如何選擇邊緣控制器、大型PLC和緊湊型PLC？

工業(yè)自動(dòng)化設(shè)計(jì)人員希望開發(fā)各種規(guī)模的支持工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）的自動(dòng)化解決方案，以實(shí)現(xiàn)面向未來的自動(dòng)化應(yīng)用。

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，這些用戶正在努力的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)訪問和互聯(lián)這一次要目標(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(yíng)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(shí)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?a target="_blank">信息技術(shù)（IT）資源中，然后對(duì)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(zhǎng)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(gòu)和儲(chǔ)備的產(chǎn)品品牌/ 型號(hào)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(duì)于小型單元控制應(yīng)用和本地操作，一臺(tái)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 或功能齊全的邊緣控制器可能不是性價(jià)比最高的方法。

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 中進(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(jí)功能。

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

? 能夠支持一種或多種現(xiàn)場(chǎng)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(jí)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(duì)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(duì)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(duì)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(jí)別的邊緣設(shè)備。

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(shì)

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。

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(jiǎn)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(yǔ)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(yǔ)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(tái)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(jiǎn)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(jiǎn)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。

本文來自于控制工程中文版（CONTROL ENGINEERING China）2022年3月刊《技術(shù)文章》欄目：如何幫助自動(dòng)化設(shè)計(jì)人員選擇適合的硬件和軟件？