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跨越边界 深入云端 --边缘控制器助力IIoT解决方案

2017年11月16日 10:20:13 中国传动网

工业4.0的进程如火如荼,引发的新概念日益深入人心。越来越多的机器厂商和设备厂商持续密切地关注着工业物联网(IIoT)。为了能充分利用接入工业物联网中的工厂,必须将机器和设备接入云服务端,这就需要用到边缘控制器。
绕不开的边缘计算
    在介绍边缘控制器之前,需要先了解边缘计算。从图1 工厂构成的示意图来看,未来工厂需要采集大量来自于过程控制的连续数据和来自工厂自动化的离散数据。借助这些数据,将轻松实现产线互联,从而实现工厂的ERP控制层对整个工厂的生产安排,能源消耗,质量检测,缺陷反馈,进而优化生产,提高效能。

图1 工厂构成示意图

边缘计算的出现基于云计算,可以说边缘计算就是运营技术(Operational Technology)中的云计算。相比于信息技术(IT)中的云计算,边缘计算对实时性和安全性提出更高的要求。而边缘控制器正是位于IT和OT之间的一个物理接口。

什么是边缘控制器?
    边缘控制器,是将汇总数据发送到云端的硬件。这类硬件作为通往云端的最后一层物理实体,是机器层OT和云端IT解决方案的接口。其中OT包括用于实时监测控制设备、生产过程及事件的硬件和软件。

图2 边缘控制器是OT和IT间的接口

三类边缘控制器
    根据不同的应用和数据大小,OT层收集到的数据将以不同的方式被传输到云端。贝加莱提供三类边缘控制器来确保适合于不同控制情况的解决方案。
    假设传感器一个小时只接收一个信号直接发送到云端,如用于监测输油管道泄露的传感器。这类控制对实时性没有要求,无需本地控制逻辑;而且,对维修团队来说维护检测油管的时间充足。针对这类应用,一个贝加莱总线控制器就足以将无需预处理的I/O信号以加密方式经由OPC UA传送到云端,非常简单。
    而在处理大量数据时,需要先汇总机器的各种数据。这样做的好处在于:1,降低所需带宽,减少云服务成本;2,提供足够的缓冲,防止在相关错误事件出现时造成数据丢失。针对该类应用,则需要采用被称为嵌入式边缘控制器(Embedded Edge)的贝加莱标准控制系统。
    更复杂的情况是需要对整个生产线进行监测。大量的I/O数据在送往云端之前需要进行预处理。针对这样的控制任务,标准的控制器不足以满足要求。这时候需要采用由贝加莱Automation PC和综合的工业物联网(IIoT)构成的边界控制器。由于其强大的处理能力和存储能力,配置了工业PC的便捷控制器相比前面两种边界控制器来说,能够执行更高级的预处理和分析任务。而且,它还能进行复杂的算法计算,如用于机器学习系统的算法。

图3 贝加莱推出三类边缘控制器结构,为不同情况提供合适的解决方案

边缘控制器带来的优势
    边缘控制器并非贝加莱的某款产品,而是贝加莱为客户提供的整套解决方案。一方面,多样的选择能够帮助新建工厂满足工业物联网(IioT)的种种要求;另一方面,在与贝加莱Orange Box联手后,也同样能为老工厂提供完美的边缘架构。软件与硬件灵活结合,现有的机器在连接Orange Box后也能被无缝集成到边界架构中。
在OT与IT融合的过程中,边缘控制器的优势也逐渐显现:
    能更好地满足工业物联网(IIoT)的要求
    实现企业区和制造区间的通信
    分布式智能将数据快速转变为可用智能
    机器灵活,可用性高,降低所需带宽,缩短响应时间
    工业物联网对边缘控制器的要求
    工业计算要求数据源更可靠,因此对边缘设备的要求也更高。高性能,坚固耐用,适合严苛的环境条件。贝加莱推出的硬件产品能完美切合这些要求。一个控制器同时配备实时操作系统(RTOS)和通用操作系统(GPOS),使用寿命长
    实现车间到云端的连接。通过本地和第三方现场总线协议实现车间连接;通过SQL DB, OPC UA , MQTT完成与MES,ERP的连接;通过MQTT, OPC UA实现与云端的连接

图4 开放的架构,第三方总线也能无缝集成

通过UCB-Server来处理和汇总数据,对现场实时KPI进行处理;对内存,文件系统和GPOS数据库中的数据进行缓冲,有效预防数据丢失;支持系统和用户的双重数据记录存档,NoSQL-DB (Berkeley)用于存储连续的信号和事件,SQL-DB (MySQL/ MariaDB)用于存储用户特定的数据;可通过REST API和SQL客户端对数据记录进行访问
对数据进行边缘分析。具有先进的趋势系统,其数据库完全免维护,并通过压缩技术来减少数据量;报警系统适合广泛的事件和报警,包括元数据;嵌入式商业智能套件生成即时报表;通过控制性能监控(CPM)对控制回路精度进行永久性评估,提高控制回路效率;通过能源控制减少能耗;通过状态监测降低维护成本;资产性能监测对资产进行保护……
    工业物联网对安全的要求极高。通过每月更新和完成整的系统软件测试,防止病毒软件安装;嵌入式的网络安全可以强化系统,自动预配置内置防火墙,TLS加密;嵌入式远程针对和远程维护访问,无需专门的IT知识,就可通过拖放进行配置

图5 多层级确保IT安全

实时数据采集和毫秒级控制实现对机器的实时控制;机器协同控制实现生产管理
    针对多变量系统的先进过程控制,对过程控制进行复杂仿真
    数据,报表可视化。基于mappVIEW的HMI应用,不同的客户化HMI内容不需要进行单独编程,却可按权限同步  显示在不同HMI上,操作的用户彼此独立,非常方便。例如,管理者的平板电脑上正在显示KPI整体概况,而技术人员正在自己的笔记本电脑上修改机器设置。

图6 贝加莱帮助客户满足工业物联网对边缘控制器提出的要求

关于贝加莱
    贝加莱是一个总部位于奥地利并拥有遍布全球分支机构的创新驱动型自动化企业,2017年7月,贝加莱成为ABB集团的一个业务单元。作为全球工业自动化领域的领导者,贝加莱融合了前沿技术与先进的工程能力,为各个产业客户提供机器与工厂自动化、运动控制、HMI以及集成安全技术的完整解决方案。通过工业物联网通信标准如OPC UA、POWERLINK和openSAFETY以及贝加莱强大的Automation Studio软件开发环境,贝加莱不断重新定义自动化工程的未来。贝加莱保持持续的创新精神,为客户提供更为简化以及超出预期的工业自动化领域前沿技术与方案。
    更多信息请访问: http://www.br-automation.com

供稿:任晓玲

本文链接:http://www.chuandong.com/tech/detail.aspx?id=29971

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