真正的边缘控制器能站起来吗?

如今，越来越多的参与者带着他们自己的用于工业自动化服务的边缘控制器加入工业物联网领域。终端用户、系统集成商和机器原始设备制造商对具有强大计算和网络功能的联网产品的需求很大，前提是它们能保持传统控制设备的无懈可击的可靠性。边缘控制器承诺做到这一切，同时易于使用和安全。

本文将讨论与可视为边缘控制器的任何设备相关的几个特性。用户需要了解这些功能——以及它们是如何实现的细节——以便对哪种边缘控制器适合他们的应用程序做出明智的决定。

我们是怎么走到这一步的

工业自动化设备的发展可以追溯到20世纪60年代，当时数字控制器或可编程逻辑控制器(plc)开始取代机电继电器开关。这些plc更多功能，不是硬连接，提高了效率，只占用了一小部分机柜空间。

到目前为止，plc非常适合于简单、可重复的过程，这些过程需要执行，并且可以通过书面逻辑管理输入和输出(I/O)来控制。

到21世纪初，具有更先进功能的plc开始生产。它们被称为可编程自动化控制器(pac)，以区别于更简单的种类。将控制器定义为PAC的一般标准包括编程(如C/ c++)的更大灵活性，使用标准协议的更好互操作性，模块化开放架构设计，以及在多个领域(如过程控制、离散控制和运动控制)中具有更多的特性和功能。

在当今的互联世界中，无论是使用PLC还是PAC，都需要边缘技术来访问孤立的或搁浅的数据，从其他业务/互联网结构中收集数据，并整合信息以产生新的见解和机会。特别是，边缘控制器是plc / pac的进化，将确定性控制功能与非确定性边缘功能集成到单个平台中。

那么，定义现代边缘控制器的特征是什么呢?一个设备是一个边缘控制器，因为它通过以太网通信，或者它可能有一个web服务器或其他通用应用程序添加?如果添加正确的软件，笔记本电脑或移动电话可以成为边缘控制器吗?如何优先考虑确定性plc类型的控制与通用计算方面的比较?

边缘的本质

由于边缘控制器类别对行业来说相对较新，因此有多种实现变体。这些范围从在PLC上提供一个简单的web服务器到在PAC上具有OPC UA功能。还记得工业从继电器到PLC，再从PLC到PAC的飞跃吗?真正的边缘控制器是PAC的一个更大的进化，应该设计成一种方式来提供边缘技术的好处，而不剥夺工业控制器所必需的基本条件。

首先，边缘控制器是一种工业自动化控制器，需要提供实时确定性来控制机器或过程。一个真正的边缘控制器应该包括:

• 一个能够以安全和合作的方式运行确定性控制和非确定性应用程序的单一平台，这样两者都不会无意中影响对方的性能。理想情况下，它可以用两个独立的操作系统(OS)来完成——一个用于确定性控制的实时操作系统(RTOS)和一个用于边缘应用的通用操作系统(GPOS)，如Linux。
• 强大的开源编程能力，如Python和C/ c++，能够创建更好的边缘和分析应用程序。
• 一个开放的可扩展平台，使用户能够在已建立的工业边缘应用程序的基础上进行构建，或从头开始创建和部署他们自己的应用程序(或两者都有)，以生成他们所需的见解。

上述定义的边缘控制器质量允许用户按照自己的节奏实现IIoT功能。如果他们已经准备好了，他们可以从今天开始小规模地开始，或者以后开始并扩大规模。无论他们处于数字化转型之旅的哪个阶段，他们都可以使用边缘控制器来控制他们的机器或过程，具有传统工业控制器的可靠性、确定性和安全性。

边缘控制器实现

让我们更深入地了解实现边缘控制器所需的关键注意事项(参见图1)。

硬件:边缘控制器，就像它们的PLC/PAC前辈一样，必须能够承受工厂和现场环境。温度可能是最大的挑战，但振动、湿度和污染物也应该考虑在内。增加CPU内核以提供更好的计算性能会产生更多的热量，硬件的设计需要确保在整个温度范围内性能一致，没有任何故障点，如旋转风扇。

确定的控制:管理任何关键的自动化流程都需要实时确定的操作系统。通用操作系统根本无法提供任何直接工业控制应用所需的确定性和鲁棒性。使用RTOS实现边缘控制器有助于确保始终保持控制器的响应性和确定性。这就是为什么边缘控制器需要运行像VxWorks这样的RTOS来进行确定性控制，然后运行像Linux这样的GPOS来进行边缘计算。

虚拟化一种边缘控制方法是使用传统的PLC处理器与协处理器相结合，作为单独的卡安装在同一个机箱中。第二种方法是使用带有实时管理程序的单个独立边缘控制器，将多核处理器编排到隔离的虚拟机(vm)中，从而在单个硬件平台上实现确定性和通用计算独立性。

实时管理程序将硬件资源(处理器核心、内存和网络接口)分割，并将它们分配给运行单独操作系统的每个VM。这种分段允许RTOS以一种安全和协作的方式与GPOS工作，而不会对性能造成影响——这意味着您可以重新启动GPOS，而不会对运行关键进程的RTOS造成影响。

这一功能非常重要，因为用户希望RTOS关键控制始终处于开启状态，在一致的水平上执行，即使他们以更快的速度更新GPOS边缘分析以获得更好的见解。此外，从网络安全的角度来看，隔离的虚拟机通过更容易地限制外部对RTOS的访问来提供更好的安全性。

基于应用程序的边缘架构:对于许多用户来说，一个关键的边缘控制器特性是除了核心确定性控制功能之外，有多少通用边缘应用程序和什么样的通用边缘应用程序可用于优化流程或机器控制(见图2)。通用应用程序可以包括以下任何组合:

• 人机界面(HMI)机器可视化。
• MQTT用于云连接。
• Node-RED用于可视化连接数据流。
• 用于分析和交互式数据仪表板的Grafana。
• 还有更多!

这些应用程序可以在GPOS下正常运行。然而，更有效的方法是将这些应用程序容器化——将应用程序的代码与相关文件和依赖项捆绑在一起——以获得最佳的独立性和应用程序间通信的控制。就像硬件虚拟化确保每个操作系统都可以独立管理甚至重新启动一样，容器化平台(如Docker)为应用程序提供了这些功能，使用户能够测试、部署和扩展配置。

演化边缘控制器

在一天结束的时候，工业用户需要真正的边缘控制器解决方案，更坚固的完成工作。根据应用的不同，他们要求产品在边缘可靠地运行，提供设备的实时确定性控制(见图3)。这种能力应该与边缘计算相补充，使访问被捕获的机器数据、执行计算、提供其他应用体验(如可视化)以及与其他企业资源通信成为可能。边缘控制器可以实现更好的结果。

任何边缘控制器都可以满足这些需求，但经过深思熟虑的实现将使用户处于技术前沿，而不会导致停机或风险。为了获得最佳性能，用户应该坚持使用边缘控制器实现，首先是工业控制器，但要精心设计，以安全和协作的方式运行边缘计算功能。

原始内容可以在设备工程．

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