軟件定義自動(dòng)化——開放式模塊化架構(gòu)將取代傳統(tǒng)PLC

　　【儀表網(wǎng) 行業(yè)科普】基于開放的硬件和軟件架構(gòu)，軟件定義的自動(dòng)化系統(tǒng)能夠利用來自多個(gè)供應(yīng)商的組件創(chuàng)建更強(qiáng)大、更高效的應(yīng)用系統(tǒng)。
 

　　在制造設(shè)施中開發(fā)強(qiáng)大的自動(dòng)化和控制系統(tǒng)，歷來以專有技術(shù)棧為主。雖然這為用戶提供了高可靠性和確定性的系統(tǒng)，但也帶來了供應(yīng)商鎖定的經(jīng)濟(jì)成本。 高昂的轉(zhuǎn)換成本限制了用戶使用最先進(jìn)的硬件和軟件組件，而有限的談判能力則導(dǎo)致了非競(jìng)爭(zhēng)性的長(zhǎng)期支持協(xié)議。
 

　　這也使得企業(yè)利用諸如軟件定義制造(SDM)這類新興模式的能力降低，軟件定義制造依賴于軟件的互操作性和可移植性，以及開放且模塊化的邊緣硬件。當(dāng)圍繞基于標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)框架而不是專有堆棧構(gòu)建時(shí)，SDM 可用于利用最先進(jìn)的技術(shù)嵌入或按需為工作負(fù)載分配資源，這可以在制造環(huán)境中顯著提高效率并增加產(chǎn)能。
 

　　技術(shù)進(jìn)步推動(dòng)軟件定義制造的發(fā)展
 

　　SDM架構(gòu)基于開放的硬件和軟件，這些硬件和軟件既具有可移植性又具備互操作性。與組件生命周期長(zhǎng)且缺乏靈活性的專有系統(tǒng)不同，開放系統(tǒng)更加敏捷，并支持更短的組件生命周期。
 

　　這些軟件定義的自動(dòng)化系統(tǒng)允許快速重新配置和低成本的技術(shù)引入。它們還提供了使用多個(gè)供應(yīng)商的組件創(chuàng)建同類最佳的應(yīng)用特定系統(tǒng)的能力。通過將模塊化組件與開放架構(gòu)相集成，制造企業(yè)可以創(chuàng)建出靈活且能夠應(yīng)對(duì)未來技術(shù)的系統(tǒng)。
 

　　硬件和軟件的分離是開放系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵原則。這意味著只有在為了支持軟件需求而有必要時(shí)，才會(huì)對(duì)硬件進(jìn)行升級(jí)。一般來說，在SDM環(huán)境中，專有的單功能硬件及其互連被數(shù)量更少的高性能通用多核平臺(tái)所取代，這些平臺(tái)可以在虛擬機(jī)(VM)和容器中運(yùn)行各種工作負(fù)載。這些平臺(tái)也可以使用開放、互操作的現(xiàn)成硬件來構(gòu)建，從而消除了被供應(yīng)商鎖定的難題。
 

　　SDM與過去20年數(shù)據(jù)通信中發(fā)生的軟件定義網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)變并無太大不同。然而，要取得成功，它需要幾十年來一直使用相同方法的供應(yīng)商生態(tài)系統(tǒng)的支持。硬件供應(yīng)商面臨的問題是，SDM 存在風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)樗鼤?huì)加速商用硬件的采用，從而降低每單位利潤(rùn)率。但是，這種風(fēng)險(xiǎn)也為供應(yīng)商提供了機(jī)會(huì)，讓他們從以硬件為中心的業(yè)務(wù)模式轉(zhuǎn)向由硬件加軟件(在某些情況下是許可)方法驅(qū)動(dòng)的業(yè)務(wù)模式，以及其顯著提高利潤(rùn)率的潛力。
 

　　越來越多的證據(jù)表明，行業(yè)對(duì)軟件定義制造充滿信心。一些領(lǐng)先的供應(yīng)商已經(jīng)向工業(yè)機(jī)械和過程自動(dòng)化市場(chǎng)推出了虛擬 PLC。這些基于軟件的虛擬化控制器在軟件平臺(tái)(通常在 IPC 或服務(wù)器上)的虛擬機(jī)中運(yùn)行。虛擬機(jī)不僅包含自動(dòng)化應(yīng)用程序，還包含自己的操作系統(tǒng)。此功能使其獨(dú)立于主機(jī)的作系統(tǒng)，主機(jī)可以是具有標(biāo)準(zhǔn)作系統(tǒng)的 PC。
 

　　工業(yè)自動(dòng)化供應(yīng)商現(xiàn)在正在將虛擬化產(chǎn)品擴(kuò)展到其 PLC 和 DCS 控制器中，這些控制器代表了其自動(dòng)化產(chǎn)品組合中最重要的部分。未來的工業(yè)自動(dòng)化市場(chǎng)可能會(huì)走上一條虛擬化之路，就像15年前將IT數(shù)據(jù)中心轉(zhuǎn)變?yōu)榻裉斓脑圃蛙浖x數(shù)據(jù)中心一樣。
 

　　同時(shí)，一些技術(shù)框架也在構(gòu)建之中，以加速軟件定義制造的開發(fā)和部署。例如，開放過程自動(dòng)化論壇(OPAF)的開放過程自動(dòng)化標(biāo)準(zhǔn)(OPAS)提出了基于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的端到端堆棧，可加快支持SDM的技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施的開發(fā)、集成和部署。OPAS旨在盡可能使用現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)為工業(yè)過程自動(dòng)化創(chuàng)建一個(gè)可互操作的架構(gòu)。
 

　　開放式模塊化架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)
 

　　InterEdge是由 PCI工業(yè)計(jì)算機(jī)制造商協(xié)會(huì)(PICMG)制定的一項(xiàng)開放的機(jī)電和軟件接口規(guī)范，于2024年2月獲得批準(zhǔn)，旨在支持工業(yè)級(jí)計(jì)算模塊、I/O 模塊和網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)在 InterEdge 生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的互換性。
 

　　該參考架構(gòu)將支持基于 Linux作系統(tǒng)的IEC 61499 運(yùn)行時(shí)。IEEE 802.3和10Base-T1S MAC/PHYS將包含在內(nèi)，以支持通過工業(yè)以太網(wǎng)、MQTT、DDS 和其他協(xié)議進(jìn)行外部聯(lián)網(wǎng)。作為一個(gè)模塊化、可插拔的系統(tǒng)，InterEdge架構(gòu)設(shè)計(jì)靈活，允許各種不同的實(shí)施，同時(shí)確保互操作性。該規(guī)范主要包括三種類型的模塊：
 

　　I/O模塊處理傳感器和精算師等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的接口功能。
 

　　交換機(jī)模塊負(fù)責(zé)本地化 InterEdge設(shè)置中的網(wǎng)絡(luò)交換。
 

　　計(jì)算模塊用作通往更高級(jí)別控制網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)，并使用 IEC 61499和IEC 61131等標(biāo)準(zhǔn)為過程控制系統(tǒng)執(zhí)行監(jiān)管功能。
 

　　通過用開放的模塊化架構(gòu)取代諸如可編程邏輯控制器(PLC)之類的專有邊緣設(shè)備，工業(yè)企業(yè)可以避免因被供應(yīng)商鎖定而帶來的諸多經(jīng)濟(jì)損失。例如，如果面臨設(shè)備過時(shí)或需要更高的計(jì)算能力或安全性的情況，在線進(jìn)行 “拆除并更換” 會(huì)產(chǎn)生高昂的轉(zhuǎn)換成本。因此，這些邊緣組件往往會(huì)在數(shù)十年內(nèi)保持不變，功能也一直固定。
 

　　相比之下，InterEdge模塊的標(biāo)準(zhǔn)化允許工廠在運(yùn)行時(shí)進(jìn)行在線升級(jí)和更換。它指定模塊尺寸、物理接口、電源總線和安裝細(xì)節(jié)，以確保兼容性和性能。這種硬件組件的可互換性為制造商帶來了價(jià)值，使他們能夠借助數(shù)字化、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè) 4.0等新興趨勢(shì)來提升自身的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。
 

　　InterEdge是OPAS等框架和SDM等計(jì)劃的基礎(chǔ)，因?yàn)樗峁╅_放、可互操作、基于標(biāo)準(zhǔn)和熱插拔的計(jì)算和 I/O硬件。這允許分布式控制系統(tǒng)(DCS)按需訪問資源，還可以幫助用戶相對(duì)輕松地從一種技術(shù)、制造工藝或應(yīng)用過渡。如今，埃克森美孚、施耐德電氣、菲尼克斯電氣和英特爾等公司都在積極探索InterEdge，并將其作為能夠運(yùn)行符合OPAS軟件棧的軟件定義制造參考架構(gòu)的基礎(chǔ)。