【儀表網(wǎng) 行業(yè)科普】基于開放的硬件和軟件架構，軟件定義的自動化系統(tǒng)能夠利用來自多個供應商的組件創(chuàng)建更強大、更高效的應用系統(tǒng)。
在制造設施中開發(fā)強大的自動化和控制系統(tǒng)，歷來以專有技術棧為主。雖然這為用戶提供了高可靠性和確定性的系統(tǒng)，但也帶來了供應商鎖定的經(jīng)濟成本。 高昂的轉(zhuǎn)換成本限制了用戶使用最先進的硬件和軟件組件，而有限的談判能力則導致了非競爭性的長期支持協(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。當圍繞基于標準的技術框架而不是專有堆棧構建時，SDM 可用于利用最先進的技術嵌入或按需為工作負載分配資源，這可以在制造環(huán)境中顯著提高效率并增加產(chǎn)能。
技術進步推動軟件定義制造的發(fā)展
SDM架構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化系統(tǒng)允許快速重新配置和低成本的技術引入。它們還提供了使用多個供應商的組件創(chuàng)建同類最佳的應用特定系統(tǒng)的能力。通過將模塊化組件與開放架構相集成，制造企業(yè)可以創(chuàng)建出靈活且能夠應對未來技術的系統(tǒng)。
硬件和軟件的分離是開放系統(tǒng)設計的關鍵原則。這意味著只有在為了支持軟件需求而有必要時，才會對硬件進行升級。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所取代，這些平臺可以在虛擬機(VM)和容器中運行各種工作負載。這些平臺也可以使用開放、互操作的現(xiàn)成硬件來構建，從而消除了被供應商鎖定的難題。
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商生態(tài)系統(tǒng)的支持。硬件供應商面臨的問題是，SDM 存在風險，因為它會加速商用硬件的采用，從而降低每單位利潤率。但是，這種風險也為供應商提供了機會，讓他們從以硬件為中心的業(yè)務模式轉(zhuǎn)向由硬件加軟件(在某些情況下是許可)方法驅(qū)動的業(yè)務模式，以及其顯著提高利潤率的潛力。
越來越多的證據(jù)表明，行業(yè)對軟件定義制造充滿信心。一些領先的供應商已經(jīng)向工業(yè)機械和過程自動化市場推出了虛擬 PLC。這些基于軟件的虛擬化控制器在軟件平臺(通常在 IPC 或服務器上)的虛擬機中運行。虛擬機不僅包含自動化應用程序，還包含自己的操作系統(tǒng)。此功能使其獨立于主機的作系統(tǒng)，主機可以是具有標準作系統(tǒng)的 PC。
工業(yè)自動化供應商現(xiàn)在正在將虛擬化產(chǎn)品擴展到其 PLC 和 DCS 控制器中，這些控制器代表了其自動化產(chǎn)品組合中最重要的部分。未來的工業(yè)自動化市場可能會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，一些技術框架也在構建之中，以加速軟件定義制造的開發(fā)和部署。例如，開放過程自動化論壇(OPAF)的開放過程自動化標準(OPAS)提出了基于行業(yè)標準的端到端堆棧，可加快支持SDM的技術基礎設施的開發(fā)、集成和部署。OPAS旨在盡可能使用現(xiàn)有標準為工業(yè)過程自動化創(chuàng)建一個可互操作的架構。
開放式模塊化架構的優(yōu)勢
InterEdge是由 PCI工業(yè)計算機制造商協(xié)會(PICMG)制定的一項開放的機電和軟件接口規(guī)范，于2024年2月獲得批準，旨在支持工業(yè)級計算模塊、I/O 模塊和網(wǎng)絡交換機在 InterEdge 生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的互換性。
該參考架構將支持基于 Linux作系統(tǒng)的IEC 61499 運行時。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)議進行外部聯(lián)網(wǎng)。作為一個模塊化、可插拔的系統(tǒng)，InterEdge架構設計靈活，允許各種不同的實施，同時確保互操作性。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)場設備的接口功能。
交換機模塊負責本地化 InterEdge設置中的網(wǎng)絡交換。
計算模塊用作通往更高級別控制網(wǎng)絡的網(wǎng)關，并使用 IEC 61499和IEC 61131等標準為過程控制系統(tǒng)執(zhí)行監(jiān)管功能。
通過用開放的模塊化架構取代諸如可編程邏輯控制器(PLC)之類的專有邊緣設備，工業(yè)企業(yè)可以避免因被供應商鎖定而帶來的諸多經(jīng)濟損失。例如，如果面臨設備過時或需要更高的計算能力或安全性的情況，在線進行 “拆除并更換” 會產(chǎn)生高昂的轉(zhuǎn)換成本。因此，這些邊緣組件往往會在數(shù)十年內(nèi)保持不變，功能也一直固定。
相比之下，InterEdge模塊的標準化允許工廠在運行時進行在線升級和更換。它指定模塊尺寸、物理接口、電源總線和安裝細節(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等新興趨勢來提升自身的競爭優(yōu)勢。
InterEdge是OPAS等框架和SDM等計劃的基礎，因為它提供開放、可互操作、基于標準和熱插拔的計算和 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輕松地從一種技術、制造工藝或應用過渡。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，并將其作為能夠運行符合OPAS軟件棧的軟件定義制造參考架構的基礎。
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