当自动化设计人员开发各种规模的支持工业物联网（IIoT）的自动化解决方案时

作者：VIBHOOSH GUPTA 

工业自动化设计人员必须始终关注基本设备操作和安全。但现在，这些用户正在努力寻找实现数据访问和互联的这一次要目标的方法，这些目标通常被描述为工业物联网（IIoT）功能或边缘通信能力。有时，这些用户希望从一开始就内置IIoT功能，而在其他情况下，他们只是希望确保他们的系统经得起未来的考验，以后可以轻松添加IIoT。

近年来，涉及运营技术（OT）控制的工业制造最终用户和机器制造原始设备制造商（OEM）开始认识到，他们的自动化系统中的数据具有非常大的潜在价值。访问这些数据，并将其传输到方便的地方，如本地或基于云的信息技术（IT）资源中，然后对其进行分析并采取措施，可以使这些用户更高效地运行他们的系统，提高安全性，并最大限度地延长正常运行时间。

在这一领域，没有通用的解决方案。完整的OT/IT解决方案需要合适的软件、通信协议和网络解决方案，以便在一系列硬件产品上运行，例如：

• 紧凑的大型可编程逻辑控制器（PLC）
• 边缘控制器
• 安全控制器
• 输入/输出（I/O）模块
• 运动控制
• 网关
• 人机界面（HMI）
• 工控机（IPC）

归根结底，有了这么多的选择和可能性，工业自动化设计人员就能得到最好的服务，高效地开发各种规模的应用，因为他们可以在最大范围内的兼容边缘就绪设备的产品组合中选择所需的产品。

小型/中型/大型项目自动化设计人员

OEM和最终用户更喜欢尽可能实现自动化设计的标准化。这将最大限度地减少他们需要订购和储备的产品品牌/型号的种类，并最大限度地提高用户的熟悉度和效率。另一方面，好的设计要求在每种情况下使用合适的产品。对于小型单元控制应用和本地操作，一台紧凑的PLC就能实现这一目标。在实施自动化的过程中，除非项目规模和要求达到一定的规模，否则在小型输送机系统上使用大型PLC或功能齐全的边缘控制器可能不是性价比最高的方法（见图1）。

图1：选择的自动化控制器必须符合应用需求，但设计人员希望解决方案同时支持当前和未来的IIoT连接要求。

设计人员会发现，从同一家族PLC中进行选择，为从小型单元控制到大型监控设备的任何应用创建可扩展且规模合适的解决方案是最容易的，特别是当产品组合提供一致性和以下特性时：

• 各种外形尺寸的本地I/O（基于片式或机架）、机上远程I/O和其他形式的I/O，具体取决于目标应用。
• 可扩展选项，用户可以根据需要选择内存、性能、I/O能力和运动控制等高级功能。
• 所有型号都包含1Gb以太网端口；并且有的型号增加了以太网端口。
• 能够支持一种或多种现场总线协议，如PROFINET、Modbus等。
• 能够使用OPC UA与HMI/SCADA系统以及新型边缘设备进行安全通信。
• 使用同一通用软件开发套件为控制和数据处理进行配置。
• 获得安全设计产品的2级认证。

尤其重要的是可以通过千兆以太网进行安全OPC UA通信。OPC UA是一种领先的本地通信协议，可确保任何OT控制器随时准备与各种类型的独立边缘操作系统进行交互，以向执行IIoT任务的IT系统传输数据。这种控制与边缘处理的分离对于保护OT系统免受IT威胁是至关重要的。

OT/IT集成实现小型化

高速确定性控制需要各种规模的PLC。当应用需要更多内存和I/O、模块化可扩展性、冗余和集成运动控制时，大型PLC可充分发挥其作用。这些大型PLC通常还具有支持OT/IT与边缘计算集成和更多协议选择的功能。但是对于无数需要本地控制的小型系统和机器来说，设计边缘就绪自动化的最佳和最具成本效益的方式是什么？设计人员不应仅仅因为是本地应用且I/O数量少，就被迫牺牲OPC UA、1Gb网络和加密数据传输等数据相关功能。

要在不中断现有自动化的情况下仅连接几个I/O点，最佳解决方案通常是在小型本地面板或分布式机器上的I/O站中添加模块化I/O。这些可以连接到附近的边缘就绪PLC，也可以通过PROFINET总线耦合器连接到任何支持边缘的控制器或IPC。可能会首选后者，这样就不会干扰当前正在运行的PLC。

在某些情况下，可能需要从可配置的安全控制器收集数据，例如可智能配置的安全继电器。这些设备中有许多支持PROFINET等工业通信协议，因此可以连接到边缘就绪或支持边缘的设备。主要区别在于，这些控制器可能还有大量可用的扩展和诊断数据。

然而，对于许多新机器和改造的情况来说，最佳解决方案是边缘就绪的紧凑型PLC控制器（图2）。这些规模合适的设备具有足够的I/O来处理常见需求，并且它们可以进行编程用于本地控制和/或监视。这些设备还可以执行数据预处理，例如实时计数器功能，根据外部一个离散量的输入来累加已生产多少零件。这些紧凑型PLC使用内置以太网口可以将信息传输给更高级别的边缘设备。

图2：艾默生研发的PACSystems RSTi-EP CPE200系列紧凑型PLC，具有大型PLC的功能，如通过1Gb以太网进行安全OPC UA通信，确保整个产品组合为IIoT连接做好准备。

对于自动化设计人员，产品组合的优势

有许多类型的紧凑型PLC，但只有少数几种可以作为更大的全面产品组合的一部分。这有什么关系？因为不管机器或应用的大小如何，用户希望他们可以使用可扩展的解决方案，这样他们进行最少的学习、付出最少的努力就可以创建稳健的自动化项目。只有当自动化产品供应商成为了解挑战且值得信赖的合作伙伴，并通过提供各种规模的PLC、边缘控制器、HMI、SCADA、运动控制器、伺服和驱动、安全装置等，让客户高枕无忧时，这才有可能实现。

为了配置这些系统，当设计人员选择合适的自动化设备时，他们不想学习如何使用新的编程环境。相反，他们更喜欢一致的环境，这样所有的配置工作都采用一个工具集和一个工具链（见图3）。

图3：通过艾默生PACSystems的PLC、边缘控制器等产品组合，最终用户能够为每个应用选择合适的自动化设备，同时保持在一致环境中开发的简单性和高效率。

这种一致性的概念也应该适用于控制和边缘实现原理。确定性控制与通用分析和边缘计算有很大不同。出于性能和网络安全的原因，这两个域应该保持分离，但能够安全地相互协作。

确定性侧在特定的所谓护轨内运行，以确保系统安全和稳健运行。逻辑程序经常改变，因为它是面向生产的，所以应该与存在潜在风险的外部影响隔离，如工厂网络和互联网连接。它需要为OT人员量身定制，这些人员通常更熟悉梯形图逻辑和IEC语言，而不是IT编程。

边缘计算和IIoT环境是用其他更以IT为中心的语言配置的，如Python、C++和相关的应用程序。这一方面不仅面向互联网（因此必须提供网络防御），而且发展迅速，应该更容易在不影响确定性操作的情况下更新。然而，边缘计算任务必须能够安全地与确定性侧进行交互，以收集数据并提供操作设置更新。

一个全面的自动化产品组合应包括确定性控制、边缘计算、I/O、安全，甚至是设计用于协同工作的运动控制产品。用户应该只需要学习如何使用一套开发软件，就能够一致地进行确定性编程，并将其部署在适当规模的平台上。类似地，无论是部署在边缘控制器、IPC还是服务器上，边缘代码和应用程序，或者支持边缘的HMI软件套件，都应该始终如一地运行。

面向未来的自动化应用

从生产工厂、工作车间、机器控制到简单地监控几个点，选用适当规模的自动化非常重要。当然，应根据自动化需求选择边缘控制器、大型PLC和紧凑型PLC并确定其规模。而IT/ OT融合并支持当前和未来数据处理需求的关键是选择能够通过1Gb以太网连接提供安全OPC UA的控制器（任何规模）。该家族的其他产品，如安全控制器、智能I/O等，也应该可以与自动化以互补的方式协作。

为了简化设计，使其面向未来，并确保它们为IIoT做好准备，设计人员应该寻找一种自动化产品组合，在整个产品范围内提供确定性控制和通用边缘计算的一致性，并具有联网功能，确保不会牺牲数据收集需求。这将最大限度地减少设计工作量，实现工作的可重用性和可移植性，并为将解决方案部署到各种规模的应用提供最佳灵活性。

作者简介：Vibhoosh Gupta先生是艾默生机械自动化解决方案部门的产品部领导层，负责管理工业自动化产品组合，包括控制系统、人机界面、工业计算机和工业物联网软硬件产品等。