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      彭瑜談邊緣可編程工業控制器和邊緣計算的技術發展

      2021/7/28 0:33:10 人評論 次瀏覽 分類:熱點聚焦  文章地址:http://www.alakris.com/news/3908.html

      在工業控制領域中,可編程控制器PLC是棵不老松。PLC這門技術生成的產品和由這類產品構成的系統具有適應性強,性能可靠,性價比符合市場和用戶期望等特點;同時它能夠與時俱進,不斷吸收新的IT技術,融會貫通到工業實踐中,在智能制造、工業互聯網等發展趨勢中尋求轉型,尋求技術進步,改造自己,滿足復雜的需求。于是PLC就逐漸演變為一個代名詞或者就是一個符號,內涵在基本保持的前提下不斷充實,外沿也在伸展。如果以為PLC還是與幾十年前出現時那樣一成不變,豈不成了《桃花源記》中描述的“問今是何世,乃不知有漢,無論魏晉”。

      當今PLC技術發展一個明顯的趨勢是:PLC系統今后一定是集實時控制和非實時數據分析于一身,也就是實時控制和非實時的數據分析一體化。按照杜品圣博士的分析:“現在PLC控制系統不僅僅要對生產制造的實時性的控制數據進行處理和分析,而且要對大量的具有分析、歸納、總結的非實時數據進行處理。因此為了滿足智能制造生產模式的需求,控制器本身要進行軟件、功能和硬件結構等多方面的變革??刂破鬟@種內因本身的變化,再加上融合外因的變化,才能實現智能制造的目標?!?/span>

      1、邊緣計算的重要性不容低估

      Gartner在2018年估計,到2022年工業物聯網的數據分析將有一半以上會在邊緣計算側進行,而當時這個比例低于10%。這表明邊緣計算的潛力越來越被挖掘出來,四年的進程就把邊緣計算的應用大大向前推進。

      邊緣計算有多種多樣的形式,一般把所有不在數據中心進行的任意計算統稱為邊緣計算。這樣一個寬泛的定義將邊緣計算從IT工業擴展到現在常被稱為OT,即自動化和控制工業。Gartner發布了一個簡單的拓撲圖(見圖1),由圖可知邊緣計算涉及相當廣泛的方面,涵蓋:設備邊緣,路由器邊緣,計算邊緣,本地數據中心邊緣,區域數據中心邊緣等。其中,設備邊緣包括嵌入式設備、PLC、可穿戴設備,以及智能手機等。這樣寬泛的定義使每個從事工業的人士不論是屬于IT的還是屬于OT的,都能理解什么樣的邊緣計算可能對他們有用。

      歸納各種形式的邊緣計算的拓撲圖
      圖1 歸納各種形式的邊緣計算的拓撲圖(圖源:Gartner)


      此拓撲圖展示的基礎設施技術堆棧,描述了作為邊緣計算的服務器、設備或平臺的類型,以及它們位于數據源“邊緣”的物理端點位置。它們都是是在實際數據中心之外可供使用的計算能力、采集、分析和數據傳輸的各種資源??偟膩碚f,邊緣為設備制造商及其客戶提供了極其重要的利益。


      從這個拓撲結構中,容易看出從設備邊緣到計算邊緣都適用于機械裝備和設備制造商。實際上,今天所有的機械裝備和設備都具有采用PLC的設備邊緣,有些機械裝置和設備還具有網關邊緣的設備。


      機械裝備或設備使用的工業PC機和面板型PC機在一定的意義上也可劃入網關邊緣。它們可能是作為設備邊緣的PLC的直接上位機點。然而,工業PC機計算和分析能力有限,或者它們不是為嚴酷的工業環境而設計制造的、類似于典型的PC或服務器。因此,需要采用其他類型的專用邊緣計算平臺來滿足客戶的需求。


      當需要進一步對機械裝備的控制和自動化系統升級為智能裝備時,計算邊緣應該是設備制造商關注的焦點。邊緣計算為機械裝備和設備提供了所有升級為智能裝備必要的特性和能力,為在現有設計的基礎上賦予新的智能功能,并過渡到向市場提供更智能的設備準備了必要的條件。


      邊緣計算是一種可擴展的模塊化技術,支持標準化、模塊化軟件組件和應用程序的開發。采用邊緣計算技術可以幫助設備制造商將現有的應用程序(如監控軟件)整合到單一平臺上,而且還允許其他關鍵應用程序在同一平臺上運行。這樣開發具有工業物聯網(IIoT)性能的智能機械裝備和設備變得更加容易,并且可以輕松添加支持客戶不斷發展的工業4.0和智能制造需求的未來應用程序。在實現過程中,邊緣計算可以促進從現有的設備平滑地演進到完全數字化的狀態,從而集成到客戶企業運營的數字化轉型進程,而無需復雜的改裝和重新設計就可以實現多種功能,如本地連接或云連接,成為一種涵蓋控制自動化、管理自動化的全集成智能機械裝備。

      2、邊緣可編程工業控制器應運而生

      近年來在工業自動化市場出現了新品種引起了廣泛關注,這就是運用于工業邊緣、可安全接入工業互聯網的可編程工業控制器,例如美國Honeywell的ControlEdge PLC,OPTO 22的groov EPIC,日本三菱電機的MELIPC MI5000、MI3000、MI2000、MI1000和中國臺灣研華的AMAX-5580等。這種新的解決方案可以同時滿足自動化和IIoT的要求。對照圖1有關邊緣計算的拓撲圖,我們可以認為這是一類集設備邊緣、路由器邊緣和計算邊緣于一體的功能多、算力強、通信靈活的新型控制器。這一類解決方案對下可以直接接入各種I/O,對上可以直接與云端和數據中心相連(見圖2)。
      邊緣可編程工業控制器的解決方案
      圖2 邊緣可編程工業控制器的解決方案(圖源:研華)

      作為要在執行傳統PLC控制功能的同時,還要重點實現邊緣計算,解決OT和IT雙方相互交換數據并理解語義,需要增添以下的功能:
      ◆就地將OT領域的物理量轉換為能被IT領域運用的信息安全的通信協議和語言所能處理的數據;
      處理和過濾海量數據,僅向云發送必要的、供進一步分析用的數據;
      提供通信接口,提供閉環實時控制要求的處理能力;
      將上述要求打包成一種能在嚴酷工業環境下可靠運行的設備,能經受振動、潮濕、環境溫度變化和各種頻率的的電磁干擾。

      為滿足IIoT的互操作性,應該在邊緣設備中具備如下的互聯網技術,例如MQTT/Sparkplug、TCP/IP、HTTP/S和互聯網的專用語言RESTful 的API;具備互聯網的信息安全技術,如SSL/TLS加密和認證。而云基系統必須調用RESTful API存取數據,或者使用publish-subscribe通信模型(如MQTT/Sparkplug)從遠程邊緣設備中獲取數據,而無需像經過較為復雜的層次和轉換。


      包括研華的AMAX-5580在內的邊緣可編程工業控制器不是單純的PLC或PAC,但它依然提供可編程控制器的標準編程語言:功能塊圖(FBD)、結構化文本(ST)、順序功能圖(SFC)和梯形圖(LD)。當然也可以通過邊緣控制器的開源OS,運用高級語言(如C/C++、Java、Python或其它)存取和編寫運用程序。于是,這樣配備的工業邊緣可編程控制器不但能作為PLC使用,執行工業裝備的控制功能,還可以作為HMI進行生產過程的監控,作為供改善工業裝備的設計而采集數據的數據庫,還可以運行跟蹤用戶服務的軟件,并可在線實現人工智能和機器學習的服務,實現預測性維護、消除非計劃停車的目標。


      中國臺灣研華科技推出的AMAX-5580工業物聯網邊緣控制器解決方案,其核心除了兼容Windows開放式操作系統或者開源的Linux操作系統,集成邊緣計算所必須的互聯網通訊功能MQTT,ODBC和數據采集、處理功能以外,其突出特點是整合了德國CodeSys的邊緣控制解決方案,在基于IEC 61131-3的PLC編程語言框架下,還集成了通用運動控制、機器人/CNC運動控制和機器視覺以及人機交互HMI的綜合開發環境,并配備了長于運動控制應用的工業以太網EtherCAT,以及各種現場總線和工業以太網通訊。在這樣的架構下,即融合了信息化技術,可以配合工程師完成遠程運維,全局監控,預防保養,數據分析等功能,也能夠實現數據采集,PID控制,多軸運動控制,CNC控制等自動化加工功能(見圖3)。

      研華的邊緣可編程工業控制器AMAX-5580方案
      圖3 研華的邊緣可編程工業控制器AMAX-5580方案(圖源:研華)


      OPTO 22的EPIC groov采用開源的 Linux操作系統,工業4核的ARM處理器,固態驅動,6G的用戶存貯空間;有兩個獨立的千兆以太網接口和WI-FI的適配器;整合了高分辨的彩色觸摸屏,供系統組態、管理和顯示;這種邊緣可編程工業控制器還提供各種工業級的I/O模塊,讓用戶根據實際需要選用,所有I/O模塊都可熱插拔和支持自尋址;系統可在嚴酷的工業環境中使用,其工作環境溫度寬達-20°C~70°C。


      3、邊緣控制器的軟件架構

      邊緣可編程工業控制器的軟件架構基本上都是采用云端和邊緣兩層架構,例如美國OPTO 22 的邊緣可編程工業控制器groov的軟件架構(見圖4)分為兩層,上層有OT數據中心內裝SQL Server、OPC UA、MariaDB數據庫;在云端可以根據需要選擇亞馬遜的AWS、Google云、IBM的Bluemix或微軟的Azure。而在邊緣控制器內裝有CodeSys,PAC Control,Node-RED可編程視覺設備的開發工具,美國Inductive Automation公司的基于互聯網的工業自動化軟件Ignition以及Ignition edge,MQTT/Sparkplug,OPC UA,OPTO 22自行開發的groov view和groov manager,還有ssh(密碼網絡協議,專對不安全網絡進行安全操作服務)。將這么多外購軟件集成在一個開發環境中能夠順利運行,也是需要花一番功夫的。
      OPTO 22的邊緣可編程工業控制器的軟件架構
      圖4 OPTO 22的邊緣可編程工業控制器的軟件架構


      圖5給出研華邊緣控制器的軟件架構。其上端為PaaS(可以是阿里云、百度云、微軟的Azure等),再上是SaaS,支持各種云服務,如ERP、企業全局能源管理、企業全局生產監控等。其設備邊緣的軟件是圍繞CodeSys的工業互聯網解決方案展開的,兼顧實時要求高PLC、運動控制等和采集現場監控數據的SCADA的軟件開發環境,而且也提供精細化的HMI軟件開發工具。

      研華邊緣控制器的軟件架構
      圖5 研華邊緣控制器的軟件架構(圖源:研華)


      4、關于邊緣工業控制器通信的討論

      邊緣工業控制器的通信有兩個不同層面:一個是采集工業設備和過程數據的I/O,以及與其它工業控制設備通信,屬于OT范疇;另一個是邊緣設備與OT數據中心及云端服務器之間的通信,屬于IT的范疇,也即屬于工業互聯網的范疇。后者是我們要著重討論的內容。

      屬于OT范疇的工業通信,從發展的趨勢看肯定是以太網的一網到底,I/O層過幾年會統一到SPE(單股雙絞線以太網電纜)和APE(先進物理層),之上是OPC UA over TSN。關于OPC UA over TSN能否延伸到I/O層,現在還有一些沒有解決的技術問題和成本問題。不過這肯定是有一個不短的過渡期,在過渡期內,現有的現場總線、工業以太網會繼續發揮作用。


      屬于工業互聯網IIoT范疇的通信今后有可能統一。自2015年以來,MQTT一直是排名第一流行的物聯網(IoT)專用消息協議。MQTT是開源的OASIS/ISO標準,被廣泛使用在比如移動聊天、家庭自動化和汽車等偏于消費領域的應用。它還得到了智能能源、健康和銀行服務等企業應用領域的主要云計算和物聯網平臺的支持。


      近些年來MQTT在制造和加工行業獲得了關注。這主要是因為:

      ◆數據解耦 MQTT數據交換的解耦特性滿足了工業網絡的可擴可縮的要求。不需要點對點連接或直接尋址,MQTT網絡可以靈活地擴大和共享數據。任何想要訪問已發布數據的客戶端(例如維護數據庫、ERP或SCADA系統)都可以簡單地指向通用的MQTT代理,并訂閱任何想要的主題,而不需要發布源的詳細信息。發布端和代理之間的網絡流量不受接收刷新數據的訂閱端數量的影響,而且如果現場設備類型或IP地址發生更改,訂閱者不需要重新配置。

      ◆數據完整性和安全性 MQTT的體系結構對數據完整性和安全性也有重要影響。由于MQTT代理不存儲或修改數據,而只是分發數據,因此每個發布端都是其各自主題的單一真實源,減少了數據不符以及因數據的非扁平交換和存儲即“數據豎井”(data siloing)而發生差異的潛在可能性。


      ◆MQTT的容錯特性對發布-訂閱模型的靈活性進行了補充,確保在數據質量和設備狀態發生變化時客戶端能夠得到通知,而無需經常輪詢。


      ◆代理(broker)單獨管理用戶身份驗證、數據訪問權限和消息傳遞,從而簡化了網絡管理,并允許每個客戶端對其他網絡成員保持匿名。而且由于MQTT連接是由設備發起(傳出)的,因此只需要代理具有開放的防火墻端口?,F場設備可以在完全被隔離的同時,仍然允許雙向通信。


      ◆MQTT還支持可選的用戶名和密碼字段,但是為了使規范盡可能簡單,它主要依賴于其他層中的安全機制。最常見的方法是利用TCP/IP堆棧中已經內置的傳輸層安全(TLS)機制(端口8883為MQTT TLS注冊)。結合使用信任證書來驗證連接端點的身份,安全的站點對點的MQTT通信甚至在公共網絡上也是可行的。


      然而,要在工業環境中發揮MQTT的作用還存在一些障礙。從工業應用的視角來看,MQTT固有的靈活性存在潛在的缺點,需要更強的互操作性和狀態管理保證,才能滿足多樣化的工業網絡的需求。同樣,完全不同的設備協議的集成也不能單純通過MQTT來解決,這是因為在現場設備中MQTT當前的支持程度相當有限,而且這些傳統系統的使用壽命很長,可能會長期繼續使用。另外,盡管MQTT在解決基本的網絡安全問題上走了很長一段路,但依靠MQTT本身并不足以建立一個信息安全的工業物聯網(IIoT)的基礎架構。


      這些問題具體體現在以下幾個方面:

      ①由于沒有統一的命名標準,沒有通用的數據格式,也沒有關于已發布主題的上下文信息,因此只有事先知道每個發布者數據的詳細信息(要訂閱的主題路徑、如何解碼或解釋有效負載、適當的QoS級別,以及如何識別發布者的LWT),才能被訂閱者發現和使用。
      ②由于每個設備可以自由地使用不同的約定,因此配置一個大型網絡可能需要大量的工作,類似于在應用之間變換常規標簽數據。這些因素減緩了開發的步伐,甚至可能抑制互操作性,增加了集成成本,從根基上損傷工業物聯網的目標。
      ③雖然MQTT包括監視客戶機連接狀態和數據質量的特性,但不能保證供應商將在現場設備或軟件客戶機中利用它們。

      針對這些弱點以及市場上對MQTT采用情況的其他觀察,啟發了MQTT聯合發明人領導開發了開源的Sparkplug MQTT主題名稱空間和負載定義。當前版本Sparkplug B(SpB)擴展了基本的MQTT體系結構,以解決常見的工業用例,并向符合規范的MQTT客戶端添加了一些重要的實現細節。為增強MQTT的性能,Sparkplug規范添加并澄清了基本MQTT客戶端的角色,支持新特性和更顯式的消息傳遞。


      MQTT/Sparkplug B體系結構為MQTT客戶端及其數據定義了清晰的角色和行為,使底層的MQTT框架更好地支持典型的SCADA/IIoT用例。


      該規范還區分了兩種類型的MQTT客戶端(見圖6):

      ◆MQTT/Sparkplug B Edge of Network (EoN) Nodes:這些客戶端提供物理和/或邏輯網關功能,為傳統設備和傳感器提供MQTT/Sparkplug B通信。網絡邊緣節點EoN還包括能夠將自己的Sparkplug B數據、過程變量或指標直接發布到MQTT代理的智能設備和傳感器。
      MQTT/Sparkplug B Application Nodes:應用程序節點是軟件客戶端,其選項包括一個主要應用程序,負責發送命令和接收歷史數據。MQTT/SpB應用程序節點也可以是常規軟件系統的網關。
      MQTT/Sparkplug B架構中區分了兩種不同的節點
      圖6 MQTT/Sparkplug B架構中區分了兩種不同的節點(圖源:OPTO 22)


      MQTT/SparkplugB在工業中應用的優勢主要表現在:

      互操作性
      Sparkplug B規范通過定義標準的客戶端角色和數據接口,解決了圍繞工業應用的MQTT實現可能出現的不一致性問題。通過在Sparkplug B上進行標準化,來自不同供應商的MQTT客戶端可以識別、解釋和使用發布的數據,而不需要知道原始客戶端的詳細信息。即使是擁有原有的自動化網絡和設備的棕地站點也可以利用Sparkplug,因為它顯式地支持附帶網關的設備。

      統一命名空間

      通過使跨企業的統一名稱空間(定義所有業務數據的公共數據源)成為可能,這個級別的互操作性滿足了數字轉換的關鍵需求。MQTT設備及其應用程序它們共同組成一個數據端點MQTT代理;而與在由PLC>SCADA>MES>ERP的多層結構中,每個層次的操作數據都有自己特定的模式和數據結構。由此可見,企業客戶可以通過代理使用字段中的數據,使用Sparkplug提供通用的交換格式和統一的上下文語境。其結果是數據可以返回網絡發布,供其他客戶端檢測、解釋和處理(見圖7)。通過這種方式,可以無縫地貫通整個組織共享數據,消除非扁平交換和存儲即“數據豎井”,減少潛在的差異,并允許連接的系統順利擴展。

      ◆增強數據完整性

      Sparkplug還提高了數據完整性和一致性,并與可靠性特點的相結合。通過執行最后請求和遺囑機制,當相關數據沒有刷新時所有訂閱者都會得到通知,而數據的再次出現證明會讓它們知道數據何時再次刷新。對于那些在受監管行業中需要歷史數據進行審計或進行根因分析的應用,在面臨網絡或客戶端不穩定時,存儲轉發歷史數據可執行防止關鍵數據丟失的保護。

      ◆減少管理

      Sparkplug增強的狀態管理和互操作性的結合,通過減少集成每個節點和設備所需的管理開銷,為網絡可伸縮性提供了額外的貢獻。如前所述,按傳統方法集成工業數據需要在應用程序之間進行耗時的標簽/變量變換。但有了Sparkplug的數據生成證明機制,這一過程加快了幾個數量級。訂閱者(特別是主應用程序)可以使用數據生成證明中發布的信息在瞬間映射出可供使用的主題。由于每個客戶端在連接到網絡或更新其主題結構時都需要數據生成證明,因此可以自動發現標簽層次結構。多虧了Sparkplug B的有效負載結構,它完成了所有元數據和用戶定義類型UDT定義。
      采用Sparkplug統一的命名空間可使在一個組織內來自不同領域或范疇的數據實現共享的互操作性
      圖7 采用Sparkplug統一的命名空間可使在一個組織內來自不同領域或范疇的數據實現共享的互操作性(圖源:OPTO 22)

      5、結束語

      從工業企業數字化轉型的視角看,轉型大大的推動了工業控制和工業互聯網的整合集成的發展,邊緣可編程工業控制器應運而生。這一工業自動化市場的新品種綜合了實時控制、高速數據采集、邊緣數據分析和處理、虛擬顯示和監控、與IIoT高效通信等功能,在很大程度上簡化和改善了工業互聯網的實現,為云-邊-端的合理合作和協調提供了很好的解決方案。從OT-IT融合的視角看,工業邊緣控制器是OT與IT的交匯點,大大簡化了OT上工業互聯網、上云的架構和連接。

      目前這一PLC的新品種已經有了越來越多的工業實踐支持,對不同行業、不同生產裝置的控制、監控,以及數據采集、分析、診斷等方面都取得了實際效果。研華公司在儲能調度站、包裝設備、智慧天車、自動加工生產線等都做了許多有益的應用。相信其綜合集成的性能一定會在今后的智能制造和工業互聯網中發揮更多的作用。

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