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什么是边缘控制器?是IPC+PLC+网关吗?今天就用一个实物来讲解!

作者:www.cechina.cn2020.01.07阅读 3916

  边缘计算作为云计算的一项重要补充,在构建互联工厂中的作用正越来越受到重视。边缘计算实现了数据在网络边缘侧的分析、处理与储存,不仅减少了对云端依赖,也提高了数据的安全性。不管是因为云计算本身,还是网络传输受限,或者是担心数据安全,边缘计算是时下构建智能化工厂过程中必须优先考虑的内容之一。
  边缘计算对数据的本地处理能力提出了很高的要求,传统的PLC控制器已无法胜任这样的工作,因此,一种基于PC的兼具PLC功能的控制器应运而生。这样的控制器可以将PLC控制器、PC、网关,运动控制、I/O数据采集、现场总线协议、机器视觉、设备联网等多领域功能集成于一体,同时实现设备运动控制、数据采集、运算和与云端相连,以及在边缘侧协同远程工业云平台实现智能产线控制等,这样的控制器被称为边缘控制器
  虽然这是基于PC的控制器,但边缘控制器也不等同于单独的工业控制计算机,它将PLC、PC和运动控制器集成到同一台设备里,兼具数据处理和逻辑控制,两种任务可以同时进行,又互不干扰。
  为了让您对边缘控制器这一新的控制器类型有一个全面深入的了解,今天小编拿到了目前市场上最为典型的一个边缘控制器——研华WISE-5580边缘控制器,下面就通过试用实测,来揭开边缘控制器的神秘面纱。
  研华WISE-5580的外部实测
  小编这次拿到的是研华新推出的WISE-5000系列中的WISE-5580边缘控制器。整个控制器和无风扇的嵌入式工控机十分相似,通体采用坚固的金属外壳,重量达到了1.6 kg,不过主机的尺寸要比一般的嵌入式工控机小很多,更像是一个中小型PLC的大小,具体尺寸为13.9 x 10 x 8 cm。
  WISE-5580的整体外观设计紧凑,接口布置合理,加上指示灯和散热孔的点缀,体现出一种独有的工业之美。特别是黑色金属外壳让WISE-5580更具质感,拿在手里也是分量十足,除了可以提供物理保护和电磁屏蔽,也拥有优异的散热性能。

  研华WISE-5580边缘控制器的正面照

  在主机正面,有9颗状态指示灯, 2个可扩展串口用于连接串口设备,1个HDMI和1个VGA用于外接显示器,4个USB3.0用于外插U盘或者外接USB设备, 2个千兆以太网接口用于与信息化网络、MES、数据库、服务器等连网,也可以用于往下连接IO、伺服和相机等。同时还有两个隐藏式设计的开关按钮和重启按钮。
  电源输入接口设计在机身上侧,这样的设计既十分方便使用电源接线,又远离了正面的所有数据接口,从而不会对数据的传输造成干扰。此电源接口可以同时外接两路24V电源输入,做到冗余设计。

  研华WISE-5580边缘控制器后侧面照

  整个WISE-5580控制器采用无风扇设计,散热孔均匀的分布在上下两个侧面,十分符合热空气的流动规律,具备了良好的散热效果。
  在机身背部设计有13根散热齿条、DIN导轨安装槽和3个卡扣,无需使用螺丝,安装和拆卸十分方便。
  主机两侧分别为标准化的PCI Express与EtherCAT通信接口,用户可根据特定需求选配通信与I/O模块。

  加了扩展模块(左)和EtherCAT I/O接口(右)的WISE-5580

  机身左侧的PCI Express通信接口最大支持4个扩展,研华提供了带4个USB3.0口的USB扩展模块,带2个PoE供电千兆以太网模块,带2个RS-232/422/485的串口模块,以及无线传输和存储等四个功能模块,用来扩展机器视觉、串口、CAN总线、硬盘及无线网络,其中无线传输和存储模块支持4G / LTE / Wifi / GPS无线通信方式,以ODBC、OPC UA、OPC DA、MQTT协议将设备数据可上传数据库、云平台及MES系统。
  主机身右侧的EtherCAT I/O高速接口可以扩展65535个节点,可满足大部分自动化场合控制需求。插片式I/O模块全部安装在标准DIN导轨上,安装在设备控制柜中时无需额外的钻孔或机械装置,不仅节省了空间,而且允许工业设备跨越边界。
  研华WISE-5580的内部实测
  作为一款边缘控制器,研华WISE-5580具有三大特点:与PLC相差无几的小巧体积,与IPC相媲美的强大的处理能力,以及集PLC系统和IPC系统于一体而又独立运行的双核分核处理功能。而让这一切成为可能的,是其内部的独特的电路工程设计。除此之外,由于工业现场面临各种复杂的状况,对电子器件的可靠性提出了较高的要求,其中包括了电磁屏蔽设计、电源防浪涌设计、电路可靠性设计以及高速走线设计等。WISE-5580是如何在兼具这些丰富性能的同时,又突出了其自身特点的呢?
  接下来开始我们的拆机实测CONTROL ENGINEERING China版权所有,对研华WISE-5580的内部设计一探究竟。

  研华WISE-5580边缘控制器拆机动画

  WISE-5580的主机外壳由三部分组成,只需要按照正确的顺序,先拆掉抬高设计的那一部分,再拆掉覆盖着诸多接口和三个侧面的那一部分就行了。整个拆解过程十分的简单和顺利,当把外壳的主要两个部分拿掉,就可以看到整个内部结构了。

  研华WISE-5580边缘控制器内部整体结构

  从上图可以看出,整个内部结构分为四层,从上到下第1,3层是电路板,第2层是隔热铝板,第4层是散热外壳。两层电路板的通信是通过接插件来完成的,而整个结构的固定是通过分布于四周的4颗螺丝来实现。接下来就开始具体分析每一层上的元件和作用。

  位于上方第1层的电路板正面照

  在第1层电路板主要设计有电源电路、数据存储和接口电路。2路主电源电路采用了同一种电源芯片方案,采用了一颗双路电感来减少占用面积。为了最大限度的满足边缘计算对数据存储的要求www.cechina.cn,板上搭载了一块体积小、速度快支持M.2的128G的固态硬盘,下方还预留了一个mSATA断电保存硬件接口。机身正面看到的所有接口全部位于这块电路板上,无论是数量,还是空间布局都做到了最优化。
  这块电路板的下面是一层隔热铝板,能够有效阻止下面的热量直接辐射到上方,同时也增大了散热面积,还起到了很高的电磁屏蔽作用。

  位于第3层的电路板背面照

  重点说下第3层的电路板,主要设计有CPU和内存条、输入输出控制芯片、PCI-E扩展接口、EtherCAT接口等四大部分。先谈控制器的最核心部分,也就是CPU,位于电路板中间位置。根据官方资料,具体可以根据实际应用场景选择英特尔赛扬、i5、i7等系列CPU,实测用的这台WISE-5580搭载的是英特尔赛扬3955U,这是一款双核双线程的处理器。通过分核分系统技术,就可以在第1个核运行可编程逻辑控制器(CODESYS),第2个核用来运行边缘计算(Windows),这种独立核心运行的设计,同时保证Windows开放性与CODESYS实时性,即使Windows系统发生宕机也不会影响PLC的运行。这也是边缘控制器最大的特点之一。
  内存的大小对于处理器性能有很大影响,毕竟各种数据都是要经过内存来送给计算机。在这块电路板上搭载有两个DDR4内存卡槽,对称的分布在电路板的两面上。官方资料中说最大支持到32GB,也就是一个内存卡槽最大支持16GB的内存条。实测的这台控制器上只插有一根8GB内存条,但足以应对小规模的应用场合。
  输入输出控制芯片用来实现软件对硬件的控制,从字面上就可以看出它的重要性。依照上图来讲,CPU正右边的那颗黑色芯片就是它。它的背面就是承担通信中枢的接插件,这样的位置也算是一种最优化的布局。
  PCI-E接口和EtherCAT接口分别位于这块电路板的两侧,包括主控芯片、周围器件和接插件等。I/O数据的处理还算简单,只要排好顺序送给内存就好,所以EtherCAT接口紧挨着内存。PCI-E接口相对来说比较复杂,位置给设计到了另一侧。其实CONTROL ENGINEERING China版权所有,在工作现场左右两边是互相搭配,协同工作的,研华WISE-5580将两者很好的融合在了一起。

  研华WISE-5580边缘控制器底部散热层

  第4层是散热层,也很重要,同样关系到整个系统设计的成败。从图上可以看出,研华WISE-5580控制器采用了嵌入式无风扇设计,直接由外壳来提供散热,减少了因为风扇的不可靠所造成的风险。具体来看,实际用来给CPU导热的铜管镶嵌在底部外壳之中,加宽铜管表面通过导热硅胶直接压在CPU表面之上,从而保证CPU的散热。
  在底部外壳的外侧有很多齿条来增大散热面积,可以很快把内部热量散发到空气中。这种主动散热虽然比不上风扇散带来的效果好控制工程网版权所有,但是在保证散热效果能够满足的情况下,可靠性拥有最大的保障。据官方资料介绍,WISE-5580的工作温度是 -10 ~ 60°C,这与一般的PLC温度范围相仿。
  研华WISE-5580的上电实测

  研华WISE-5580边缘控制器加电开机

  研华WISE-5580边缘控制器可以两路电源供电,极大保障了电力供应的可靠性。内置了HMI(人机界面),支持VGA与HDMI双显界面,减少了对可视化的附加设备的需求。当我们给这台WISE-5580加上电源,接上显示器、键盘、鼠标等输入输出设备后,开机启动后就可以在Windows界面下对所有任务内容进行可视化的编程和操作。

  研华WISE-5580边缘控制器系统配置

  还是那个熟悉的Windows系统界面,在“我的电脑”的属性中可以查看到这台计算机的更多基本信息。界面显示这台计算机的制造商是Advantech(研华),安装的是64位系统,8G内存,搭载英特尔赛扬3955U处理器,主频是2.00GHz。
  前面说到,WISE-5580采用分核分系统技术控制工程网版权所有,使得Windows桌面平台与高实时性和稳定性的CODESYS内核整合在CPU不同的内核中独立运行。其中,Windows内核专注数据处理,CODESYS内核专注逻辑控制,从而实现了在拥有PLC自动化技术的同时,还兼顾信息化与大数据处理能力。而让这一切成为可能的正是CODESYS软件,它是一款基于先进的.NET 架构和 IEC 61131- 3 国际编程标准的软件开发平台。

  研华WISE-5580边缘控制器的CODESYS编程环境

  在本次实测用的这台WISE-5580上,已经默认安装了CODESYS软件,并可以根据客户需求,提供不同版本,它可以将任何嵌入式系统或PC机转化为基于IEC 61131-3标准的功能强大的控制器系统,同时降低编程及维护难度,PLC工程师、C/C++高级语言工程师、LabView,Python的用户皆可快速上手。
  另外,借助开放的Windows平台,通过安装上位软件,能够实现将运动控制,机器视觉,数据库联网及MES整合在同一控制系统内,助力设备自动化向设备智能化转型。
  打个比方,要实现一个通过机器视觉实现机械手臂精准定位的动作,可以先将影像识别软件安装到Windows系统上,左侧外加USB 3.0模块或PoE模块来连接工业相机,右侧选配EtherCAT I/O模块来控制机械手臂。如果还想进行预防保养,可以配置采集分析软件在主机上,右侧添加I/O模块来采集机器手状态诊断数据,左侧扩展数据储存模块与无线网络模块,分别用来进行本地存储和重要设备上云,这一切变得简单和轻松。

  研华WISE-5000系列将众多功能整合到一起

  实测心得:IIoT离不开一个边缘控制器
  上面的实测,证实了研华WISE-5580边缘控制器确实是一款体积小巧,设计结构巧妙,运算能力出众,兼具PLC控制和数据处理的创新设备。并且,CODESYS软件在里面起到非常重要作用,赋予了工业计算机逻辑控制的能力,以及一体化编程的能力。
  根据研华WISE-5580的特点,我们不仿总结出一个边缘控制器所具备的四个特点:
  第一
  IPC和PLC融合大幅度提高了运营效率和加工节拍。传统的PLC+IPC方案是通过网线来连接的,很多不确定性因素会造成连接中断,比如接插件的松动,或者是现场的电磁干扰。边缘控制器将IPC和PLC融合到一台控制器,乃至是一个CPU中,同时采用分核分系统技术保持相互独立运行,整个系统硬件稳定性大大提高。
  第二
  边缘控制器具备足够丰富的接口来连接多种执行部件,支持多种协议,以应对生产现场不同厂商和不同执行部件之间的整合,打通工厂各个环节,解决多厂家集成问题。
  第三
  基于IEC 61131-3国际标准编程方式,降低编程及维护难度。面对当前集成机器人、多轴运动控制、CNC、数据库、机器视觉等各种丰富功能的项目,传统的PLC+IPC至少需要两位以上工程师人员,其中一个懂PLC,另一个需要懂高级语言,很容易出现配合程度不够和兼容性问题。边缘控制器允许在标准协议下进行编程,实现互换性和可重用性,降低时间成本和资料成本。
  第四
  边缘控制器可以实现运动控制、过程控制、IO采集、无线传输、远程运维、机器视觉、数据库与云计算等多种功能,无缝整合IT与OT,以达到减少人工、提高设备智能化的需求。
  以上就是本次给大家带来的研华WISE-5580边缘控制器的试用实测,可以看出边缘控制器可以真正帮助设备制造商向下执行机械设备数据收集、检测、控制等任务,向上连接云端平台与资料库,在高速串联下实现IT与OT的整合,真正打通智能制造多个关节,实现设备智能化和产线柔性化。可以说,没有边缘控制器,也就没有所谓的工业物联网,也就实现不了以工业云平台为中心的未来制造。


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