具有PLC功能的边缘控制器——数据分析和实时控制两者兼得

    在供水自动化和控制方面，与现有棕地设施相比，绿地项目提供了一个全新的机会，可以实施“设计”而不是“改造”的数字化转型解决方案。

    对于负责此类项目系统集成的工程公司来说，绿地项目代表着在预算和时间限制内采用新技术的机会，这些新技术可以优化性能，减少占地面积，满足当前和未来的系统要求，并为强化现场服务和运营提供机会。这些优势足以让任何系统集成商重新审视先进的自动化和控制系统。

    一个绿地项目挑战来自沙特新未来城（NEOM），作为目前世界上最大的新城市发展项目之一，它正在紧锣密鼓地建设中。该项目是一个大都市区，包括一个大型市中心，以及岛屿、海滩和山区开发项目。Drakken是一家总部位于阿联酋迪拜的工程和系统集成公司，被选为主要的自动化承包商（MAC)，为Neom供水系统提供自动化解决方案。

01 可扩展的自动化系统

    新城供水系统沿着海岸线延伸超过约65公里，沿着山地延伸超过75公里，这一特殊挑战带来了广泛的环境压力。海水淡化厂是淡水来源，该系统包括管道、泵站和储罐系统。随着城市建设的推进，供水系统每天需要向核心开发区输送超过50,600立方米的淡化水，以用于建设施工和日常使用。

    为了供应开发过程中所需的水资源，并为未来扩大的需求做好准备，Drakken公司需要为供水系统配置监控系统，以确保将因泄漏和蒸发而造成的水损失降至最低。它必须在复杂、崎岖的地形中提供一个可扩展的解决方案，并且可以随着持续的开发而不断扩展。该项目的关键性要求监控系统必须具有网络安全性，并可以在不中断的情况下提供高可用性。它必须能够连接整个架构中所部署的不同第三方系统，以提供统一的监控。

02 具有PLC功能的边缘控制器

    由于该项目是新建的，没有需要集成的老旧硬件，因此Drakken在供水系统中使用了边缘控制器。这种配置将确定性和非确定性实时控制结合在一个监控平台中，在同一个设备中提供可编程逻辑控制器（PLC）和边缘计算机系统的功能，从而节约了成本、空间和集成时间，降低了复杂性。

    边缘控制器技术在“看-想-做”控制回路之上，集成了一个“外回路”和“建议层”（图 1）。如果外回路中断，实时确定性控制不会受到影响。该功能允许用户连接到任何首选的云服务，并在控制系统边上开发和运行基于Linux的数据处理应用，以优化过程并改善结果。将边缘数据分析和实时控制相结合，提供了实时见解、内置灵活性、运营效率，获得更高的资产性能。

▲图 1: 典型的“看-想-做”控制回路上的“外回路”和“建议层”，是艾默生PACSystems CPL410边缘控制器技术的一部分

    控制技术软件是预装的，使Drakken公司能够灵活地将控制器用于多种场合，如Linux协处理器、基于Web的本地人机界面（HMI）、黑匣子记录器和数据记录器以及远程报警。高效的全项目集成资产管理软件功能有助于减少故障模式，并实现整体数据健康以及预防性和预测性维护（图2）。

▲图2:艾默生PACSystems通信概览显示了与HMI和SCADA系统、智能仪器、使用串行通信的设备以及启用基于以太网输入输出功能设备的交互

    在20多个泵站和供水中心中，Drakken使用控制系统来控制泵和阀门的运行。为了满足可用性需求，控制解决方案包括了内置冗余。冗余电源输入可实现更高的可用性、可靠性和生产效率。快速网络恢复技术有助于保护关键应用，从而免受网络中断或临时故障的影响。

03 数据收集、分析和过滤

    安装在各个地点的边缘控制器通过Linux引擎收集、分析和过滤运行数据，并随时准备通过消息队列遥测传输（MQTT）协议连接和发送数据到云端。由于需要与流量计、每个过滤系统站的射频识别系统等多种第三方设备连接，因此控制系统和软件必须具有灵活性，能够使用标准通信协议与工厂底层设备和监控系统通信，以实现最大程度的互操作性和易用性。可选的协议选项包括DNP3、IEC 61850、IEC 104、HART Pass-through、EGD、SRTP、Modbus-TCP/RTU、Profinet 和 OPC UA。这些控制器在具有多个光纤环的复杂架构中执行高速数据采集和控制，使用各种工业协议连接到500多个外部设备。

    Drakken选择了一个基于高级监控和数据采集（SCADA）的软件平台来与控制器进行交互，部分原因是其可扩展性可支持冗余服务器上的无限标签。该软件每隔10米收集和分析一次数据，用于泄漏检测和管道泄漏定位。标签数据可存储五年，并可进行故障预测和主动纠正，从而提高资本利用率，降低运营成本，加快投资回报。

    该平台自动导入PLC标签，防止错误并节省调试时间。该软件的Web客户端配置允许通过任何移动设备进行远程访问。随着供水系统规模和复杂性的增加，远程访问功能的价值也将不断提高。

▲图 3：艾默生PAC安全中心实现了安全地消息传递

04 符合工业环境规范

     为了满足各种不同的环境需求，Drakken公司所采用控制系统的工作温度范围为-40至70℃，湿度范围为5%至95%，无冷凝。风扇很容易发生故障，而现代控制技术可在无需风扇的情况下应对极端环境。与需要降低阀门以适应高温的标准控制器不同，新技术使应用能够在非常高的温度下持续运行，而不会影响控制性能。

    控制硬件基于防振部件和连接，有助于最大限度地减少故障点，并确保在快速移动、搅拌或高冲击应用中可靠运行。非导电保形涂层为电气元件提供了一个保护屏障，防止恶劣或极端条件引起的污染、湿气和腐蚀。

05 使用安全设计功能

    除了物理安全，Neom新城系统还需要强大的网络安全保护。Drakken公司实施的系统采用了安全设计理念，包括可信平台模块（TPM）、安全引导和安全固件更新。从硬件和软件到通信和开发过程，内置安全策略构建在所有层面。

    该系统在设计上是安全的，允许对重要系统组件的完整性进行验证和确认。安全通信有助于防止攻击者未经授权而访问控制器。Achilles 2认证可预防拒绝服务（DoS）或中间人网络攻击，或任何未经授权的固件更改。

    Drakken公司业务发展经理Ritesh Contractor表示，“先进的控制解决方案通过先进的供水互联网基础设施，将Neom的供水网络完全连接起来，以确保最大限度地减少水损失，使Neom处于水技术的前沿，并确保高度可持续性。”

    虽然很少有系统集成商会为一个新城市实现自动化和控制的应用，但Neom应用显示了任何系统集成商都可以借鉴的步骤。即使在棕地系统中采用新技术也可以节省空间，减少复杂性，从而在降低风险和提高安全级别的同时帮助客户节省成本。

    ▲本文来自于控制工程中文版杂志（CONTROL ENGINEERING China）2024年3月刊《应用案例》栏目：具有PLC功能的边缘控制器在水务项目中的应用