四個熱詞，四類方案，工業物聯網的二個關鍵設備

2022-07-22 來源：作者：深圳市中電網絡技術有限公司

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前言

物聯網是看得見摸得著的“實物”，電表自動抄表、自動充值付費和錯峰計費是中國最成功的物聯網應用，是家喻戶曉的事情。但是，工業物聯網是什么，與物聯網的異同點，許多人還不清楚。對于2B制造業，工業物聯網走進工廠，廠長、車間主任在工業物聯網項目落地時還要考慮工業計算機與PLC的采購和選型，他們是工業物聯網最重要的智能計算與控制單元。我們今天來談談物聯網、工業物聯網、工業計算機和PLC四個行業熱詞以及他們的產品應用方案。

物聯網和工業物聯網的異同

工業物聯網是物聯網在工業環境的應用。工業物聯網注重機器對機器(M2M) 通信、海量數據和機器學習。相比之下，物聯網更側重于商用設備互聯和應用程序，上行數據大，下行數據少，數據采集多，執行控制少。但是，工業物聯網和物聯網具有相同的架構，它們都需要傳感器、設備、連接選項和數據分析。工業物聯網設備需要堅固耐用的設計質量來承受嚴苛的工業環境部署。

物聯網連接更多的商用設備，如智能手表、智能小工具、智能冰箱等，而工業物聯網互連工業環境中使用的設備，如生產線、醫療設備、智能交通和其他關鍵任務工業部署。因此，工業物聯網解決方案架構使用的設備必須堅固耐用且能夠承受具有挑戰性的工業環境。盡管物聯網和工業物聯網設備之間存在差異，但它們仍然具有相同的物聯網解決方案架構。

工業計算機和PLC的異同

自動化是提高工廠產量和降低制造業成本的關鍵因素，是工業物聯網的核心意義。工業電腦 (IPC)和可編程控制器（PLC）是自動化乃至工業物聯網最重要的計算、執行計算與控制單元，他們能有利推動機器和人工交互方式的工業自動化水平。我們先來看看IPC和PLC的異同，再討論哪種類型的雙控系統是最合適的。

· 關于PLC

可編程邏輯控制器(PLC) 廣泛用于工廠自動化流程。早在1970年代，PLC就改變了自動化系統的游戲規則，旨在取代繼電器、電器面板和開關盒。隨著時間的推移，PLC 已經升級為更堅固的設計、可擴展的功能和可編程系統。PLC的編程語言（稱為梯形邏輯）允許PLC高度可定制以實現機器自動化。這種堅固性和多功能性使PLC成為替代舊繼電器和開關盒的流行選擇。

· 關于IPC

隨著計算機芯片變得更強大、更小、更便宜，IPC在自動化行業中越來越受到關注。IPC可以涵蓋PLC 提供的監督控制，但具有更多工作負載，例如 HMI、網關、AI 應用程序等。由于GPU、TPU、VPU、NVMe SSD等性能加速器，IPC能夠執行這些工作負載的整合,整合工作負載可減少其在工廠車間內的硬件占用空間。普通計算機和工業計算機有著非常相似的基本組件，例如CPU、RAM、SSD 和GPU。但是，工業電腦的制造和設計能夠承受極端環境條件，從極端溫度到沖擊和振動暴露。IPC極其堅固的設計和制造材料是無風扇設計、一體式機箱和工業級材料。它們不僅支持最新技術，還支持工廠自動化中常見的傳統技術，如串口、COM、M12 連接器、DIO、GPIO 等，導致工業PC 在制造自動化方面的快速增長。

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· IPC和PLC有7個異同點

1. 運營吞吐量

PLC帶有一個實時操作系統，可以持續監控來自連接設備的輸入，然后根據其程序執行決策命令。PLC的操作系統專為執行與控制相關的任務而設計，自備防病毒程序或注冊表清理程序，減少操作處理吞吐量。

IPC可以執行與PLC相同的任務，其操作系統使它們能夠運行PLC無法使用的復雜應用程序。IPC不僅僅實現控制，還可以整合工作負載，從而減少硬件占用空間。IPC 的操作系統（如Windows 和Linux）容易受到網絡攻擊，但當前的防病毒軟件和防火墻已經足夠先進，可以降低這種風險。

2. 編程工程師群體

IPC和PLC之間的下一個區別是程序的開發和執行方式。PLC通常實現基于掃描的程序執行，而IPC通常是事件驅動軟件。例如，PLC 軟件邏輯在IEC 61131-2 標準中指定，如梯形邏輯或其他專有供應商語言。相比之下，IPC使用諸如 C/C++/.NET 等編程語言在Windows或Linux操作系統上運行。可以看出，IPC編程工程師群體大，梯形邏輯需要培訓特殊編程人員。因此IPC更容易編程，也給予與更多機器和設備進行交互。

3. 安全

安全性是工業自動化的不利因素之一，也是當前的技術弱點。工業系統應該處理兩個安全基礎。首先，阻止來自未經授權的外部訪問的攻擊。其次，根據用戶的權利或指定來限制用戶的訪問。工控機利用主板內嵌的TPM（可信平臺模塊）2.0對數據進行加密。PLC是安全的，因為它們沒有無線連接。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. 品質堅固

IPC和PLC都用于在極端環境中運行，非常堅固耐用，具備以下7點要素：

1)無風扇設計

2)高效散熱處理

3)寬溫度范圍

4)抗沖擊和抗振動

5)高IP等級

6)可擴展模塊

7)配備電源點火管理

5. 擴展能力

IPC和PLC都需要控制各種設備以進行控制、監視和通信。它們都配備了多個COM端口和其他I/O工業通信協議，包括CANbus、Modbus、Profibus、EtherCAT 和 EhterNET/IP。盡管兩者都可以支持這些技術，但是IPC是擴展槽結構，靈活性高，PLC是主板內置無法擴展。比如，IPC具有各種COM端口、LAN、USB和HDMI端口，以及無線網卡、5G 模塊、SSD 存儲到 GPU 加速器的擴展。這些功能使ＩPC能夠整合來自不同硬件的工作負載，而不僅僅是PLC。ＩPC可以自行運行HMI 應用程序，而PLC需要單獨的HMI應用程序才能在顯示面板上顯示任何內容。

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6. 處理能力和存儲

IPC可搭載先進處理器（CPU，NPU和GPU等）和存儲器，除傳統IPC功能，還可實現工業物聯網邊緣計算功能，提高終端設備智能和網絡運營效率。PLC采用專用微處理器實現特定控制功能，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對于較小的應用成本較低，而工業PC的初始成本較高。然而，隨著應用程序變得越來越復雜和計算量越來越大，PLC的累積成本可能會超過工業PC。雖然PLC的初始成本較便宜，但需要額外的計算能力或外圍設備時，價格會呈指數增長。相比之下，工業PC 的初始成本更高，但在需要升級計算能力和可擴展性時成本要低得多。

· IPC與PLC選擇平衡

當您為工業自動化系統選擇方案PCBA來搭建計算控制設備時，IPC與PLC都有自己的位置。PLC更適合運行具有特定功能的小型自動化系統。PLC堅固耐用、經濟高效且高度安全，適用于工業部署。而IPC非常適合對計算和存儲有高需求的場景，適合多功能性的復雜任務。IPC的總擁有成本(TCO) 較低，一些應用程序可以在其操作中同時使用IPC與PLC 來相互平衡成本和收益。

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