如何評估和選擇工業控制器——PLC、PAC、IPC還是邊緣控制器？
工業控制器（例如這種傳統的PLC/PAC）通常安裝在它們所監視和自動控制的裝置或過程所在的本地控制面板中。本文圖片來源：Opto 22
作者 | Benson Hougland
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選擇最佳的工業控制器，需要根據不同應用的各自特點來評估自動化、通訊和安全方面的需求。
”
在以前，提供可靠的實時控制功能是負責自動化機械、裝置和過程的人員的主要工作目標。如果設計人員和工程師可以選擇數字控制平臺，將其與現場裝置整合，透過程式設計使其能夠按照預期的方式執行，其系統能夠可靠執行長達數十年，那麼這項工作就完成的很好。
現在的情況要好很多，但涉及的範圍更廣，因為有更多新的控制技術可供選擇。由於使用者希望最佳化執行效能、提高可視性以及與監控系統之間的出色連線性，因此需要更多的參與。由於終端使用者需要更多的高階功能，因此基本功能已不能滿足需求。作為響應，設計人員和原始裝置製造商（OEM）必須評估市場上可選的控制器，以便為每個自動化應用提供合適的功能組合。
這項工作首先要做出的基本決定是：從物理和電氣方面考慮，在需要控制器執行的地方，該控制器是否能夠正常工作。除了基本要求之外，還有更高階的標準：是否具有程式設計選項、網路連線、安全性、通訊協議、靈活性和可擴充套件性等。基於這些因素，本文比較了幾種流行的控制器型別，以幫助設計人員可以更多瞭解對他們的應用至關重要的因素。
4 種類型的控制器
在實現機器和過程自動化方面，製造業正受益於數字控制平臺的不斷進步。該技術通常被稱為運營技術（OT）。任何OT 控制平臺，都包含控制器和相關產品，例如輸入/ 輸出 （I/O）模組、操作員介面終端、人機介面（HMI）、儀表和其它裝置。
對於自動化系統來說控制器相當於大腦，它決定了詳細的設計路徑，因此必須儘早選擇控制器元件。儘管產品在功能上有所重疊，但以下是OT 專案中最受歡迎的4 種控制器型別：
1
可程式設計邏輯控制器（PLC）
提供基本但功能強大的控制選項，尤其適用於離散控制應用。
2
可程式設計自動化控制器（PAC）
與PLC類似，但在通訊、資料處理和過程控制應用方面，通常更先進。
3
工業計算機（IPC）
堅固耐用、功能強大的計算機，使用者需要投入大量工作來整合硬體、軟體和遠端輸入/ 輸出（I/O）以實現控制功能。
4
邊緣可程式設計工業控制器（簡稱邊緣控制器）
內建PLC/PAC 功能，但結合了高階程式設計和安全選項、本地視覺化和廣泛的通訊功能，就像PC 一樣。
在為應用選擇控制器時，通常會有多個可行的答案。為了選擇最合適的控制器，需要評估多個特性，並考慮不同應用環境下的具體應用情況。
在任何自動化專案中，控制器都扮演著核心角色（見圖2）。它們可能需要擔負如下功能的實現：
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圖2 ：工業自動化控制器必須在現場執行直接控制裝置，與其它智慧裝置進行互動並與監控系統進行良好通訊。
監視和控制I/O 點；
與其它控制器進行互動；
與智慧現場裝置連線；
與操作員介面終端和HMI 視覺化系統介面；
與監控和企業級系統進行通訊。
每個應用都是唯一的，因此審查潛在的重要標準清單，瞭解相關事項，對於確定哪種控制器型別最適合該應用大有裨益。表1 列出了控制器選擇標準的清單，可按主題（例如，形狀因數、可程式設計性、安全性等）進行核查。這些建議的權重是基於大多數情境下的評估，具體效能可能會因特定的應用而異。
PLC 和PAC，經典之選
PLC 和PAC 都是針對OT 角色而構建和最佳化的，代表了經典的控制器選擇。當然，PLC 和功能更全的PAC，已成為大多數機器和很多過程的主要控制產品。它們快速、可靠且價格合理，完全適合惡劣的工業環境。還有其它一些補充產品（如操作員介面終端和HMI），也可以向這些平臺提供視覺化以及其它功能。
但是，許多PLC 和PAC 受累於專有連線、專用軟體和許可成本。從現場裝置和I/O 網路的角度來看，由於使用乙太網和標準化工業協議，這種情況已大大改善。同樣，隨著PLC/PAC 採用IEC 61131-3 程式語言和跨平臺程式設計環境（如CODESYS），軟體也變得更開放。不過，PLC/PAC 平臺中一些老舊的因素可能會具有某種慣性作用，會延緩最新技術的應用。通常，在對高階網路和安全功能的支援普遍較弱的情況下，這種慣性最為明顯。在OT 層級中，PLC/PAC 提供了良好的連線性，但是它們往往缺乏對以IT 為中心的程式語言和協議（例如HTTPS 和訊息佇列遙測傳輸（MQTT））的支援。對於需要內建連線到以IT 為中心的企業應用程式和資料庫的應用來講，使用者通常需要整合其它硬體和軟體來彌合兩者之間的差距。
安全因素也與此類似。在PLC/PAC 剛誕生時，現代意義上的網路安全基本上都不存在。如果將PC 和邊緣控制器通常包含的功能，例如安全使用者帳戶、加密的通訊和虛擬專用網路（VPN）配置到PLC/PAC 上，這需要終端使用者支付高昂的費用，並承擔一定的風險。更好的選擇是，確保任何必須的安全功能都是控制平臺固有的功能。
提供更多功能的IPC
由於PC 技術變得更容易獲得，而且更具有價效比，許多使用者開始將PC 用於工業控制領域。PC 的商業基因和規模經濟性，確保了對硬體和作業系統平臺的充分理解，並且PC 解決方案具有足夠的計算能力和顯示選項。
但是，使用者很快發現商用PC作為工業控制器應用，存在很多先天不足。為了應對這種情況，供應商研發出了堅固耐用的PC或IPC，這樣它們就可以在機器環境中可靠地執行。這樣，使用者就可以將IPC 用作自動化、視覺化和通訊的多合一控制平臺。
IPC 還為使用者提供了一種執行更高階程式設計或資料處理選項的方式，並且比PLC/PAC 更具優勢：這些系統可用於與IT 為中心的通訊並與許多IoT 介面。
但是，基於IPC 的控制有很多工作需要您親自動手。終端使用者必須選擇基本的IPC，並自己配置其它硬體和軟體產品，形成一個統一的、結構緊湊的軟體包，以實現控制、視覺化、通訊協議和遠端輸入/ 輸出（I/O）解決方案的整合。自己動手的結果可能會產生理想的匹配和選擇，但它也可能成為一個定製系統，在技術支援方面存在一定的挑戰，並且隨著時間的推移，可能會更加難以管理。
儘管IPC 的靈活性使其在成為工業控制器方面具有一定的吸引力，但建立和維護一個完整的系統仍存在許多障礙。
邊緣控制器的成本效益
邊緣控制器裝置是工業自動化領域的最新發展。新一代控制器的設計，旨在利用最新的IT 通訊和物聯網方面的技術進步，同時保留PLC/PAC 在OT 方面的優勢。對於許多應用而言，這種多種技術的組合能夠滿足多種應用需求，使邊緣控制器非常適合工業應用。
邊緣控制器具有OT 解決方案的優點，而且它們堅固耐用，可承受極端溫度，並提供眾多的整合I/O。可以選擇流程圖或滿足IEC 61131 標準的程式語言對某些邊緣控制器進行程式設計（圖3）。邊緣控制器可以直接替換現有的PLC/PAC 應用，也可以直接應用於新專案。
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圖3 ：邊緣可程式設計工業控制器，包括傳統的以OT 為中心的控制器功能，還集成了以IT 為中心的網路和移動技術。
對OT 環境友好的邊緣控制器還有其它優勢。例如，一個配置了板載觸控式螢幕顯示器的邊緣控制器可以充當本地HMI。它還可以用於系統配置和診斷，使支援人員無需依賴其它裝置。內建網路、USB 和HDMI 埠，使使用者可以輕鬆地與邊緣控制器介面。在後臺執行嵌入式Linux，邊緣控制器可使用該版本或類似的嵌入式作業系統。儘管使用者可以像與PLC/PAC 一樣與之互動，但還可以實施更高階的功能。邊緣控制器的PC血統，使其能夠同時使用擴充套件程式語言（例如C++，Java 和Python），從而為使用者提供了程式設計靈活性。
對任何控制應用， 邊緣控制器都可以在本地以獨立模式執行。當它們連線到位於邊緣的感測器和裝置上，過濾和處理物聯網（IoT）資料，並與本地或雲端的企業系統通訊時，就會帶來更大的價值。如果它們具有面向裝置的通訊協議、以及用於配置拖放資料連線的協議，則更是如此。具有這些功能的邊緣控制器，消除了對中繼硬體或軟體層的需求（參見圖4）。
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圖4 ：本機IT 和OT 通訊功能，使邊緣控制器能夠展平自動化架構，從而避免了複雜的硬體和軟體中繼層。
與PLC/PAC 不同，邊緣控制器內建了安全性，特別是一些控制器可提供一對分段的、不可路由的乙太網埠：一個用於OT 網路等受信網路的埠，而另一個則用於連線因特網等不受信任網路的埠連線。安全的帳戶可直接在控制器級別進行處理，資料通訊經過加密，幷包含內建VPN。所有這些措施都有助於使控制系統具有可移動性，以及更好的網路安全性。
邊緣控制器可以為工業自動化應用提供像PLC/PAC 一樣靈活的OT 控制平臺，同時還具有IPC 的優點。作為具有板載視覺化和安全連線的、全面的多合一解決方案，邊緣控制器是非常具有成本效益的控制器。對於終端使用者而言，有更多選擇當然更好。多年以來，在自動化和控制平臺方面，終端使用者和OEM 廠商已經享受了PLC、PAC和IPC 所帶來的可靠選擇。結合了這三種領先控制器的優點，現代邊緣控制器為製造企業提供了一個具有吸引力的選擇。
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本文來自於
控制工程中文版（CONTROL ENGINEERING China）
2020年05月刊《封面故事》欄目，原標題為：如何評估和選擇工業控制器？
