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什么是邊緣控制器？是IPC+PLC+網(wǎng)關(guān)嗎？今天就用一個實(shí)物來講解！
時間：2020-1-7 14:07:06
什么是邊緣控制器？是IPC+PLC+網(wǎng)關(guān)嗎？今天就來講解一下！
雖然這是基于PC的控制器，但邊緣控制器也不等同于單獨(dú)的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，它將PLC、PC和運(yùn)動控制器集成到同一臺設(shè)備里，兼具數(shù)據(jù)處理和邏輯控制，兩種任務(wù)可以同時進(jìn)行，又互不干擾。
為了讓您對邊緣控制器這一新的控制器類型有一個全面深入的了解，今天小編拿到了目前市場上最為典型的一個邊緣控制器——研華WISE-5580邊緣控制器，下面就通過試用實(shí)測，來揭開邊緣控制器的神秘面紗。
我們這次拿到的是研華新推出的WISE-5000系列中的WISE-5580邊緣控制器。整個控制器和無風(fēng)扇的嵌入式工控機(jī)十分相似，通體采用堅(jiān)固的金屬外殼，重量達(dá)到了1.6 kg，不過主機(jī)的尺寸要比一般的嵌入式工控機(jī)小很多，更像是一個中小型PLC的大小，具體尺寸為13.9 x 10 x 8 cm。
WISE-5580的整體外觀設(shè)計(jì)緊湊，接口布置合理，加上指示燈和散熱孔的點(diǎn)綴，體現(xiàn)出一種獨(dú)有的工業(yè)之美。特別是黑色金屬外殼讓W(xué)ISE-5580更具質(zhì)感，拿在手里也是分量十足，除了可以提供物理保護(hù)和電磁屏蔽，也擁有優(yōu)異的散熱性能
研華WISE-5580邊緣控制器的正面照
在主機(jī)正面，有9顆狀態(tài)指示燈， 2個可擴(kuò)展串口用于連接串口設(shè)備，1個HDMI和1個VGA用于外接顯示器，4個USB3.0用于外插U盤或者外接USB設(shè)備， 2個千兆以太網(wǎng)接口用于與信息化網(wǎng)絡(luò)、MES、數(shù)據(jù)庫、服務(wù)器等連網(wǎng)，也可以用于往下連接IO、伺服和相機(jī)等。同時還有兩個隱藏式設(shè)計(jì)的開關(guān)按鈕和重啟按鈕。
電源輸入接口設(shè)計(jì)在機(jī)身上側(cè)，這樣的設(shè)計(jì)既十分方便使用電源接線，又遠(yuǎn)離了正面的所有數(shù)據(jù)接口，從而不會對數(shù)據(jù)的傳輸造成干擾。此電源接口可以同時外接兩路24V電源輸入，做到冗余設(shè)計(jì)。
研華WISE-5580邊緣控制器后側(cè)面照
整個WISE-5580控制器采用無風(fēng)扇設(shè)計(jì)，散熱孔均勻的分布在上下兩個側(cè)面，十分符合熱空氣的流動規(guī)律，具備了良好的散熱效果。
在機(jī)身背部設(shè)計(jì)有13根散熱齒條、DIN導(dǎo)軌安裝槽和3個卡扣，無需使用螺絲，安裝和拆卸十分方便。
主機(jī)兩側(cè)分別為標(biāo)準(zhǔn)化的PCI Express與EtherCAT通信接口，用戶可根據(jù)特定需求選配通信與I/O模塊。
加了擴(kuò)展模塊（左）和EtherCAT I/O接口（右）的WISE-5580
機(jī)身左側(cè)的PCI Express通信接口最大支持4個擴(kuò)展，研華提供了帶4個USB3.0口的USB擴(kuò)展模塊，帶2個PoE供電千兆以太網(wǎng)模塊，帶2個RS-232/422/485的串口模塊，以及無線傳輸和存儲等四個功能模塊，用來擴(kuò)展機(jī)器視覺、串口、CAN總線、硬盤及無線網(wǎng)絡(luò)，其中無線傳輸和存儲模塊支持4G / LTE / Wifi / GPS無線通信方式，以O(shè)DBC、OPC UA、OPC DA、MQTT協(xié)議將設(shè)備數(shù)據(jù)可上傳數(shù)據(jù)庫、云平臺及MES系統(tǒng)。
主機(jī)身右側(cè)的EtherCAT I/O高速接口可以擴(kuò)展65535個節(jié)點(diǎn)，可滿足大部分自動化場合控制需求。插片式I/O模塊全部安裝在標(biāo)準(zhǔn)DIN導(dǎo)軌上，安裝在設(shè)備控制柜中時無需額外的鉆孔或機(jī)械裝置，不僅節(jié)省了空間，而且允許工業(yè)設(shè)備跨越邊界。
作為一款邊緣控制器，研華WISE-5580具有三大特點(diǎn)：與PLC相差無幾的小巧體積，與IPC相媲美的強(qiáng)大的處理能力，以及集PLC系統(tǒng)和IPC系統(tǒng)于一體而又獨(dú)立運(yùn)行的雙核分核處理功能。而讓這一切成為可能的，是其內(nèi)部的獨(dú)特的電路工程設(shè)計(jì)。除此之外，由于工業(yè)現(xiàn)場面臨各種復(fù)雜的狀況，對電子器件的可靠性提出了較高的要求，其中包括了電磁屏蔽設(shè)計(jì)、電源防浪涌設(shè)計(jì)、電路可靠性設(shè)計(jì)以及高速走線設(shè)計(jì)等。WISE-5580是如何在兼具這些豐富性能的同時，又突出了其自身特點(diǎn)的呢？
接下來開始我們的拆機(jī)實(shí)測，對研華WISE-5580的內(nèi)部設(shè)計(jì)一探究竟。
研華WISE-5580邊緣控制器拆機(jī)動畫
WISE-5580的主機(jī)外殼由三部分組成，只需要按照正確的順序，先拆掉抬高設(shè)計(jì)的那一部分，再拆掉覆蓋著諸多接口和三個側(cè)面的那一部分就行了。整個拆解過程十分的簡單和順利，當(dāng)把外殼的主要兩個部分拿掉，就可以看到整個內(nèi)部結(jié)構(gòu)了。
研華WISE-5580邊緣控制器內(nèi)部整體結(jié)構(gòu)
從上圖可以看出，整個內(nèi)部結(jié)構(gòu)分為四層，從上到下第1,3層是電路板，第2層是隔熱鋁板，第4層是散熱外殼。兩層電路板的通信是通過接插件來完成的，而整個結(jié)構(gòu)的固定是通過分布于四周的4顆螺絲來實(shí)現(xiàn)。接下來就開始具體分析每一層上的元件和作用。
位于上方第1層的電路板正面照
在第1層電路板主要設(shè)計(jì)有電源電路、數(shù)據(jù)存儲和接口電路。2路主電源電路采用了同一種電源芯片方案，采用了一顆雙路電感來減少占用面積。為了最大限度的滿足邊緣計(jì)算對數(shù)據(jù)存儲的要求，板上搭載了一塊體積小、速度快支持M.2的128G的固態(tài)硬盤，下方還預(yù)留了一個mSATA斷電保存硬件接口。機(jī)身正面看到的所有接口全部位于這塊電路板上，無論是數(shù)量，還是空間布局都做到了最優(yōu)化。
這塊電路板的下面是一層隔熱鋁板，能夠有效阻止下面的熱量直接輻射到上方，同時也增大了散熱面積，還起到了很高的電磁屏蔽作用。
位于第3層的電路板背面照
重點(diǎn)說下第3層的電路板，主要設(shè)計(jì)有CPU和內(nèi)存條、輸入輸出控制芯片、PCI-E擴(kuò)展接口、EtherCAT接口等四大部分。先談控制器的最核心部分，也就是CPU，位于電路板中間位置。根據(jù)官方資料，具體可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場景選擇英特爾賽揚(yáng)、i5、i7等系列CPU，實(shí)測用的這臺WISE-5580搭載的是英特爾賽揚(yáng)3955U，這是一款雙核雙線程的處理器。通過分核分系統(tǒng)技術(shù)，就可以在第1個核運(yùn)行可編程邏輯控制器（CODESYS），第2個核用來運(yùn)行邊緣計(jì)算（Windows），這種獨(dú)立核心運(yùn)行的設(shè)計(jì)，同時保證Windows開放性與CODESYS實(shí)時性，即使Windows系統(tǒng)發(fā)生宕機(jī)也不會影響PLC的運(yùn)行。這也是邊緣控制器最大的特點(diǎn)之一。
內(nèi)存的大小對于處理器性能有很大影響，畢竟各種數(shù)據(jù)都是要經(jīng)過內(nèi)存來送給計(jì)算機(jī)。在這塊電路板上搭載有兩個DDR4內(nèi)存卡槽，對稱的分布在電路板的兩面上。官方資料中說最大支持到32GB，也就是一個內(nèi)存卡槽最大支持16GB的內(nèi)存條。實(shí)測的這臺控制器上只插有一根8GB內(nèi)存條，但足以應(yīng)對小規(guī)模的應(yīng)用場合。
輸入輸出控制芯片用來實(shí)現(xiàn)軟件對硬件的控制，從字面上就可以看出它的重要性。依照上圖來講，CPU正右邊的那顆黑色芯片就是它。它的背面就是承擔(dān)通信中樞的接插件，這樣的位置也算是一種最優(yōu)化的布局。
PCI-E接口和EtherCAT接口分別位于這塊電路板的兩側(cè)，包括主控芯片、周圍器件和接插件等。I/O數(shù)據(jù)的處理還算簡單，只要排好順序送給內(nèi)存就好，所以EtherCAT接口緊挨著內(nèi)存。PCI-E接口相對來說比較復(fù)雜，位置給設(shè)計(jì)到了另一側(cè)。其實(shí)，在工作現(xiàn)場左右兩邊是互相搭配，協(xié)同工作的，研華WISE-5580將兩者很好的融合在了一起。
研華WISE-5580邊緣控制器底部散熱層
第4層是散熱層，也很重要，同樣關(guān)系到整個系統(tǒng)設(shè)計(jì)的成敗。從圖上可以看出，研華WISE-5580控制器采用了嵌入式無風(fēng)扇設(shè)計(jì)，直接由外殼來提供散熱，減少了因?yàn)轱L(fēng)扇的不可靠所造成的風(fēng)險。具體來看，實(shí)際用來給CPU導(dǎo)熱的銅管鑲嵌在底部外殼之中，加寬銅管表面通過導(dǎo)熱硅膠直接壓在CPU表面之上，從而保證CPU的散熱。
在底部外殼的外側(cè)有很多齒條來增大散熱面積，可以很快把內(nèi)部熱量散發(fā)到空氣中。這種主動散熱雖然比不上風(fēng)扇散帶來的效果好，但是在保證散熱效果能夠滿足的情況下，可靠性擁有最大的保障。據(jù)官方資料介紹，WISE-5580的工作溫度是 -10 ~ 60°C，這與一般的PLC溫度范圍相仿
研華WISE-5580邊緣控制器可以兩路電源供電，極大保障了電力供應(yīng)的可靠性。內(nèi)置了HMI（人機(jī)界面），支持VGA與HDMI雙顯界面，減少了對可視化的附加設(shè)備的需求。當(dāng)我們給這臺WISE-5580加上電源，接上顯示器、鍵盤、鼠標(biāo)等輸入輸出設(shè)備后，開機(jī)啟動后就可以在Windows界面下對所有任務(wù)內(nèi)容進(jìn)行可視化的編程和操作。
研華WISE-5580邊緣控制器系統(tǒng)配置 還是那個熟悉的Windows系統(tǒng)界面，在“我的電腦”的屬性中可以查看到這臺計(jì)算機(jī)的更多基本信息。界面顯示這臺計(jì)算機(jī)的制造商是Advantech（研華），安裝的是64位系統(tǒng)，8G內(nèi)存，搭載英特爾賽揚(yáng)3955U處理器，主頻是2.00GHz。
前面說到，WISE-5580采用分核分系統(tǒng)技術(shù)，使得Windows桌面平臺與高實(shí)時性和穩(wěn)定性的CODESYS內(nèi)核整合在CPU不同的內(nèi)核中獨(dú)立運(yùn)行。其中，Windows內(nèi)核專注數(shù)據(jù)處理，CODESYS內(nèi)核專注邏輯控制，從而實(shí)現(xiàn)了在擁有PLC自動化技術(shù)的同時，還兼顧信息化與大數(shù)據(jù)處理能力。而讓這一切成為可能的正是CODESYS軟件，它是一款基于先進(jìn)的.NET 架構(gòu)和 IEC 61131- 3 國際編程標(biāo)準(zhǔn)的軟件開發(fā)平臺
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