作者 |?Damon Purvis

過去，PLC和HMI主要用于實時控制；現在，它們可以執行更多任務，利用邊緣計算技術可以輕松實現數據分析和其他需求。

現在，消費者比以往任何時候都更希望能從眾多不同類型的產品中選擇滿足其需要的產品，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。生產制造的靈活性帶來一個問題：通常情況下，大規模生產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品的需求不太吻合。

為了滿足消費者的需求，許多行業正在轉向數據驅動的解決方案，以提高產品質量、服務和制造業的響應能力。這反過來又會促進運營技術（OT）生產系統與信息技術（IT）企業系統更深層次的集成，邊緣計算可以提供此方面的幫助。

不僅對于大規模定制，而且對于收集和處理數據以進行持續改進、質量控制和跟蹤工作，這些集成都是必要的。這些數據也是預測性、規范性和描述性分析的基礎。

數據是實現敏捷生產動態變化、優化運營和能源消耗的關鍵。出于這些原因，工業企業正在尋找最有效的方法來連接其制造系統所包含的寶貴數據，并充分利用這些數據。工業自動化設計人員，尤其是原始設備制造商 (OEM)，如何適應日益增長的數據需求以及與企業系統深度集成的需求？

01

不斷增長的制造業數據

很顯然，生產制造系統生產產品，但現在它們也越來越多地生產數據。現在所產生的數據比歷史上任何時候都多。“數據不眠不休”信息圖的創建者Domo聲稱，截至2022年，在過去十年中全球創建、捕獲、復制和消費的數據總量為97 澤字節（ZB）。制造業在該方面保持領先，存儲的數據比包括政府在內的任何其它部門都多。

為了生成和處理這些數據，整個行業大規模實施了數字化轉型、智能設備和工業物聯網（IIoT）技術。大多數制造商和OEM廠商都認識到，車間控制和監控系統生成的數據是數字黃金，但前提是可以輕松訪問這些數據并據此迅速采取行動。

數據來源比以往任何時候都多，與之類似，與這些數據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、傳輸和處理大型數據集可能既復雜又昂貴。

02

制造業數據收集和分析的發展

對于試圖訪問工業數據源并對其采取行動的用戶來說，挑戰在于連接各種位于邊緣的目標設備，然后將數據傳輸和存儲到可以執行計算和分析的地方。

傳統上，工業自動化系統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控功能。在典型場景中，可以通過OPC數據服務器收集數據，并在歷史數據庫或監控和數據采集（SCADA）系統中實現情境化。

PLC、HMI/SCADA和歷史數據庫通常與IT基礎設施分開。伴隨著OT設備的改進，以及相關網絡和通信協議技術的發展，數據收集變得更簡單，在某種程度上，OT設備甚至可以更直接地與IT系統交互。

OT和IT技術的融合帶來了另一個關鍵發展，這是一種新型的工業控制和計算設備，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資產通信良好，它們還使存儲和計算資源能夠從中央數據中心或云，轉移到生成數據的邊緣位置（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據，現在有許多途徑可以通過邊緣控制器將這些數據傳輸到現場或基于云的資源，以進行監測和分析。

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時間較長，可能并不實用。

03

從邊緣實現數據訪問的實用方法

即使安全的遠程連接、數據訪問和敏捷生產變得越來越重要，機器制造商仍將始終專注于穩健的實時控制和便利的可視化。

在某些特殊情況下，例如年生產量達數萬臺的機器，開發定制的控制、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成本。

然而，現實情況是，現代 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，即使數據訪問是優先事項（圖 2）。

▲圖2：原始設備制造商和設計師可以使用最新的PLC來實現設備的自動化并提供簡單的連接，而不是開發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絡、數據處理功能，因此它們可以滿足大部分IT可訪問性要求，而且成本合理，實現簡單。它們支持邊緣計算需求，例如遠程連接以及高級監控和分析集成。在現代PLC中，至少有三個特點是顯而易見的：

1.網絡和通信：Modbus、EtherNet/IP和Profinet是最流行的基于OT的通信協議或現場總線，大多數現代、甚至一些傳統PLC都支持這些協議。但直到最近，PLC還很少包含允許其與企業系統無縫集成的協議。此外，加密、數據隱私和其它網絡安全問題，要么沒有得到解決，要么只是事后才考慮。不過，一些現代 PLC 通過支持 OPC UA、本地和企業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)，以及大量現場總線協議，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系統進行交互。

2.數據情境化：傳統PLC通常包含非結構化數據，這需要在監管層進行大量返工，以便企業系統可以使用。現代PLC軟件允許自動化設計人員在數據源一次性創建數據結構和定義，PLC固件可以公開數據模型以供使用，從而為使用數據的系統提供“單一的真實來源”。

3.低延遲數據處理：由于內存和其它計算資源的限制，傳統PLC通常不可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平衡內存和處理，允許就地收集和聚合基本數據，同時優先執行實時控制代碼。在數據源頭對低延遲數據進行預處理是最有效的，并且可以減少數據獲取和轉換所需的上游網絡流量和處理量。

有了現代PLC，設計人員現在有了可擴展的選擇，可以開發可靠的未來就緒型自動化系統，與企業系統集成，提供邊緣計算功能。

04

超越基本自動化功能的現代PLC

工業自動化設計師和開發人員追求標準化的解決方案，使設備更易于開發、操作和維護。然而，一些開發人員會擔心，隨著產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新。

由于現代PLC和HMI可以確保可靠的整體功能，在執行基本任務的同時，允許在未來執行更先進的計算，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，同時根據需要為創建更高級別的應用（如邊緣計算功能）敞開大門。現在，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數字資產進行交互，而不需要復雜的中間步驟。

現代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，同時增加了數據處理和訪問能力。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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