊緣實現(xiàn)數(shù)據(jù)訪問的實用方法

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

在某些特殊情況下，例如年生產(chǎn)量達數(shù)萬臺的機器，開發(fā)定制的控制、計算和連接解決方案可能是有意義的。在其它情況下，有些項目可能會支持邊緣控制器和相關開發(fā)成本。

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

▲圖2：原始設備制造商和設計師可以使用最新的PLC來實現(xiàn)設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。

這是因為最新設備包含了網(wǎng)絡、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，實現(xiàn)簡單。它們支持邊緣計算需求，例如遠程連接以及高級監(jiān)控和分析集成。在現(xiàn)代PLC中，至少有三個特點是顯而易見的：

1.網(wǎng)絡和通信：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)電子郵件服務的安全集成、微軟認證的 Azure 集成、安全 REST API、使用 Sparkplug B 的安全消息隊列遙測傳輸 (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：邊緣計算功能需要多個層面的集成。先進的PLC可以使用流行的現(xiàn)場總線與各種OT設備進行通信，還可以使用許多不同的方法與更高級別的IT系統(tǒng)進行交互。

2.數(shù)據(jù)情境化：傳統(tǒng)PLC通常包含非結構化數(shù)據(jù)，這需要在監(jiān)管層進行大量返工，以便企業(yè)系統(tǒng)可以使用?，F(xiàn)代PLC軟件允許自動化設計人員在數(shù)據(jù)源一次性創(chuàng)建數(shù)據(jù)結構和定義，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“單一的真實來源”。

3.低延遲數(shù)據(jù)處理：由于內(nèi)存和其它計算資源的限制，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。現(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)行實時控制代碼。在數(shù)據(jù)源頭對低延遲數(shù)據(jù)進行預處理是最有效的，并且可以減少數(shù)據(jù)獲取和轉換所需的上游網(wǎng)絡流量和處理量。

有了現(xiàn)代PLC，設計人員現(xiàn)在有了可擴展的選擇，可以開發(fā)可靠的未來就緒型自動化系統(tǒng)，與企業(yè)系統(tǒng)集成，提供邊緣計算功能。

04

超越基本自動化功能的現(xiàn)代PLC

工業(yè)自動化設計師和開發(fā)人員追求標準化的解決方案，使設備更易于開發(fā)、操作和維護。然而，一些開發(fā)人員會擔心，隨著產(chǎn)品范圍和需求的擴大，投資于標準化的解決方案可能會限制創(chuàng)新。

由于現(xiàn)代PLC和HMI可以確?？煽康恼w功能，在執(zhí)行基本任務的同時，允許在未來執(zhí)行更先進的計算，從而可以解決這些問題。

如今，用戶可以使用熟悉的平臺來實施這類邊緣技術，以提供大小合適且具有成本效益的自動化系統(tǒng)，同時根據(jù)需要為創(chuàng)建更高級別的應用（如邊緣計算功能）敞開大門?，F(xiàn)在，更高級別的IIoT平臺、云計算甚至機器學習等復雜策略，可以直接安全地與OT數(shù)字資產(chǎn)進行交互，而不需要復雜的中間步驟。

現(xiàn)代PLC和HMI開辟的這個新領域，為設計者提供了當前所需的實時控制功能，同時增加了數(shù)據(jù)處理和訪問能力。這些設備豐富的計算資源，也為處理未來需求提供了平臺，無論是預期的還是非預期的。

編輯：黃飛

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