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邊緣控制器、大型PLC和緊湊型PLC,如何選擇?

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  • 添加日期:2022年04月15日

工業(yè)自動(dòng)化設(shè)計(jì)人員必須始終關(guān)注基本設(shè)備操作和安全。但現(xiàn)在,這些用戶正在努力實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)訪問和互聯(lián)這一次目標(biāo)的方法,這些目標(biāo)通常被描述為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT)功能或邊緣通信能力。有時(shí),這些用戶希望從一開始就內(nèi)置 IIoT 功能,而在其他情況下,他們只是希望確保他們的系統(tǒng)經(jīng)得起未來的考驗(yàn),以后可以輕松添加 IIoT。

近年來,涉及運(yùn)營技術(shù)(OT)控制的工業(yè)制造最終用戶和機(jī)器制造原始設(shè)備制造商(OEM)開始認(rèn)識到,他們的自動(dòng)化系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)具有非常大的潛在價(jià)值。訪問這些數(shù)據(jù),并將其傳輸?shù)椒奖愕牡胤?,如本地或基于云的信息技術(shù)(IT)資源中,然后對其進(jìn)行分析并采取措施,可以使這些用戶更高效地運(yùn)行他們的系統(tǒng),提高安全性,并最大限度地延長正常運(yùn)行時(shí)間。

在這一領(lǐng)域,沒有通用的解決方案。完整的OT/IT 解決方案需要合適的軟件、通信協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)解決方案,以便在一系列硬件產(chǎn)品上運(yùn)行,例如:緊湊的大型可編程邏輯控制器(PLC)、邊緣控制器、安全控制器、輸入/ 輸出(I/O)模塊、運(yùn)動(dòng)控制、網(wǎng)關(guān)、人機(jī)界面(HMI)和工控機(jī)(IPC)。

歸根結(jié)底,有了這么多的選擇和可能性,工業(yè)自動(dòng)化設(shè)計(jì)人員就能得到最好的服務(wù),高效地開發(fā)各種規(guī)模的應(yīng)用,因?yàn)樗麄兛梢栽谧畲蠓秶鷥?nèi)的兼容邊緣就緒設(shè)備的產(chǎn)品組合中選擇所需的產(chǎn)品。

不同項(xiàng)目規(guī)模的自動(dòng)化設(shè)計(jì)


OEM 和最終用戶更喜歡盡可能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化。這將最大限度地減少他們需要訂購和儲(chǔ)備的產(chǎn)品品牌/ 型號的種類,并最大限度地提高用戶的熟悉度和效率。另一方面,好的設(shè)計(jì)要求在每種情況下使用合適的產(chǎn)品。對于小型單元控制應(yīng)用和本地操作,一臺緊湊的PLC 就能實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。在實(shí)施自動(dòng)化的過程中,除非項(xiàng)目規(guī)模和要求達(dá)到一定的規(guī)模,否則在小型輸送機(jī)系統(tǒng)上使用大型PLC功能齊全的邊緣控制器可能不是性價(jià)比最高的方法(見圖1)。

圖1 :選擇的自動(dòng)化控制器必須符合應(yīng)用需求,但設(shè)計(jì)人員希望解決方案同時(shí)支持當(dāng)前和未來的IIoT 連接要求。

設(shè)計(jì)人員會(huì)發(fā)現(xiàn),從同一家族PLC進(jìn)行選擇,為從小型單元控制到大型監(jiān)控設(shè)備的任何應(yīng)用創(chuàng)建可擴(kuò)展且規(guī)模合適的解決方案是最容易的,特別是當(dāng)產(chǎn)品組合提供一致性和以下特性時(shí):

· 各種外形尺寸的本地I/O(基于片式或機(jī)架)、機(jī)上遠(yuǎn)程I/O 和其他形式的I/O,具體取決于目標(biāo)應(yīng)用。

· 可擴(kuò)展選項(xiàng),用戶可以根據(jù)需要選擇內(nèi)存、性能、I/O 能力和運(yùn)動(dòng)控制等高級功能。

· 所有型號都包含1Gb 以太網(wǎng)端口;并且有的型號增加了以太網(wǎng)端口。

· 能夠支持一種或多種現(xiàn)場總線協(xié)議,如PROFINET、Modbus 等。

· 能夠使用OPC UA 與HMI/SCADA 系統(tǒng)以及新型邊緣設(shè)備進(jìn)行安全通信。

· 使用同一通用軟件開發(fā)套件為控制和數(shù)據(jù)處理進(jìn)行配置。

· 獲得安全設(shè)計(jì)產(chǎn)品的2 級認(rèn)證。

尤其重要的是可以通過千兆以太網(wǎng)進(jìn)行安全OPC UA 通信。OPC UA 是一種領(lǐng)先的本地通信協(xié)議,可確保任何OT 控制器隨時(shí)準(zhǔn)備與各種類型的獨(dú)立邊緣操作系統(tǒng)進(jìn)行交互,以向執(zhí)行IIoT 任務(wù)的IT 系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)。這種控制與邊緣處理的分離對于保護(hù)OT 系統(tǒng)免受IT 威脅是至關(guān)重要的。

OT/IT 集成實(shí)現(xiàn)小型化


高速確定性控制需要各種規(guī)模的PLC。當(dāng)應(yīng)用需要更多內(nèi)存和I/O、模塊化可擴(kuò)展性、冗余和集成運(yùn)動(dòng)控制時(shí),大型PLC 可充分發(fā)揮其作用。這些大型PLC 通常還具有支持OT/IT 與邊緣計(jì)算集成和更多協(xié)議選擇的功能。但是對于無數(shù)需要本地控制的小型系統(tǒng)和機(jī)器來說,設(shè)計(jì)邊緣就緒自動(dòng)化的最佳和最具成本效益的方式是什么?設(shè)計(jì)人員不應(yīng)僅僅因?yàn)槭潜镜貞?yīng)用且I/O 數(shù)量少,就被迫犧牲OPC UA、1Gb 網(wǎng)絡(luò)和加密數(shù)據(jù)傳輸?shù)葦?shù)據(jù)相關(guān)功能。

要在不中斷現(xiàn)有自動(dòng)化的情況下僅連接幾個(gè)I/O 點(diǎn),最佳解決方案通常是在小型本地面板或分布式機(jī)器上的I/O 站中添加模塊化I/O。這些可以連接到附近的邊緣就緒PLC,也可以通過PROFINET 總線耦合器連接到任何支持邊緣的控制器或IPC。可能會(huì)首選后者,這樣就不會(huì)干擾當(dāng)前正在運(yùn)行的PLC。

在某些情況下,可能需要從可配置的安全控制器收集數(shù)據(jù),例如可智能配置的安全繼電器。這些設(shè)備中有許多支持PROFINET 等工業(yè)通信協(xié)議,因此可以連接到邊緣就緒或支持邊緣的設(shè)備。主要區(qū)別在于,這些控制器可能還有大量可用的擴(kuò)展和診斷數(shù)據(jù)。

然而,對于許多新機(jī)器和改造的情況來說,最佳解決方案是邊緣就緒的緊湊型PLC控制器(圖2)。這些規(guī)模合適的設(shè)備具有足夠的I/O 來處理常見需求,并且它們可以進(jìn)行編程用于本地控制和/ 或監(jiān)視。這些設(shè)備還可以執(zhí)行數(shù)據(jù)預(yù)處理,例如實(shí)時(shí)計(jì)數(shù)器功能,根據(jù)外部一個(gè)離散量的輸入來累加已生產(chǎn)多少零件。這些緊湊型PLC 使用內(nèi)置以太網(wǎng)口可以將信息傳輸給更高級別的邊緣設(shè)備。

圖2 :艾默生研發(fā)的PACSystems RSTi-EP CPE200 系列緊湊型PLC,具有大型PLC 的功能,如通過1Gb 以太網(wǎng)進(jìn)行安全OPC UA 通信,確保整個(gè)產(chǎn)品組合為IIoT連接做好準(zhǔn)備。

產(chǎn)品組合的優(yōu)勢


有許多類型的緊湊型PLC,但只有少數(shù)幾種可以作為更大的全面產(chǎn)品組合的一部分。這有什么關(guān)系?因?yàn)椴还軝C(jī)器或應(yīng)用的大小如何,用戶希望他們可以使用可擴(kuò)展的解決方案,這樣他們進(jìn)行最少的學(xué)習(xí)、付出最少的努力就可以創(chuàng)建穩(wěn)健的自動(dòng)化項(xiàng)目。只有當(dāng)自動(dòng)化產(chǎn)品供應(yīng)商成為了解挑戰(zhàn)且值得信賴的合作伙伴,并通過提供各種規(guī)模的PLC、邊緣控制器、HMI、SCADA、運(yùn)動(dòng)控制器、伺服和驅(qū)動(dòng)、安全裝置等,讓客戶高枕無憂時(shí),這才有可能實(shí)現(xiàn)。

為了配置這些系統(tǒng),當(dāng)設(shè)計(jì)人員選擇合適的自動(dòng)化設(shè)備時(shí),他們不想學(xué)習(xí)如何使用新的編程環(huán)境。相反,他們更喜歡一致的環(huán)境,這樣所有的配置工作都采用一個(gè)工具集和一個(gè)工具鏈(見圖3)。

圖3 :通過艾默生PACSystems 的PLC、邊緣控制器等產(chǎn)品組合,最終用戶能夠?yàn)槊總€(gè)應(yīng)用選擇合適的自動(dòng)化設(shè)備,同時(shí)保持在一致環(huán)境中開發(fā)的簡單性和高效率。

這種一致性的概念也應(yīng)該適用于控制和邊緣實(shí)現(xiàn)原理。確定性控制與通用分析和邊緣計(jì)算有很大不同。出于性能和網(wǎng)絡(luò)安全的原因,這兩個(gè)域應(yīng)該保持分離,但能夠安全地相互協(xié)作。

確定性側(cè)在特定的所謂護(hù)軌內(nèi)運(yùn)行,以確保系統(tǒng)安全和穩(wěn)健運(yùn)行。邏輯程序經(jīng)常改變,因?yàn)樗敲嫦蛏a(chǎn)的,所以應(yīng)該與存在潛在風(fēng)險(xiǎn)的外部影響隔離,如工廠網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)連接。它需要為OT 人員量身定制,這些人員通常更熟悉梯形圖邏輯和IEC 語言,而不是IT 編程。

邊緣計(jì)算和IIoT 環(huán)境是用其他更以IT 為中心的語言配置的,如Python、C++ 和相關(guān)的應(yīng)用程序。這一方面不僅面向互聯(lián)網(wǎng)(因此必須提供網(wǎng)絡(luò)防御),而且發(fā)展迅速,應(yīng)該更容易在不影響確定性操作的情況下更新。然而,邊緣計(jì)算任務(wù)必須能夠安全地與確定性側(cè)進(jìn)行交互,以收集數(shù)據(jù)并提供操作設(shè)置更新。

一個(gè)全面的自動(dòng)化產(chǎn)品組合應(yīng)包括確定性控制、邊緣計(jì)算、I/O、安全,甚至是設(shè)計(jì)用于協(xié)同工作的運(yùn)動(dòng)控制產(chǎn)品。用戶應(yīng)該只需要學(xué)習(xí)如何使用一套開發(fā)軟件,就能夠一致地進(jìn)行確定性編程,并將其部署在適當(dāng)規(guī)模的平臺上。類似地,無論是部署在邊緣控制器、IPC 還是服務(wù)器上,邊緣代碼和應(yīng)用程序,或者支持邊緣的HMI 軟件套件,都應(yīng)該始終如一地運(yùn)行。

面向未來的自動(dòng)化應(yīng)用


從生產(chǎn)工廠、工作車間、機(jī)器控制到簡單地監(jiān)控幾個(gè)點(diǎn),選用適當(dāng)規(guī)模的自動(dòng)化非常重要。當(dāng)然,應(yīng)根據(jù)自動(dòng)化需求選擇邊緣控制器、大型PLC 和緊湊型PLC 并確定其規(guī)模。而IT/ OT 融合并支持當(dāng)前和未來數(shù)據(jù)處理需求的關(guān)鍵是選擇能夠通過1Gb 以太網(wǎng)連接提供安全OPC UA 的控制器(任何規(guī)模)。該家族的其他產(chǎn)品,如安全控制器、智能I/O 等,也應(yīng)該可以與自動(dòng)化以互補(bǔ)的方式協(xié)作。

為了簡化設(shè)計(jì),使其面向未來,并確保它們?yōu)镮IoT 做好準(zhǔn)備,設(shè)計(jì)人員應(yīng)該尋找一種自動(dòng)化產(chǎn)品組合,在整個(gè)產(chǎn)品范圍內(nèi)提供確定性控制和通用邊緣計(jì)算的一致性,并具有聯(lián)網(wǎng)功能,確保不會(huì)犧牲數(shù)據(jù)收集需求。這將最大限度地減少設(shè)計(jì)工作量,實(shí)現(xiàn)工作的可重用性和可移植性,并為將解決方案部署到各種規(guī)模的應(yīng)用提供最佳靈活性。