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            邊緣控制器、大型PLC和緊湊型PLC,如何選擇?

            發表時間::2022-11-23

            作者:Vibhoosh Gupta


             

            工業自動化設計人員希望開發各種規模的支持工業物聯網(IIoT)的自動化解決方案,以實現面向未來的自動化應用。


            工業自動化設計人員必須始終關注基本設備操作和安全。但現在,這些用戶正在努力的實現數據訪問和互聯這一次要目標的方法,這些目標通常被描述為工業物聯網 (IIoT)功能或邊緣通信能力。有時,這些用戶希望從一開始就內置 IIoT 功能,而在其他情況下,他們只是希望確保他們的系統經得起未來的考驗,以后可以輕松添加 IIoT。


            近年來,涉及運營技術(OT)控制的工業制造最終用戶和機器制造原始設備制造商(OEM)開始認識到,他們的自動化系統中的數據具有非常大的潛在價值。訪問這些數據,并將其傳輸到方便的地方,如本地或基于云的信息技術(IT)資源中,然后對其進行分析并采取措施,可以使這些用戶更高效地運行他們的系統,提高安全性,并最大限度地延長正常運行時間。


            在這一領域,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、通信協議和網絡解決方案,以便在一系列硬件產品上運行,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、運動控制、網關、人機界面(HMI)和工控機(IPC)。


            歸根結底,有了這么多的選擇和可能性,工業自動化設計人員就能得到最好的服務,高效地開發各種規模的應用,因為他們可以在最大范圍內的兼容邊緣就緒設備的產品組合中選擇所需的產品。


            不同項目規模的自動化設計


            OEM 和最終用戶更喜歡盡可能實現自動化設計的標準化。這將最大限度地減少他們需要訂購和儲備的產品品牌/ 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,好的設計要求在每種情況下使用合適的產品。對于小型單元控制應用和本地操作,一臺緊湊的PLC 就能實現這一目標。在實施自動化的過程中,除非項目規模和要求達到一定的規模,否則在小型輸送機系統上使用大型PLC 或功能齊全的邊緣控制器可能不是性價比最高的方法(見圖1)。



            圖1 :選擇的自動化控制器必須符合應用需求,但設計人員希望解決方案同時支持當前和未來的IIoT 連接要求。


            設計人員會發現,從同一家族PLC 中進行選擇,為從小型單元控制到大型監控設備的任何應用創建可擴展且規模合適的解決方案是最容易的,特別是當產品組合提供一致性和以下特性時:

            ? 各種外形尺寸的本地I/O(基于片式或機架)、機上遠程I/O 和其他形式的I/O,具體取決于目標應用。


            ? 可擴展選項,用戶可以根據需要選擇內存、性能、I/O 能力和運動控制等高級功能。


            ? 所有型號都包含1Gb 以太網端口;并且有的型號增加了以太網端口。


            ? 能夠支持一種或多種現場總線協議,如PROFINET、Modbus 等。


            ? 能夠使用OPC UA 與HMI/SCADA 系統以及新型邊緣設備進行安全通信。


            ? 使用同一通用軟件開發套件為控制和數據處理進行配置。


            ? 獲得安全設計產品的2 級認證。


            尤其重要的是可以通過千兆以太網進行安全OPC UA 通信。OPC UA 是一種領先的本地通信協議,可確保任何OT 控制器隨時準備與各種類型的獨立邊緣操作系統進行交互,以向執行IIoT 任務的IT 系統傳輸數據。這種控制與邊緣處理的分離對于保護OT 系統免受IT 威脅是至關重要的。


            OT/IT 集成實現小型化


            高速確定性控制需要各種規模的PLC。當應用需要更多內存和I/O、模塊化可擴展性、冗余和集成運動控制時,大型PLC 可充分發揮其作用。這些大型PLC 通常還具有支持OT/IT 與邊緣計算集成和更多協議選擇的功能。但是對于無數需要本地控制的小型系統和機器來說,設計邊緣就緒自動化的最佳和最具成本效益的方式是什么?設計人員不應僅僅因為是本地應用且I/O 數量少,就被迫犧牲OPC UA、1Gb 網絡和加密數據傳輸等數據相關功能。


            要在不中斷現有自動化的情況下僅連接幾個I/O 點,最佳解決方案通常是在小型本地面板或分布式機器上的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??赡軙走x后者,這樣就不會干擾當前正在運行的PLC。


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


            然而,對于許多新機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)。這些規模合適的設備具有足夠的I/O 來處理常見需求,并且它們可以進行編程用于本地控制和/ 或監視。這些設備還可以執行數據預處理,例如實時計數器功能,根據外部一個離散量的輸入來累加已生產多少零件。這些緊湊型PLC 使用內置以太網口可以將信息傳輸給更高級別的邊緣設備。



            圖2 :艾默生研發的PACSystems RSTi-EP CPE200 系列緊湊型PLC,具有大型PLC 的功能,如通過1Gb 以太網進行安全OPC UA 通信,確保整個產品組合為IIoT連接做好準備。


            產品組合的優勢


            有許多類型的緊湊型PLC,但只有少數幾種可以作為更大的全面產品組合的一部分。這有什么關系?因為不管機器或應用的大小如何,用戶希望他們可以使用可擴展的解決方案,這樣他們進行最少的學習、付出最少的努力就可以創建穩健的自動化項目。只有當自動化產品供應商成為了解挑戰且值得信賴的合作伙伴,并通過提供各種規模的PLC、邊緣控制器、HMI、SCADA、運動控制器、伺服和驅動、安全裝置等,讓客戶高枕無憂時,這才有可能實現。


            為了配置這些系統,當設計人員選擇合適的自動化設備時,他們不想學習如何使用新的編程環境。相反,他們更喜歡一致的環境,這樣所有的配置工作都采用一個工具集和一個工具鏈(見圖3)。


            圖3 :通過艾默生PACSystems 的PLC、邊緣控制器等產品組合,最終用戶能夠為每個應用選擇合適的自動化設備,同時保持在一致環境中開發的簡單性和高效率。


            這種一致性的概念也應該適用于控制和邊緣實現原理。確定性控制與通用分析和邊緣計算有很大不同。出于性能和網絡安全的原因,這兩個域應該保持分離,但能夠安全地相互協作。


            確定性側在特定的所謂護軌內運行,以確保系統安全和穩健運行。邏輯程序經常改變,因為它是面向生產的,所以應該與存在潛在風險的外部影響隔離,如工廠網絡和互聯網連接。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。


            邊緣計算和IIoT 環境是用其他更以IT 為中心的語言配置的,如Python、C++ 和相關的應用程序。這一方面不僅面向互聯網(因此必須提供網絡防御),而且發展迅速,應該更容易在不影響確定性操作的情況下更新。然而,邊緣計算任務必須能夠安全地與確定性側進行交互,以收集數據并提供操作設置更新。


            一個全面的自動化產品組合應包括確定性控制、邊緣計算、I/O、安全,甚至是設計用于協同工作的運動控制產品。用戶應該只需要學習如何使用一套開發軟件,就能夠一致地進行確定性編程,并將其部署在適當規模的平臺上。類似地,無論是部署在邊緣控制器、IPC 還是服務器上,邊緣代碼和應用程序,或者支持邊緣的HMI 軟件套件,都應該始終如一地運行。


            面向未來的自動化應用


            從生產工廠、工作車間、機器控制到簡單地監控幾個點,選用適當規模的自動化非常重要。當然,應根據自動化需求選擇邊緣控制器、大型PLC 和緊湊型PLC 并確定其規模。而IT/ OT 融合并支持當前和未來數據處理需求的關鍵是選擇能夠通過1Gb 以太網連接提供安全OPC UA 的控制器(任何規模)。該家族的其他產品,如安全控制器、智能I/O 等,也應該可以與自動化以互補的方式協作。


            為了簡化設計,使其面向未來,并確保它們為IIoT 做好準備,設計人員應該尋找一種自動化產品組合,在整個產品范圍內提供確定性控制和通用邊緣計算的一致性,并具有聯網功能,確保不會犧牲數據收集需求。這將最大限度地減少設計工作量,實現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模的應用提供最佳靈活性。


            - END -

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