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上海?業(yè)?動(dòng)化儀表研究院，PLCopen中國組織彭瑜

OT和IT融合的趨勢是推動(dòng)開放?動(dòng)化發(fā)展的重要因素。傳統(tǒng)的?業(yè)控制系統(tǒng)的專?性和封閉性導(dǎo)致了數(shù)據(jù)?法?由流動(dòng)，開放?動(dòng)化的體系架構(gòu)從根本上摒棄了這些弊端，為促進(jìn)OT和IT的融合開辟了成功的路徑。近些年來，?業(yè)互聯(lián)?和?業(yè)物聯(lián)?迅速發(fā)展，開放?動(dòng)化的?向依然受到特別的關(guān)注。OT和IT的加速融合對未來?動(dòng)化架構(gòu)的影響將是巨?的。越來越多的關(guān)鍵功能正在變成基于軟件，?硬件正在變得更加標(biāo)準(zhǔn)化和更加商品化（或者叫做開放硬件），虛擬化正在加固硬件中的軟件。?業(yè)邊緣計(jì)算正在整合經(jīng)典的?動(dòng)化系統(tǒng)，成為邊緣?動(dòng)化平臺(tái)，這將使這些應(yīng)?隨著OT和IT在邊緣的融合?變得更具有IT的特性。邊緣?動(dòng)化平臺(tái)創(chuàng)建了傳統(tǒng)?動(dòng)化系統(tǒng)通常缺乏的IT環(huán)境，這促使?業(yè)邊緣計(jì)算成為邊緣計(jì)算應(yīng)?中最具發(fā)展?jié)?和經(jīng)濟(jì)效益的?個(gè)領(lǐng)域，也是?對的應(yīng)?場景最多、技術(shù)最綜合最復(fù)雜、對標(biāo)準(zhǔn)化需求最迫切的領(lǐng)域，因此吸引了許多傳統(tǒng)的?業(yè)?動(dòng)化企業(yè)和IT企業(yè)的重視和推動(dòng)。

1　傳統(tǒng)?動(dòng)化系統(tǒng)增強(qiáng)?業(yè)邊緣計(jì)算能?的?案和實(shí)踐

當(dāng)前?業(yè)邊緣控制器問世多年，將?業(yè)級OT控制與IT型計(jì)算結(jié)合在?個(gè)緊湊的結(jié)構(gòu)中，?以在邊緣位置?存發(fā)展。其強(qiáng)有?的實(shí)現(xiàn)建?在使?硬件虛擬化來確保控制器的確定性運(yùn)?，?且獨(dú)?于邊緣計(jì)算的各種功能。其結(jié)果是在硬件和軟件級別提供OT和IT環(huán)境的嚴(yán)格隔離。因此，采??業(yè)邊緣控制器與通常的PLC/PAC組合設(shè)計(jì)為?動(dòng)化系統(tǒng)，不僅可以獲得邊緣計(jì)算的各種功能，?且也完全繼承了原有的確定性控制邏輯。如果?業(yè)邊緣控制器的確定性部分運(yùn)?與PLC/PAC相同的內(nèi)核，并使?相同的集成開發(fā)環(huán)境，系統(tǒng)的運(yùn)?將更加順暢。在這種情況下，僅將邊緣控制器用于大幅提升IT計(jì)算能力，并與PLC/PAC連接，甚至可以不使用一行控制邏輯程序。這是?種實(shí)?的?法：邊緣控制器可以安裝在???間的任何地?，就像PLC/PAC?樣，?個(gè)邊緣控制器可以與多個(gè)PLC/PAC以及與傳感器或其他儀表聯(lián)?，成為與?業(yè)互聯(lián)?連接的?關(guān)，同時(shí)承擔(dān)集中信息和處理信息的?具。?戶配置邊緣控制器來收集數(shù)據(jù)，提供可視化托管，并根據(jù)需要對數(shù)據(jù)進(jìn)?預(yù)處理（如過濾、平均，甚?執(zhí)?本地分析），并將信息轉(zhuǎn)發(fā)給更?級別的系統(tǒng)。?戶可以按照??的節(jié)奏添加和擴(kuò)展這種?業(yè)物聯(lián)?的功能，?不會(huì)影響任何底層?動(dòng)化系統(tǒng)。盡管邊緣控制器的單獨(dú)控制和計(jì)算能?很重要，但通過將它們組合在?起?持和擴(kuò)張應(yīng)?，?戶可以獲得最?的優(yōu)勢。如圖1所示，確定性的“內(nèi)環(huán)”直接訪問現(xiàn)場數(shù)據(jù)并控制設(shè)備，邊緣計(jì)算的“外環(huán)”結(jié)合了確定性數(shù)據(jù)和來?外部來源或分析的實(shí)時(shí)信息，為“內(nèi)環(huán)”提供操作參數(shù)和調(diào)整建議，以實(shí)現(xiàn)最佳效率。在這?，邊緣控制器通過針對檢測、預(yù)處理、分析決策和動(dòng)作的功能實(shí)施優(yōu)化的集成編程，實(shí)現(xiàn)了?縫地結(jié)合OT和IT的運(yùn)?操作。

圖1 在邊緣控制器內(nèi)可?縫地結(jié)合OT和IT的運(yùn)?操作

與傳統(tǒng)的PLC和PAC相?，邊緣控制器的性能呈指數(shù)級增?，因此添加更多語?和應(yīng)?是順理成章的。這并不意味著最終?戶需要放棄他們的體驗(yàn)，或者?即接受所有新增的功能。相反，精?設(shè)計(jì)的邊緣控制器仍然與現(xiàn)有的PLC和PAC?態(tài)系統(tǒng)?度兼容，因此?戶可以繼續(xù)建?他們的OT知識庫。當(dāng)他們準(zhǔn)備將應(yīng)?擴(kuò)展到IT領(lǐng)域時(shí)，相同的邊緣控制器提供了?個(gè)通?的計(jì)算平臺(tái)，有效地為他們的應(yīng)?程序提供了未來的保障。

使?邊緣控制器作為增強(qiáng)PLC/PAC的?案其價(jià)值在于，邊緣控制器本?就具備運(yùn)?可視化、數(shù)據(jù)連接、分析應(yīng)?等功能，當(dāng)?戶準(zhǔn)備利?這些功能時(shí)不需要額外添加硬件，也不需要進(jìn)?切換或物理綁定，甚至不需要中斷?動(dòng)化應(yīng)?的執(zhí)?。原有的?動(dòng)化控制系統(tǒng)依然在發(fā)揮作?，還可以靈活地使?邊緣功能擴(kuò)展其應(yīng)?，將原有系統(tǒng)與?業(yè)互聯(lián)?/?業(yè)物聯(lián)?連接，形成了云-邊-端的架構(gòu)。

?前國內(nèi)已有?些?業(yè)?動(dòng)化企業(yè)研發(fā)并開始批量?產(chǎn)制造系列化的?業(yè)邊緣計(jì)算產(chǎn)品，并圍繞?業(yè)邊緣計(jì)算和控制推出了邊緣智能可編程控制器、邊緣智能I/O、邊緣智能?作站、邊緣服務(wù)器和邊緣智能軟件平臺(tái)，為云-邊-端架構(gòu)下的智能制造提供了成套解決?案，包括數(shù)字化矩陣式?作島群、邊緣計(jì)算數(shù)據(jù)中?、智能倉儲(chǔ)和物流調(diào)度、邊緣計(jì)算分析等功能，并已經(jīng)應(yīng)?于多種?業(yè)的邊緣智能系統(tǒng)。上述產(chǎn)品基本上是針對新建項(xiàng)?和新建?產(chǎn)線的。對于?量現(xiàn)有的?業(yè)?產(chǎn)企業(yè)已經(jīng)裝備了的傳統(tǒng)控制系統(tǒng)，上述通過?業(yè)邊緣計(jì)算控制器創(chuàng)建?個(gè)能與?業(yè)互聯(lián)?融合聯(lián)通和協(xié)同的路徑，是?種具有實(shí)?價(jià)值的創(chuàng)新。另外選??持原有?系統(tǒng)的?業(yè)邊緣?關(guān)也是可以考慮的?案。?業(yè)邊緣?關(guān)通常是加固的?業(yè)計(jì)算機(jī)，具備連接到PLC、驅(qū)動(dòng)器和其他邊緣設(shè)備的通信功能，通過運(yùn)?適當(dāng)?shù)闹虚g件軟件，便可以理清信息的來?去脈和情境化（contextualization），并將其映射到數(shù)據(jù)企業(yè)軟件和數(shù)據(jù)庫。

2　關(guān)于?業(yè)邊緣計(jì)算的編程語?討論

?業(yè)邊緣計(jì)算設(shè)備的終極功能是感知和控制物理過程，運(yùn)?本地程序，并與?業(yè)控制器、??運(yùn)營系統(tǒng)、企業(yè)業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)和云應(yīng)?程序通信。其主要價(jià)值是就近在實(shí)際?產(chǎn)的地點(diǎn)捕獲實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，執(zhí)?包括數(shù)據(jù)分析等在內(nèi)的應(yīng)?程序，以極低的延遲實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)時(shí)間，以低成本通信的?式傳遞?量制造基礎(chǔ)信息。顯然，這個(gè)??在分布式制造架構(gòu)中起著IT/OT融合作?，為此加強(qiáng)和推進(jìn)?業(yè)邊緣計(jì)算的設(shè)施和能??先要從?業(yè)邊緣計(jì)算的編程語?考慮。這就是說對于?業(yè)邊緣控制器系統(tǒng)來講，其編程語?和?具需要：

（1）確定性控制引擎必須?持IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)和C語?，這是穩(wěn)定運(yùn)?的基本保證。

（2）編程語?和?具靈活多樣，可以根據(jù)要求不同?變化，也就是不恪守單?的編程語?，?采?具有多樣化的編程標(biāo)準(zhǔn)，以及?戶定義的數(shù)據(jù)類型。

（3）同樣，功能塊也可以采?多樣化的編程語?標(biāo)準(zhǔn)，并可由?戶定義。

（4）能夠運(yùn)?開源應(yīng)?程序，如圖形化編程?具Node-RED和數(shù)據(jù)可視化?具Grafana，以及商業(yè)和定制應(yīng)?程序。

（5）可使?C/C++、Python和其他適?于機(jī)器學(xué)習(xí)和??智能等應(yīng)?程序的現(xiàn)代語?編程。

?業(yè)邊緣控制器系統(tǒng)應(yīng)該?持?向?qū)ο蟮耐ㄐ艆f(xié)議（如OPCUA），以實(shí)現(xiàn)在確定性控制程序和分析/決策應(yīng)?程序之間?縫傳輸數(shù)據(jù)；?持以O(shè)T為中?的通信協(xié)議，即IEC1158所規(guī)范的通信協(xié)議，諸如Modbus、Profibus和Profinet等；?持以IT為中?的通信協(xié)議，如MQTT和HTTPS。

此外，邊緣控制器的通?計(jì)算部分采?基于Linux操作系統(tǒng)，便于邊緣控制器可以運(yùn)?各種各樣的?實(shí)時(shí)計(jì)算和分析的?戶程序，還可以獨(dú)?于確定性控制部分啟動(dòng)和升級。Linux是輕量級的?性能OS，與其它操作系統(tǒng)平臺(tái)相?需要更少的CPU和RAM的資源。?戶還可以利?預(yù)裝的?業(yè)邊緣平臺(tái)軟件加速數(shù)字化轉(zhuǎn)型項(xiàng)?所需的應(yīng)?。

圖2是艾默?邊緣控制器ControlLogic的軟件框圖。

圖2 艾默?邊緣控制器ControlLogic的軟件框圖

總之，具有這些特性的真正邊緣控制器是當(dāng)今實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)確定性控制，并利?現(xiàn)在和未來邊緣計(jì)算發(fā)展的最佳選擇。

作者簡介：

彭　瑜（1938-），男，湖南長沙人，教授級高級工程師，上海工業(yè)自動(dòng)化儀表研究院教授級高工、顧問，PLCopen中國組織名譽(yù)主席。迄今為止，已經(jīng)為中國工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展服務(wù)了50多年，涉及流程工業(yè)、離散制造業(yè)等領(lǐng)域的檢測、控制、生產(chǎn)制造、執(zhí)行管理等多個(gè)方面。

摘自《自動(dòng)化博覽》2024年第二期暨《邊緣計(jì)算2024專輯》