四個(gè)熱詞，四類方案，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的二個(gè)關(guān)鍵設(shè)備

2022-07-22 來(lái)源：作者：深圳市中電網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有限公司

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前言

物聯(lián)網(wǎng)是看得見摸得著的“實(shí)物”，電表自動(dòng)抄表、自動(dòng)充值付費(fèi)和錯(cuò)峰計(jì)費(fèi)是中國(guó)最成功的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，是家喻戶曉的事情。但是，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是什么，與物聯(lián)網(wǎng)的異同點(diǎn)，許多人還不清楚。對(duì)于2B制造業(yè)，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)走進(jìn)工廠，廠長(zhǎng)、車間主任在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目落地時(shí)還要考慮工業(yè)計(jì)算機(jī)與PLC的采購(gòu)和選型，他們是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)最重要的智能計(jì)算與控制單元。我們今天來(lái)談?wù)勎锫?lián)網(wǎng)、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)計(jì)算機(jī)和PLC四個(gè)行業(yè)熱詞以及他們的產(chǎn)品應(yīng)用方案。

物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的異同

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)在工業(yè)環(huán)境的應(yīng)用。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)注重機(jī)器對(duì)機(jī)器(M2M) 通信、海量數(shù)據(jù)和機(jī)器學(xué)習(xí)。相比之下，物聯(lián)網(wǎng)更側(cè)重于商用設(shè)備互聯(lián)和應(yīng)用程序，上行數(shù)據(jù)大，下行數(shù)據(jù)少，數(shù)據(jù)采集多，執(zhí)行控制少。但是，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)具有相同的架構(gòu)，它們都需要傳感器、設(shè)備、連接選項(xiàng)和數(shù)據(jù)分析。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備需要堅(jiān)固耐用的設(shè)計(jì)質(zhì)量來(lái)承受嚴(yán)苛的工業(yè)環(huán)境部署。

物聯(lián)網(wǎng)連接更多的商用設(shè)備，如智能手表、智能小工具、智能冰箱等，而工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)互連工業(yè)環(huán)境中使用的設(shè)備，如生產(chǎn)線、醫(yī)療設(shè)備、智能交通和其他關(guān)鍵任務(wù)工業(yè)部署。因此，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)解決方案架構(gòu)使用的設(shè)備必須堅(jiān)固耐用且能夠承受具有挑戰(zhàn)性的工業(yè)環(huán)境。盡管物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間存在差異，但它們?nèi)匀痪哂邢嗤奈锫?lián)網(wǎng)解決方案架構(gòu)。

工業(yè)計(jì)算機(jī)和PLC的異同

自動(dòng)化是提高工廠產(chǎn)量和降低制造業(yè)成本的關(guān)鍵因素，是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的核心意義。工業(yè)電腦 (IPC)和可編程控制器（PLC）是自動(dòng)化乃至工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)最重要的計(jì)算、執(zhí)行計(jì)算與控制單元，他們能有利推動(dòng)機(jī)器和人工交互方式的工業(yè)自動(dòng)化水平。我們先來(lái)看看IPC和PLC的異同，再討論哪種類型的雙控系統(tǒng)是最合適的。

· 關(guān)于PLC

可編程邏輯控制器(PLC) 廣泛用于工廠自動(dòng)化流程。早在1970年代，PLC就改變了自動(dòng)化系統(tǒng)的游戲規(guī)則，旨在取代繼電器、電器面板和開關(guān)盒。隨著時(shí)間的推移，PLC 已經(jīng)升級(jí)為更堅(jiān)固的設(shè)計(jì)、可擴(kuò)展的功能和可編程系統(tǒng)。PLC的編程語(yǔ)言（稱為梯形邏輯）允許PLC高度可定制以實(shí)現(xiàn)機(jī)器自動(dòng)化。這種堅(jiān)固性和多功能性使PLC成為替代舊繼電器和開關(guān)盒的流行選擇。

· 關(guān)于IPC

隨著計(jì)算機(jī)芯片變得更強(qiáng)大、更小、更便宜，IPC在自動(dòng)化行業(yè)中越來(lái)越受到關(guān)注。IPC可以涵蓋PLC 提供的監(jiān)督控制，但具有更多工作負(fù)載，例如 HMI、網(wǎng)關(guān)、AI 應(yīng)用程序等。由于GPU、TPU、VPU、NVMe SSD等性能加速器，IPC能夠執(zhí)行這些工作負(fù)載的整合,整合工作負(fù)載可減少其在工廠車間內(nèi)的硬件占用空間。普通計(jì)算機(jī)和工業(yè)計(jì)算機(jī)有著非常相似的基本組件，例如CPU、RAM、SSD 和GPU。但是，工業(yè)電腦的制造和設(shè)計(jì)能夠承受極端環(huán)境條件，從極端溫度到?jīng)_擊和振動(dòng)暴露。IPC極其堅(jiān)固的設(shè)計(jì)和制造材料是無(wú)風(fēng)扇設(shè)計(jì)、一體式機(jī)箱和工業(yè)級(jí)材料。它們不僅支持最新技術(shù)，還支持工廠自動(dòng)化中常見的傳統(tǒng)技術(shù)，如串口、COM、M12 連接器、DIO、GPIO 等，導(dǎo)致工業(yè)PC 在制造自動(dòng)化方面的快速增長(zhǎng)。

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· IPC和PLC有7個(gè)異同點(diǎn)

1. 運(yùn)營(yíng)吞吐量

PLC帶有一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，可以持續(xù)監(jiān)控來(lái)自連接設(shè)備的輸入，然后根據(jù)其程序執(zhí)行決策命令。PLC的操作系統(tǒng)專為執(zhí)行與控制相關(guān)的任務(wù)而設(shè)計(jì)，自備防病毒程序或注冊(cè)表清理程序，減少操作處理吞吐量。

IPC可以執(zhí)行與PLC相同的任務(wù)，其操作系統(tǒng)使它們能夠運(yùn)行PLC無(wú)法使用的復(fù)雜應(yīng)用程序。IPC不僅僅實(shí)現(xiàn)控制，還可以整合工作負(fù)載，從而減少硬件占用空間。IPC 的操作系統(tǒng)（如Windows 和Linux）容易受到網(wǎng)絡(luò)攻擊，但當(dāng)前的防病毒軟件和防火墻已經(jīng)足夠先進(jìn)，可以降低這種風(fēng)險(xiǎn)。

2. 編程工程師群體

IPC和PLC之間的下一個(gè)區(qū)別是程序的開發(fā)和執(zhí)行方式。PLC通常實(shí)現(xiàn)基于掃描的程序執(zhí)行，而IPC通常是事件驅(qū)動(dòng)軟件。例如，PLC 軟件邏輯在IEC 61131-2 標(biāo)準(zhǔn)中指定，如梯形邏輯或其他專有供應(yīng)商語(yǔ)言。相比之下，IPC使用諸如 C/C++/.NET 等編程語(yǔ)言在Windows或Linux操作系統(tǒng)上運(yùn)行?？梢钥闯?，IPC編程工程師群體大，梯形邏輯需要培訓(xùn)特殊編程人員。因此IPC更容易編程，也給予與更多機(jī)器和設(shè)備進(jìn)行交互。

3. 安全

安全性是工業(yè)自動(dòng)化的不利因素之一，也是當(dāng)前的技術(shù)弱點(diǎn)。工業(yè)系統(tǒng)應(yīng)該處理兩個(gè)安全基礎(chǔ)。首先，阻止來(lái)自未經(jīng)授權(quán)的外部訪問(wèn)的攻擊。其次，根據(jù)用戶的權(quán)利或指定來(lái)限制用戶的訪問(wèn)。工控機(jī)利用主板內(nèi)嵌的TPM（可信平臺(tái)模塊）2.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密。PLC是安全的，因?yàn)樗鼈儧]有無(wú)線連接。PLC使用看門狗+軟件加密的軟硬兼施的安全措施，代表作是西門子安全PLC或博拓KNOWHOW安全模塊。

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4. 品質(zhì)堅(jiān)固

IPC和PLC都用于在極端環(huán)境中運(yùn)行，非常堅(jiān)固耐用，具備以下7點(diǎn)要素：

1)無(wú)風(fēng)扇設(shè)計(jì)

2)高效散熱處理

3)寬溫度范圍

4)抗沖擊和抗振動(dòng)

5)高IP等級(jí)

6)可擴(kuò)展模塊

7)配備電源點(diǎn)火管理

5. 擴(kuò)展能力

IPC和PLC都需要控制各種設(shè)備以進(jìn)行控制、監(jiān)視和通信。它們都配備了多個(gè)COM端口和其他I/O工業(yè)通信協(xié)議，包括CANbus、Modbus、Profibus、EtherCAT 和 EhterNET/IP。盡管兩者都可以支持這些技術(shù)，但是IPC是擴(kuò)展槽結(jié)構(gòu)，靈活性高，PLC是主板內(nèi)置無(wú)法擴(kuò)展。比如，IPC具有各種COM端口、LAN、USB和HDMI端口，以及無(wú)線網(wǎng)卡、5G 模塊、SSD 存儲(chǔ)到 GPU 加速器的擴(kuò)展。這些功能使ＩPC能夠整合來(lái)自不同硬件的工作負(fù)載，而不僅僅是PLC。ＩPC可以自行運(yùn)行HMI 應(yīng)用程序，而PLC需要單獨(dú)的HMI應(yīng)用程序才能在顯示面板上顯示任何內(nèi)容。

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6. 處理能力和存儲(chǔ)

IPC可搭載先進(jìn)處理器（CPU，NPU和GPU等）和存儲(chǔ)器，除傳統(tǒng)IPC功能，還可實(shí)現(xiàn)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)邊緣計(jì)算功能，提高終端設(shè)備智能和網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)效率。PLC采用專用微處理器實(shí)現(xiàn)特定控制功能，速度快、效率高，程序小，靈活性高。例如，PLC 管理高速I/O非常出色。

7. 成本

IPC與PLC的成本比較是PLC對(duì)于較小的應(yīng)用成本較低，而工業(yè)PC的初始成本較高。然而，隨著應(yīng)用程序變得越來(lái)越復(fù)雜和計(jì)算量越來(lái)越大，PLC的累積成本可能會(huì)超過(guò)工業(yè)PC。雖然PLC的初始成本較便宜，但需要額外的計(jì)算能力或外圍設(shè)備時(shí)，價(jià)格會(huì)呈指數(shù)增長(zhǎng)。相比之下，工業(yè)PC 的初始成本更高，但在需要升級(jí)計(jì)算能力和可擴(kuò)展性時(shí)成本要低得多。

· IPC與PLC選擇平衡

當(dāng)您為工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)選擇方案PCBA來(lái)搭建計(jì)算控制設(shè)備時(shí)，IPC與PLC都有自己的位置。PLC更適合運(yùn)行具有特定功能的小型自動(dòng)化系統(tǒng)。PLC堅(jiān)固耐用、經(jīng)濟(jì)高效且高度安全，適用于工業(yè)部署。而IPC非常適合對(duì)計(jì)算和存儲(chǔ)有高需求的場(chǎng)景，適合多功能性的復(fù)雜任務(wù)。IPC的總擁有成本(TCO) 較低，一些應(yīng)用程序可以在其操作中同時(shí)使用IPC與PLC 來(lái)相互平衡成本和收益。

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