倍福技术在边缘设备中的应用
高速高精度的数据处理
获得业界认可的硬件和软件助力实现边缘设备应用
倍福通过其开放式系统，可以使用 TwinCAT 模块化系统中的工具箱和功能来满足特定要求。这同样适用于非倍福产品的现有系统基础架构。这意味着现有的客户程序可以在主机系统上并行运行，或直接集成到 TwinCAT 中。同样的理念也体现在边缘计算中。在倍福久经考验并且获得业界认可的工业 PC 的支持下，客户能够配置一个满足其特定要求的整体系统。
下文将为您介绍有关边缘计算的所有知识，并介绍倍福为您的边缘计算项目提供的各种解决方案。
与云计算相比，边缘计算中的数据处理是分散的，换句话说，是在网络的“边缘”。数据在靠近数据起源点的边缘设备上进行处理，例如直接在机器上处理。边缘设备（也称为边缘计算机）总是设计为基于 PC 的设备，其能够立即提供数据，并最大限度地缩短传输和响应时间。因此，边缘计算的目标是通过快速数据处理实现工业分析和状态监测流程。
根据 PC 的性能，数据量已在现场进行评估和引导；只有必要的数据才会传输到云端。例如，机器学习模型已经可以在边缘设备上运行，以减少传输到云端的数据量。
同时，边缘设备还能在 OT 中提供扩展连接（现场总线、Modbus、OPC UA），而这一优势通常在 IT 中更为人熟知（AWS、Azure 中的云集成、MQTT、WLAN、蓝牙或 GSM 等接口）。这样，边缘设备就能确保本地生成的信息可通过云端在全球范围内使用。因此，IT 和 OT 世界正日益融合，使“从传感器到云端”的愿景成为现实。
边缘设备的核心任务通常是相同的：在设备上有效预处理传感器数据（即生产数据），解释这些数据，并将其转发或引导至云端或其它更高级别的数据库和系统。此外，客户往往希望并要求边缘设备与各种传统或第三方产品进行互操作，以实现更多功能和连接性。
倍福的标准产品已经能够胜任处理和转发数据等任务，并提供与第三方系统的互操作性。此外，倍福还提供各种软件补充，支持 TwinCAT 自动化软件满足这些要求：TwinCAT Measurement 提供测量技术功能，TwinCAT Analytics 可直接在机器上实现分析功能，而 TwinCAT Connectivity 则可集成到其它系统或云端。同时，在硬件方面，倍福总线耦合器可实现与第三方总线的物理连接。
倍福不提供专用的边缘设备或边缘计算机，因为原则上每台倍福工业 PC 都能执行边缘功能。因此，在选择工业 PC 时，不需要考虑其是否支持边缘功能，而是要根据应用需要满足的要求来选择。根据系统性能，上述 TwinCAT 功能可在设备本身或云端轻松实现数据过滤、评估和可视化。
如果客户的软件或软件容器（如 Docker®、OCI、LXC）已经为 Linux® 而设计，或者由于其它原因无法依赖基于 Windows 的操作系统，倍福也有相应的解决方案。对于 TwinCAT/BSD Hypervisor，其 TwinCAT/BSD 操作系统非常适合与实时应用程序交互和托管虚拟机。它还能运行 Linux® 发行版或其它与实时操作系统分离或封装的操作系统，从而消除了对容器应用的限制。
倍福工业 PC 和嵌入式控制器已通过 Microsoft Azure IoT Device Program 和 AWS Device Qualification Program 的认证，可与云端供应商的相应通信服务进行数据连接。
由于硬件认证耗时且并非总是以目标为导向，因此倍福和 AWS 很早就开始制定 TwinCAT 3 软件的同等认证。这样，所有运行 TwinCAT 3 的工业 PC 将自动成为符合 AWS IoT Core 标准的设备。
边缘设备的应用场景
边缘应用越来越多地被开发为在 Linux® 容器中运行。为便于执行，边缘设备必须提供基于 Linux® 的操作系统和用于管理 Linux® 容器的软件（如 Docker®、Podman 等）。通过集成的 Hypervisor，TwinCAT/BSD 可在控制系统的虚拟机中执行 Linux® 操作系统。容器化的边缘应用可直接在控制系统上进行操作，便于访问其数据点。同时，虚拟机还能创建一个环境，将 Linux® 环境与控制系统隔离开来，从而提高整个系统的安全性。
如图所示，Linux® 容器可以灵活地连接到网络。专用主机网络通过 Linux® 容器访问机器控制数据点。在 TwinCAT/BSD 和 Linux® 容器主机之间的虚拟本地网络中进行非加密通信。这意味着无需在工业 PC 的物理端口上提供机器控制服务。
如果在部署 Linux® 容器或向云端发送数据时也需要公共网络连接，则可通过设备直通将专用以太网接口明确提供给 Linux® 虚拟机。将主机专用网络、容器网络和以太网设备直通相结合，可在公共 IT 网络、边缘应用和控制系统之间创建定义的通信通道。
例如，现有的旧机器往往缺乏现代连接器，无法将其连接到云端或进行数据预处理。不过，边缘设备可轻松地将旧机器或其控制装置转换为最新技术，使其能够支持 MQTT、OPC UA 等现代协议或 JSON 等数据格式。数据可直接在边缘设备上进行格式化、操作、解释或过滤，只需与云端交换选定的数据字符串。这也有助于保持精简、高效和快速的云存储，并能减少必要的带宽。
根据型号的不同，EtherCAT 或总线端子模块可连接到边缘设备，以便日后为机器配备额外的传感器技术，如果边缘设备还用于管理 PLC 功能，还可为机器加装状态监测功能。如果旧机器上已经安装了倍福控制系统，则无需对其进行进一步改造；只需通过 ADS 将相关数据传送到边缘设备进行进一步处理即可。边缘设备还可用于通过无线局域网或移动通信访问机器。客户可以使用手机或平板电脑与机器连接，直接在现场显示重要的生产数据。
边缘设备可以从倍福控制装置、传统控制装置甚至专有系统的多台机器上收集数据。然后，边缘设备可在本地预评估和汇总机器数据，以便快捷处理关键阈值和生产数据。数据可在现场存储，直接在边缘设备上可视化，也可传输到更高级别的云系统或数据库系统。根据边缘设备的特性，还可提供更多物理接口，如 USB、DVI/DisplayPort、RS232 等。
中央监测和分析非常重要，尤其是在流程工业中。对于新建过程装置和现有过程装置而言，收集所有运行数据并将其提供给各种应用非常重要。分析工具对这些数据进行评估，以便及早发现现场设备的故障等。
然而，在现有过程技术装置中实施物联网方案尤其具有挑战性，因为现有的自动化架构无法采集现场设备中的所需信息。因此，流程工业自动化技术用户协会（NAMUR）开发了 NAMUR 开放式架构（NOA）。NAMUR 推荐性规范 NE 175 中描述的方案在不改变现有控制系统的情况下扩展自动化架构。
因此，倍福专门开发了一款 NOA 边缘设备，用于读取上位分析工具的附加运行数据。边缘设备由一台紧凑型嵌入式控制器、具有 HART 功能的 EtherCAT 端子模块以及相应的 TwinCAT 项目组成，可直接安装在装置中。
目前，能源管理在生产设施的运行中发挥着非常重要的作用。边缘设备可为传统控制器或电能管理提供改造支持 — 将所需的端子模块轻松连接至倍福嵌入式控制器和工业 PC，以改进电流互感器和电压监控系统。
当前和过去的能耗可直接在设备上可视化，或传输到云端。当需要 ISO 50001-1 认证时，可触发和处理评估。在软件方面，TwinCAT Analytics 平台提供了一个模块化系统来支持这种使用情况。
云连接是很多倍福产品的主要功能之一。自 2015 年以来，各种基于云的网络服务连接已成为倍福产品系列的一部分。将 TwinCAT 系统连接到云端的首次应用经验甚至可以追溯到 2011 年。因此，“从传感器到云”的概念适用于各个层面。
例如，将电流互感器和任何类型的执行器通过 EtherCAT 端子连接到嵌入式控制器，在控制层对数据进行预处理、过滤和可视化，然后通过以太网将数据传输到上一级边缘设备。在这个层面，预处理、容器化应用和其它第三方产品也可以在工业 PC 上运行，以便将相关应用的正确数据传输到云端使用。
原则上，单个产品可在通信金字塔的任何一层进行组合和使用。TwinCAT 3 既提供了充分的灵活性，也提供了模块化系统，客户可以根据需要从中选择和设计自己的应用。这使客户能够使用倍福硬件和软件执行创建新应用或集成现有软件和硬件“从传感器到云”的所有必要步骤。
产品信息
TwinCAT Analytics
TwinCAT Analytics 产品系列是一套包含完整设备数据分析工作流程的开发套件：从数据采集、数据通信和数据历史存档到数据分析，以及基于 Web 交互的操作界面。
TF2000 | TwinCAT 3 HMI Server
The TwinCAT 3 HMI Server is a modular web server that provides the human-machine interface (HMI). It supports all CPU classes from Arm® to multi-core. The powerful architecture enables a wide range of application scenarios from local panel solutions to multi-client, multi-server and multi-runtime concepts.
TF6100 | TwinCAT 3 OPC UA
OPC UA is a platform-independent, service-oriented communication architecture for reliable, secure and multisupplier data transport from the production level to the production planning and ERP system or to the cloud.
TF6105 | TwinCAT 3 OPC UA Pub/Sub
TwinCAT 3 OPC UA Pub/Sub extends the OPC UA client/server architecture to include publisher/subscriber communication patterns. The TF6105 TwinCAT 3 OPC UA Pub/Sub provides the necessary implementations of the protocol so that these kinds of communication patterns can be readily integrated into the TwinCAT application. It includes various transport protocols as defined in the corresponding OPC UA specification part (OPC10000-14), e.g. UDP and MQTT.
TF6620 | TwinCAT 3 S7 Communication
TwinCAT 3 offers a wide range of options for connecting TCP/IP-based third-party systems to the control program: OPC UA, MQTT, HTTPS, and Modbus are just a few familiar examples from a large number of communication protocols. The TwinCAT S7 communication function extends this wide range further through the S7 communication protocol.
TF6701 | TwinCAT 3 IoT Communication (MQTT)
TwinCAT 3 IoT Communication provides basic functionalities in the form of PLC libraries for sending and receiving data via the so-called MQ Telemetry Transport (MQTT) protocol.
TF6720 | TwinCAT 3 IoT Data Agent
The TwinCAT 3 IoT Data Agent provides bi-directional IoT communication functions in the form of a gateway application that can be configured and operated independently from the TwinCAT real-time environment.
TF6760 | TwinCAT 3 IoT HTTPS/REST
So-called REST (Representational State Transfer) APIs are frequently offered by web servers in IoT communication in order to channel certain communication processes via a uniform and stateless interface. REST APIs can be used, for example, to query weather data, to communicate with messenger services or as an interface for writing to a database.
TF6770 | TwinCAT 3 IoT WebSockets
The IoT product portfolio is extended by the implementation of a WebSocket client, providing a further protocol for communication from the TwinCAT 3 PLC in addition to HTTP and MQTT. The control also features a WebSocket server, which acts as both a WebSocket client and a WebSocket server. The WebSocket protocol is suitable for a bidirectional connection between server and client, and is used in web communication when the server wants to actively send data to the client, such as in live tickers for sports events, support chats, or even messaging services.