边缘控制演化

工业自动化用户和设计人员对所谓的“边缘”非常感兴趣。边缘技术通常被认为包括位于数据来源的机器和传感器附近的硬件和软件。它们可以执行一些计算甚至控制优化任务，也可以将数据传输到更高级别和基于云的系统。访问不断增加的可用数据根据得到的信息采取行动对于改进操作是必要和有价值的。边缘设备结合了提供这些功能的可编程逻辑控制器(plc)和可编程自动化控制器(pac)的功能。

从高层的角度来看，似乎有许多令人满意的选项来执行这些类型的任务。然而，在提供高级计算能力的同时实现工业级的健壮性是一个重大挑战，这缩小了选择的范围。这一需求不仅仅是关于将精简的数据流上传到云端。它还涉及到信息技术(It)和计算能力向下流向正在执行控制的操作技术(OT)领域，以及在边缘生成分析结果的能力。

考虑一辆现代汽车，它使用自动化硬件和软件。司机需要可靠的传动系统管理系统，而辅助系统，如仪表盘导航被认为是重要的，但不那么关键，更可能需要更新。

将可靠性控制与执行高级支持计算的能力相结合(图1)，工业自动化应用是否可能有类似的模型?任何建立在不充分工业化的技术或实现上的设计都可能损害可靠性，因此存在重大挑战。

优化的硬件和软件选项可提供可靠的实时自动化，并结合边缘的通信和计算能力。本文描述了设计人员在评估这些面向未来的边缘解决方案时应该寻找的内容。

工业用控制器和计算

许多控制器和计算组件都被宣传为适合工业优势，但了解一些区别和底层设计细节是很重要的，这样用户才能确保他们得到他们期望的东西。一些产品使用带有软件虚拟化和模拟控制运行时的PC体系结构，可能不够健壮，无法满足工业使用的需求。其他产品使用两个单独的处理器来实现控制运行时和通用计算功能，这是昂贵的。

两个设计术语通常与边缘实现相关:硬件独立和软件定义。

独立于硬件边缘实现涉及旨在在任何工业硬件平台上运行的软件。这种灵活性可以是一种便利，但它通常需要某种程度的牺牲或风险。例如，可能存在深奥的不兼容性或缺乏关于确定性、兼容性或性能的保证，并且某些升级通常需要停机。硬件独立性主要是一种消费级模型，但它适用于某些类型的工业应用程序。

软件定义实现经过更严格的测试，以交付可靠、可重复和安全控制和计算所需的确定性性能。这对于工业控制应用是至关重要的，但通常需要定制的硬件。

虽然通用计算解决方案可能适用于非控制应用，但大多数工业控制情况需要更多的东西。多年来，工业自动化项目已经使用plc和最近的pac来提供确定性控制，两者都提供了15年左右的长生命周期。

然而，plc / pac在提供通用边缘计算方面相当有限。它们往往缺乏运行现代分析或可视化应用程序所需的处理能力、内存和存储，这些应用程序通常在微软Windows和Linux操作系统中可用。工业pc (ipc)可以提供所需的通用功能和性能，但在加载第三方软件时往往缺乏实时操作所需的可靠性，并且通常寿命为5年或更短。

一个组合的解决方案是理想的，但是独立于硬件的设计不能跨确定性和非确定性应用程序提供必要的性能保证。只有在经过验证的硬件上实现的软件定义设计才能提供关键任务操作所需的性能，同时使分析和机器学习能够并行工作。

边缘计算可靠性可以进化

市场上有一些独立于硬件的边缘计算解决方案，它们适用于某些形式的数据收集、分析和可视化。然而，商业级解决方案可能会遇到工业级使用无法接受的故障。当最终用户需要接近实时性能的系统，而这些系统需要始终在线操作，并且不能接受甚至是为了安全或其他更新而短暂停机时，就需要一个更好的解决方案。

增强的数据和分析功能对动态数据进行操作，因此这些计算在接近源时最有效，例如在PLC中。高速控制与边缘计算相结合是比边缘计算本身更高层次的价值主张。这是因为低延迟数据可以实时收集和分析。由此产生的见解可以付诸行动，而无需绑定操作人员或不可靠的多系统接口。像机器学习(ML)这样的高级任务依赖于边缘定位的数据访问和计算。

正确的边缘控制/计算设计应该允许边缘控制和计算的确定性和通用方面在各自的空间中以自己的速度发展。真边控制如果架构正确，可以满足最终用户的需求。

四边控制器特点

为了在边缘正确地合并确定性控制和分析计算，需要一种新的硬件(图2)，特别是当它具有正确的特性时:

• 用于控制的确定性实时操作系统(RTOS)，很少需要更新。
• 用于计算的通用操作系统(GPOS)，可以随意升级，添加新应用程序或机器学习算法等功能，或提供安全更新。
• 硬件虚拟化确保了RTOS和GPOS的相互依赖，因此每个操作系统都可以独立运行，甚至可以重新启动。
• 两个操作系统安全地交互的能力，因此GPOS可以从RTOS获取数据，因此GPOS可以通知RTOS最佳设置。

真正的边缘控制器不能通过在任何通用硬件上运行任何类型的软件来形成。相反，由hypervisor管理的专用硬件组织硬件的一部分专门用于运行RTOS，另一部分用于运行GPOS。

虽然RTOS在某些方面对时间要求很高，但确定性功能由现代硬件在一个精心设计的边缘控制器中执行。关键是确保GPOS功能不干扰RTOS，除了特定的安全通信。

到边缘和超越与工业控制器

下一个问题是，一旦有了工业级边缘控制器，可以用它做什么?

在最简单的情况下，边缘控制器就像控制应用中的PLC/PAC一样。它使用标准的工业I/O操作，并支持标准的开放通信协议。边缘控制器还可用于从PLC/PAC和其他OT传感器和数据源收集和存储数据，处理和分析这些数据，然后可视化或共享给客户端应用程序和/或PC等更高级别的IT系统(图3)。然而，当标准PLC/PAC或IPC可以服务时，大多数用户不会选择仅为这些专用目标之一实现这样一个功能强大的边缘控制器。

一个真正的边缘控制器可以完成这些角色。这就是未来工业控制系统(ICS)需要向能够以可靠的方式将IT功能投射到OT环境的边缘控制器硬件/软件发展的方向。

边缘控制器与plc, pac, ipc: 3个优点

考虑这三个真正的边缘控制器的例子在比较中脱颖而出使用传统的plc / pac和ipc:

• 管理应用程序:边缘控制器与多台plc控制的机器集成在一起，提供了在访问数据和逻辑时协调/同步单个资产的优势，因此用户也可以优化线路性能。例如，如果下游机器遇到问题，可以减慢上游机器的速度以防止过载。或者，如果产品在质量参数上呈负面趋势，则可以实时调整上游操作以进行补偿。
• 机械健康:边缘控制器允许机器主动跟踪周期、警报、质量率等。通过了解各个部件的状态，机器可以主动补偿磨损或其他问题，无需人工干预。它还允许操作员直接访问信息，甚至在本地HMI上查看信息以及标准的机器操作功能。
• 能源优化:边缘控制器可以主动跟踪能源使用的增加、异常或其他问题，并发送警报，甚至主动进行更改。通过访问能源价格或其他相关数据，可以对机器进行编程，以进行调整(降低费率，降低温度等)，甚至在维持运行成本最高的时候自行闲置。

控制器和工业自动化的未来

终端用户多年来一直使用可靠的实时控制平台。除了这一要求外，对数据可访问性和网络安全的需求也在不断增长。传统的plc / pac / pc和一些较新的边缘解决方案可以提供最终用户所需的部分内容。

plc / pac以及工业自动化的真正未来是广泛采用现代边缘控制，这是由专门设计的边缘控制器实现的。构建在通用硬件上或依赖于消费级软件的解决方案在有限的情况下可以满足需求。

然而，现代边缘解决方案所提供的内在可靠性和边缘定位性能是满足当前和未来工业控制系统需求的唯一完整答案。

德里克·托马斯。营销和独立销售副总裁是干什么的艾默生的机器自动化解决方案业务．由网页内容经理克里斯·瓦夫拉编辑，控制工程， CFE媒体与技术，cvavra@cfemedia.com．

更多的答案

关键词:边缘计算，边缘控制器

考虑一下这个

你在哪里成功地使用边缘控制器，结果如何?

您是否具有本内容中提到的主题的经验和专业知识?你应该考虑为我们的CFE媒体编辑团队做出贡献，并获得你和你的公司应得的认可。点击在这里开始这个过程。