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作者:Derek Thomas,艾默生机器自动化解决方案销售和营销副总裁
本文是四篇系列文章中的第四篇,探索了三个新的但相关的概念——小数据、边缘处理和安全连接——从机械和其他制造资产中的制造数据中获取价值。的第一列提供了所有三个主题的概述第二列探讨了小数据与大数据的概念,以及第三列关注边缘计算如何改善操作。最后一篇专栏文章将介绍如何使用内置的安全通信功能将边缘控制器产生的结果安全地传输到各种其他系统。
边缘控制器集成了先进的计算和软件功能,可以在机器控制层提供本地分析和生成洞察。通过先进的捕获和处理本地传感器和设备输出增强机器操作,接近源的人员可以快速评估问题并采取适当的行动。但是,当用户需要将多个小数据系统连接到大数据池中时,会发生什么情况呢?然后需要嵌入式的安全连接,以确保系统是不受未来影响的,并支持:
- 连接到本地或远程显示,以满足仪表板和其他可视化需求
- 将预处理数据转移到本地或基于云的历史学家和数据库
- 分析信息与工厂或企业级系统的集成
- 内外循环数据交换的逻辑优化和机器学习
这些用例中的每一个都需要安全连接,以确保在任何时候系统的完整性,因此工业边缘控制器必须包含适当的物理通信端口、现代工业协议和安全特性。正如本系列之前的文章中所解释的,最先进的工业边缘控制器具有独立运行的独立虚拟操作系统(os),但可以通过OPC UA安全地彼此通信。
一个操作系统是提供实时确定性控制的可编程逻辑控制器,另一个操作系统为分析和其他应用程序提供基于linux的、开放的高性能计算。为了保证机器的性能不受影响,边缘控制器为每个操作系统都有专用的通信端口,这确保了机器网络和更高级别的工业物联网(IIoT)连接之间的网络流量分离。边缘控制器的实时部分最适用于时间敏感的通信,例如控制回路中的变频驱动器。边缘控制器的Linux部分适用于其他类型的通信,例如与高级计算系统和云。
像大多数现代设备一样,边缘控制器提供以太网和其他端口来支持硬件连接。边缘控制器的突出之处在于其支持各种工业网络、工业物联网和其他高级协议(如OPC UA、MQTT、PROFINET和SRTP)的能力。
OPC UA
OPC UA的全面、模块化和可扩展特性允许用户创建一个“系统中的系统”,也就是说,一个集成的整体工业自动化系统,由各种规模的许多子系统构建,彼此之间无缝交互。客户端和服务器被定义为交互伙伴。OPC UA定义了如何使用特定的安全性、上下文化和面向对象特性对信息进行建模和通信。
OPC UA使用一组内置的服务来处理安全证书,并在应用程序层建立安全的客户端/服务器会话,在通信层建立通道,在传输层建立套接字连接。该协议为客户端提供本机机制,以发现可用的服务器、管理和分发证书和信任列表,以及与证书颁发机构进行协调。
MQTT
与传统的轮询-响应通信协议相比,MQTT使用发布-订阅模型。与轮询响应相比,发布订阅大大减少了所需的带宽或数据传输容量。使用MQTT,网络上的每个设备仅在数据发生更改时才传输(发布)数据,并将数据发送到中央服务器,而中央服务器反过来只广播给已经调优(订阅)以接收这些更新的其他网络客户机。轮询响应协议以预定义的速率循环传输数据,即使没有任何变化。
MQTT客户端(可以是软件应用程序或其他现场设备)只订阅它们需要的数据。不需要持续的颤振,而是根据需要进行通信,通过持久的、安全的连接,每个设备只需发出一个小小的心跳,就可以维护状态感知。这使得低带宽网络上的低功率设备也能形成智能集成系统。这些系统可以轻松扩展到数百万个连接,每个设备发布的所有数据都可以被任意数量的客户端应用程序订阅,比如维护数据库、性能监控工具、库存和财务系统,或者基于云的分析平台。
PROFINET
PROFINET是一个健壮的工厂级网络,它可以通过在环形网络配置中使用媒体冗余协议(MRP)提供不间断通信,在由于单根电缆、设备或交换机故障导致网络丢失后,在几毫秒内提供通信恢复。用户可以使用外部交换机来设计这些网络,以形成一个环,或者可以简化设计,在边缘控制器中加入板上嵌入式多端口交换机。
对于最关键的应用,边缘控制器可以成对安装在MRP环上。一个控制器是主控制器,而另一个控制器是热备份控制器,配置为在主控制器故障时无缝接管。
SRTP
SRTP尤其适用于从边缘控制器到资产管理系统(AMS)或监控和数据采集(SCADA)系统的通信。它在单播和多播应用程序中提供加密、消息身份验证和完整性,以及重放攻击保护。
这四种协议——OPC UA、MQTT、PROFINET和SRTP——如果需要,可以在各种应用程序中同时使用,下面将解释其中一些应用程序。
提供给AMS或SCADA系统的分析信息通常用于聚合来自多个站点的数据。机器制造商可能使用AMS从安装在世界各地的数百台机器中收集分析信息。这些信息可以用来改进对现有机器的支持,例如通过提供预测性维护。分析数据的检验也可以用来改进新机器的设计。
SCADA系统可以从安装在水/废水系统中数百个泵站的边缘控制器,或从数十个变电站收集分析信息。在任何情况下,这些信息都可以用于远程控制和监测,并用于分析以改进作业。
边缘控制器是一种能够从各种现场定位传感器和其他控制设备(如vfd)收集数据的使能技术。一旦收集到这些数据,就可以在本地进行分析,以快速提供即时改进。多种连接选项允许工业边缘控制器将分析结果和其他信息传输到大多数任何类型的显示、存储系统或其他平台。
将来自现场的小数据传输到更高级别的大数据系统是开始和扩展数字转换工作的基础。工业边缘控制器具有独特的设备和位置,可以与所有类型的现场设备连接,收集和处理数据,并安全地将数据传输到其他系统。
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