智能控制技术的本地处理单元-边缘计算

智能制造是将先进的数字技术和自动化系统融合，从而实现了生产过程的智能化、灵活性和高效管理。但是传统的工业控制器已经难以满足这些需求,因此迫切需要一种新型的边缘计算控制器来满足智能制造的要求。边缘计算控制器作为信息技术(IT)和运营技术(OT)之间的关键接口,在实现边缘计算、数据处理和设备控制等方面发挥着重要作用。

边缘计算控制器的架构

一种典型的边缘计算控制器通常由三个主要部分组成:设备层、边缘层和云层。

1. 设备层（Device Layer）

设备层主要由传感器和控制器组成，这些设备负责直接采集和控制物理世界中的信息。典型设备包括智能手机、自动驾驶汽车、机器人和工厂设备等。它们通过传感器捕捉数据，并通过控制器来执行特定的操作。这些设备会产生大量的数据，这些数据首先被发送到边缘层进行初步处理。功能：

数据采集：通过传感器持续监控设备状态或环境变量（如温度、速度、光照等）。

执行控制：通过控制器来触发相关操作，如设备启停或功能调整。

2. 边缘层（Edge Layer）

边缘层是数据的第一道处理防线。通过边缘节点/服务器，该层负责对来自设备层的数据进行实时处理、过滤、简化和缓存，从而减少延迟并提升响应速度。在某些情况下，边缘设备可以根据算法直接做出决策，而无需将所有数据传输至云端。功能：

数据处理与简化：将设备层产生的原始数据进行压缩、筛选、预处理，保留核心数据。

数据缓冲与缓冲：应对突发的数据流量，防止云端因数据过载而出现瓶颈。

控制反应：在本地进行即时决策，特别是对低延迟要求较高的应用场景，如自动驾驶和工业控制。

虚拟化：可以在边缘层中运行虚拟机或容器，以便对多个设备进行统一管理和控制。

3. 云层（Cloud Layer）

云层是整个架构的顶层，主要用于大数据处理和数据仓库。云服务器从边缘层接收简化和处理后的数据，然后利用更强大的计算资源进行更深层次的数据分析、模型训练和存储管理。云端还负责全局数据的长期存储和复杂任务的运算，如人工智能模型的训练和优化。功能：

大数据处理：云服务器能够处理来自多个边缘节点的大量数据，并进行复杂的运算和分析。

数据仓库：存储海量数据，提供历史数据的查询与分析功能。

全球互联：通过互联网连接各地的边缘服务器，实现全球范围内的协作和数据共享。

边缘计算控制器的关键技术

工业物联网(IIoT)

工业物联网(IIoT)是物联网(IoT)在工业领域的应用,是IoRT的核心。IIoT实现了机器人、传感器和其他设备之间的无缝通信和协作,为自动化和智能化奠定了基础。温度、压力、接近、运动和力/扭矩等传感器在监控制造设备和流程中发挥关键作用,提供了有关运营效率、预测性维护和产品质量的宝贵见解。

1.边缘物联网

边缘物联网支持实时决策、减少延迟、提高带宽效率并提高整体可靠性。即使在网络连接间歇性或有限的情况下,边缘计算也可以确保生产不间断并最大限度减少中断。同时,它还能够提高数据隐私和安全性,因为敏感数据可以在本地进行处理。

2.可编程逻辑控制器(PLC)

PLC充当IoRT生态系统中的自动化协调者,管理和协调互连的设备、机器和系统。PLC提供实时数据,为决策者提供有价值的信息,以进行主动维护和优化资源分配。它们在设备之间的无缝数据交换和通信中发挥关键作用,简化生产工作流程并实现同步。

3.传感器

传感器是物联网的"眼睛"和"耳朵",使机器人能够与周围环境交互并了解环境。温度、压力、接近、运动和力/扭矩传感器等在监控制造设备和流程中发挥关键作用,提供有关运营效率、预测性维护和产品质量的宝贵信息。

4.生成式人工智能

生成式人工智能是一项可以利用现有的数据和模式,创建新颖的设计、解决方案和优化策略,彻底改变机器人设计,实现机器人动作和制造流程的自动化。

5.与ERP系统的集成

将IoRT与企业资源规划(ERP)系统集成提供了一种整体的制造管理方法。ERP系统充当资源规划、库存管理和生产调度的中心枢纽。通过将IoRT数据与ERP系统连接,制造商可以获得实时生产洞察、优化库存管理、增强的预测性维护、无缝生产计划以及质量控制和合规性等优势。

6.人机交互(HMI)和用户体验(UX)

HMI和UX在最大限度发挥物联网潜力方面发挥着关键作用。直观且用户友好的界面可实现操作员和机器人系统之间的无缝交互,提高生产力并缩短学习曲线,增强整体用户体验。

结语

边缘计算控制器作为IT和OT之间的关键接口,在实现边缘计算、数据处理和设备控制等方面发挥着重要作用。其分层架构使其具有良好的可扩展性和可重用性,可以适用于多种类型的工业设备控制应用。协作机器人、计算机视觉和人工智能、工业物联网、边缘物联网、PLC、传感器、数据分析以及生成式人工智能等关键技术的融合,为边缘计算控制器赋予了强大的功能。同时,与ERP系统的集成以及HMI和UX的优化,进一步提升了边缘计算控制器在智能制造中的应用价值。未来,随着技术的不断发展,边缘计算控制器必将在工业自动化和智能制造领域发挥更加重要的作用。