融合OT与IT技术的开放式边缘计算PLC实践

工业自动化系统进入到工业4.0时代，工业物联网、工业云平台、信息化、OT(Operation Technology)与IT(Information Technology)融合等等概念不断涌现，而传统的工业控制系统通过技术升级，也在快速与新技术进行融合（例如:MQTT，OPC-UA，VPN等），当然大量的传统控制系统目前依然需要工业物联网网关产品实现与IT层的数据交互。IT工程师与OT工程师需要经过大量的沟通，并且在云平台后端需要构建不同的数据处理流程。随着应用深入，云平台将越来越庞大，并且难以很好适应工业自动化领域的多品种、小批量、定制化的需求。

本文介绍一种融合OT与IT技术的边缘计算PLC平台框架，结合符合IEC61131-3标准的LogicLab开发平台，并在树莓派3硬件平台上进行实践，让IT工程师能够与OT工程师基于同一个边缘PLC控制器上协同工作，让更多的数据在边缘侧进行处理，降低沟通以及应用成本。

我们认为在工业4.0时代，边缘PLC控制器是作为IT与OT的桥梁，同时负责IT层的部分数据处理、通讯以及OT层的工业现场应用处理。在IT层主要支持MQTT、OPC-UA等等信息化技术用于与工业云平台，MES等系统进行数据交换，而在OT层则依然支持传统的现场控制技术，如：IEC61131-3编程、PLCopen MC运动控制、EtherCAT、CANopen、Modbus等等技术，同时边缘PLC控制器可以进行本地以及远程Web技术的数据展示。详细架构如下图所示：

边缘PLC控制器面向OT应用，具有开放式编程环境的支持，主流方向是采用IEC61131-3标准的五种编程语言对现场应用逻辑进行编程，包括：功能块图FBD、梯形图LD、结构化文本ST、顺序流程图SFC与指令表IL。一个典型的IEC61131-3编程平台LogicLab软件如下图所示：

IT工程师受限于不同的技术方向以及对工业现场理解，基本没有机会参与到OT层的应用实现上，因此为了让IT工程师更深入参与到整个工业应用中来，这里我们在边缘计算PLC体系中增加了由IBM开发的图形化开源物联网应用开发平台Node-RED，专门用于IT工程师对工业物联网应用逻辑进行开发，并且可以与OT层的IEC61131-3运行系统快速进行数据交换。这样OT与IT工程师在边缘计算PLC控制器上共同协同工作，由于软件架构上LogicLab Runtime与Node-RED为不同的进程，并且在树莓派3上通过实时Linux技术（或者在Windows平台上通过INtime实时系统技术），将其彻底隔离，互相不影响的同时又可以通过内存共享（Shared Memory）方式快速交互数据，架构图如下：

Node-RED是基于Web的图形化开源物联网应用开发平台，最初由IBM开发并开源，借助于其简单的应用方法与NodeJS的强大软件生态，Node-RED在物联网领域已经有不少非常成功的应用。通过对Node-RED进行二次C/C++扩展开发，Node-RED已经支持LLSymbol指令，IT工程师通过图形化拖拽以及设定参数即可与OT层的IEC61131-3运行系统进行控制器内部数据交换，大大降低了传统采用物联网网关方案的应用成本，以及提高了IT工程师灵活自主的空间。

IT工程师利用Node-RED技术可以很方便应用NodeJS中丰富的库功能，对数据进行边缘测及时处理，而不需要到云端设计复杂的数据处理流程，从而将边缘计算的优势彻底发挥。Node-RED面向IT工程师的开发平台如下图所示：

IT工程师在Node-RED中可以随时与OT工程师在LogicLab中编写的逻辑进行数据交换，例如下图是OT工程师在LogicLab中实现的工业现场PID控制：

借助于Node-RED强大的数据展示功能，我们完全无需复杂编程就可以设计出本地与远程Web形式的数据展示以及交互界面，我们可以在PC或者手机上随时通过Web浏览器实时查看这些数据，或者进行交互。而实现这些动态数据展示以及交互界面，仅仅只是需要使用到dashboard的流程功能而已，IT工程师实现的PID展示与交互界面如下图所示：

现在我们来进行简单总结，通过OT的IEC61131-3控制技术与IT的Node-RED技术深度结合，可以大大降低工业物联网应用难度与成本，更多原来在云平台端的数据处理可以放在边缘计算PLC平台上由Node-RED来负责，提高了数据处理及时性，简化工业云平台或者MES系统的数据预处理功能。

最后翌控科技将边缘计算PLC控制器方案进行了简单梳理，由于Node-RED是基于NodeJS的组件，在处理数据上具有较高的灵活性，但是缺点是其CPU占用率依然较高（基于标准测试工程进行3个Flow的运算，Node-RED在树莓派3上的CPU占用率为单核心40%左右）因此我们推荐至少如下平台可以更好支持该解决方案：

- 嵌入式: 多核心，主频大于1GHZ + Linux(实时内核Xenomai-面向运动控制，实时内核PreemptRT-面向流程控制)

- PC Based: Atom Baytrail双核处理器以上级别 + Linux(实时内核Xenomai-面向运动控制，实时内核PreemptRT-面向流程控制) / Windows+INtime实时扩展