PLC的技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)

導(dǎo)讀：可編程邏輯控制器（PLC）經(jīng)過(guò)五十余年的發(fā)展，從最初的邏輯控制發(fā)展到了集運(yùn)動(dòng)、網(wǎng)絡(luò)、安全、智能等功能為一體的復(fù)雜控制系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于高鐵、航空航天、核電、機(jī)器人、高端裝備等關(guān)系國(guó)家安全和經(jīng)濟(jì)命脈的重要領(lǐng)域。長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)PLC核心市場(chǎng)被西門子、羅克韋爾、三菱電機(jī)等國(guó)外品牌壟斷。把握PLC未來(lái)發(fā)展的重要趨勢(shì)來(lái)指導(dǎo)攻克其中的核心技術(shù)，將是破除PLC“卡脖子”的關(guān)鍵，也是我國(guó)從工業(yè)大國(guó)向工業(yè)強(qiáng)國(guó)轉(zhuǎn)型不可或缺的基石。1

硬件高性能異構(gòu)化

PLC是第三次工業(yè)革命的典型代表之一。它由早期的繼電器邏輯電路、微處理器再到微控制器發(fā)展而來(lái)。1969年，美國(guó)MODICON公司研制出了世界上第一臺(tái)可編程邏輯控制器。早期的PLC為提高資源利用率都針對(duì)芯片定制運(yùn)行時(shí)來(lái)執(zhí)行PLC程序，并且運(yùn)行時(shí)直接執(zhí)行在硬件上。隨著芯片技術(shù)的發(fā)展，PLC系統(tǒng)逐漸引入了FPGA、DSP等高性能芯片，并開(kāi)始將運(yùn)行時(shí)執(zhí)行在RT-Linux、VxWorks、WindowsCE等操作系統(tǒng)上。近年來(lái)，PLC開(kāi)始趨向于使用類似手機(jī)的片上系統(tǒng)（SoC），例如高通的Snapdragon，英偉達(dá)的Tegra以及英特爾的Altera。典型的AlteraSoC由英特爾聯(lián)合3S、EXOR、Barco-Silex公司專門針對(duì)PLC設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，該芯片集成了雙ARM核心和一個(gè)FPGA核心，原生嵌入了3S的支持IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)的運(yùn)行時(shí)和EXOR的人機(jī)界面軟件，也實(shí)現(xiàn)了EtherCAT、CANopen等工業(yè)總線協(xié)議棧。目前，智能制造、工業(yè)4.0等技術(shù)革命對(duì)PLC中圖像處理、人工智能等非實(shí)時(shí)算法有巨大需求，推動(dòng)了PLC的發(fā)展。圖像處理方面，典型的有歐姆龍近年推出的FZ5系列和FH系列圖像處理系統(tǒng)，它們可通過(guò)總線方式和PLC相連并交互處理結(jié)果。人工智能方面，西門子在2018年12月首先推出了一款集成了人工智能（AI）芯片的全新模塊（TMNPU）。2019年11月，羅克韋爾發(fā)布了支持機(jī)器學(xué)習(xí)的分析模塊LogixAI。該模塊可直接裝入控制器機(jī)架內(nèi)，并通過(guò)背板總線以數(shù)據(jù)流形式傳輸控制器采集的數(shù)據(jù)，以便構(gòu)建預(yù)測(cè)模型。目前LogixAI主要應(yīng)用在異常檢測(cè)和軟傳感器領(lǐng)域。同年，歐姆龍推出了NX和NY兩個(gè)系列人工智能控制器?？刂破髟诳刂乒δ艿幕A(chǔ)上搭載了特有的AI功能單元，該單元能夠通過(guò)運(yùn)行Sysmac軟件功能庫(kù)中的AI模組，對(duì)與應(yīng)用目標(biāo)相關(guān)的對(duì)象數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和記錄，并基于預(yù)設(shè)的應(yīng)用模型，支持設(shè)備行為的歷史趨勢(shì)分析、機(jī)器異常預(yù)測(cè)等。這些通過(guò)總線擴(kuò)展的圖形圖像和人工智能模塊，解決了PLC受限資源無(wú)法執(zhí)行復(fù)雜算法的困境，極大拓展了PLC的應(yīng)用領(lǐng)域。然而，現(xiàn)場(chǎng)操作技術(shù)（OT）工程師對(duì)這些基于信息技術(shù)（IT）開(kāi)發(fā)的模塊接受困難，一時(shí)間難以在制造業(yè)廣泛使用。因此，PLC還需要繼續(xù)向高性能的超多核心以及更加廣泛和深入融合FPGA、GPU、NPU等的硬件架構(gòu)形式發(fā)展，從而支撐復(fù)雜邏輯、運(yùn)動(dòng)、圖像處理、人工智能等相融合的應(yīng)用，這是未來(lái)PLC發(fā)展的一個(gè)重要趨勢(shì)。2

系統(tǒng)的統(tǒng)一開(kāi)放架構(gòu)

五十年前，硬接線繼電器邏輯被梯形圖取代。這種語(yǔ)言對(duì)于在繼電器邏輯中成長(zhǎng)的技術(shù)人員和工程師來(lái)說(shuō)，容易接受和使用，但它有一些限制，特別是在過(guò)程控制和數(shù)據(jù)處理方面。因此，1993年發(fā)布的第一版國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC61131-3中，就規(guī)定了三種圖語(yǔ)言：梯形圖（LD）、功能塊圖（FBD）、順序功能圖（SFC），以及兩種文本語(yǔ)言：指令表（IL）和結(jié)構(gòu)化文本（ST）。其中，梯形圖由于其更接近繼電器邏輯，一直占據(jù)著邏輯控制的主流；順序功能圖更適用于過(guò)程控制；結(jié)構(gòu)化文本適合數(shù)據(jù)操作和算法實(shí)現(xiàn)；指令表更接近機(jī)器指令，常作為編譯到二進(jìn)制的過(guò)渡；而功能塊圖通過(guò)支持代碼圖形化封裝和嵌入達(dá)到減少了代碼量的目的，是統(tǒng)一化編程的重要形式。可見(jiàn)，從IEC61131標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)始，PLC就向著統(tǒng)一化方向發(fā)展，這給OT工程師提供了便利。隨著Profinet、EtherCat、PowerLink等總線技術(shù)的不斷發(fā)展，在應(yīng)用上PLC也從過(guò)去的邏輯控制，向著運(yùn)動(dòng)控制、人機(jī)界面（HMI）、遠(yuǎn)端I/O，甚至是圖形圖像處理和人工智能算法等融合的方向發(fā)展。結(jié)合5G以及時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）、OPC/UA、MQTT等通信協(xié)議和技術(shù)的發(fā)展，為分布式控制、智能群體控制、云邊協(xié)同控制打開(kāi)了大門。通用電氣的Predix、西門子的MindSphere、施耐德電氣的EcoStructure、ABB的Ability、航天科工的航天云網(wǎng)、海爾的COSMOPlat、三一集團(tuán)的樹(shù)根互聯(lián)等工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的蓬勃發(fā)展，已經(jīng)使得制造業(yè)裝備網(wǎng)絡(luò)化初具規(guī)模，從下到上PLC、MES、ERP、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)正在被全面打通。進(jìn)一步，各領(lǐng)域包括工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、智能運(yùn)維、云計(jì)算、霧計(jì)算、邊緣計(jì)算、超5G、信息物理系統(tǒng)、數(shù)字孿生、元宇宙等新概念和技術(shù)每天都在產(chǎn)生和變革。這種發(fā)展趨勢(shì)下，PLC擁抱統(tǒng)一開(kāi)放架構(gòu)來(lái)高效地融入新技術(shù)將成為未來(lái)發(fā)展的必然趨勢(shì)。從國(guó)際上看，有兩大團(tuán)體分別提出了統(tǒng)一開(kāi)放架構(gòu)的解決方案：（1）美國(guó)開(kāi)放流程自動(dòng)化論壇（OPAF）倡導(dǎo)的開(kāi)放自動(dòng)化標(biāo)準(zhǔn)。它通過(guò)軟硬件解耦建立可互操作、內(nèi)生信息安全的分布式控制節(jié)點(diǎn)（DCN）并打通其上層的HMI、SCADA和MES，最終融合PLC、DCS、HMI和MES等形成開(kāi)放統(tǒng)一架構(gòu)。（2）德國(guó)NAMUR倡導(dǎo)的開(kāi)放自動(dòng)化主流是NOA（NAMUROpenAutomation）。NOA以原有的PLC、DCS、HMI等作為核心，在盡量保留這些系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，基于OPC/UA構(gòu)建的數(shù)據(jù)通道建立一個(gè)可進(jìn)行全局監(jiān)控和優(yōu)化（即M+O）的工業(yè)IT系統(tǒng)，來(lái)彌合IT和OT之間的鴻溝，拓寬和統(tǒng)一現(xiàn)有的控制系統(tǒng)。PLC中統(tǒng)一開(kāi)放架構(gòu)的實(shí)踐主要體現(xiàn)在平臺(tái)軟件。這方面德國(guó)3S公司的Codesys占據(jù)了世界大部分市場(chǎng)，他們一直在工業(yè)4.0云平臺(tái)、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、信號(hào)處理等開(kāi)放支持方面進(jìn)行探索。國(guó)內(nèi)也齊頭并進(jìn)，在前沿領(lǐng)域進(jìn)行研究，杭州電子科技大學(xué)的CASS平臺(tái)已經(jīng)形成了邊云協(xié)同開(kāi)發(fā)、異構(gòu)多任務(wù)同平臺(tái)開(kāi)發(fā)、知識(shí)驅(qū)動(dòng)的感知-接入-融合開(kāi)發(fā)等方面的理論和功能。3

新技術(shù)融合

由于PLC硬件向高性能異構(gòu)化發(fā)展，軟件趨于統(tǒng)一開(kāi)放架構(gòu)，使得虛擬化技術(shù)、人工智能、5G、數(shù)字孿生、知識(shí)圖譜和區(qū)塊鏈等前沿技術(shù)在PLC中應(yīng)用有了廣闊空間。（1）虛擬化技術(shù)

虛擬化技術(shù)已經(jīng)在云計(jì)算中廣泛使用。針對(duì)資源受限的邊緣節(jié)點(diǎn)，微軟AzureIoTEdge、Balena的BalenaOS和亞馬遜AWSIoTGreengrass等也提供了基于容器的解決方案。同時(shí)Docker的DockerSwarm、加州大學(xué)伯克利分校的Mesos和華為的KubeEdge都提供了容器的編排方法。這些虛擬化技術(shù)的運(yùn)用使得對(duì)接入物聯(lián)網(wǎng)的資源形成了柔性化的管理方案，是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的重要技術(shù)支撐。然而，出于實(shí)時(shí)性和可靠性的考慮，作為物聯(lián)網(wǎng)重要一員的PLC和一般物聯(lián)網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)還是有很大差別，因此研究PLC的虛擬化和編排是一個(gè)重要方向。（2）人工智能

近年來(lái)人工智能技術(shù)呈現(xiàn)爆發(fā)式發(fā)展，無(wú)論是PLC商業(yè)化產(chǎn)品還是理論研究都大量融入了人工智能的應(yīng)用。無(wú)疑，PLC對(duì)人工智能的支持會(huì)是智能制造變革的關(guān)鍵。然而，現(xiàn)有的成熟方案仍然以通過(guò)總線方式來(lái)擴(kuò)展特殊功能模塊為主，失去了PLC化開(kāi)發(fā)的便捷性和統(tǒng)一性。同時(shí)，由于人工智能大都采用IT技術(shù)，使得熟悉PLC的OT技術(shù)人員無(wú)法快速適應(yīng)應(yīng)用需求，這嚴(yán)重阻礙了PLC中智能應(yīng)用的普及。因此，研究人工智能在PLC中的原生支持將是未來(lái)發(fā)展的重點(diǎn)。（3）5G和6G

5G的普及已經(jīng)有一段時(shí)間，然而主要還停留在移動(dòng)通信中，在制造業(yè)中的推廣應(yīng)用才剛起步。國(guó)際組織5G工業(yè)自動(dòng)化聯(lián)盟（5GACIA）正聯(lián)合各家單位，致力于制定適合工業(yè)應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)以及產(chǎn)業(yè)化推廣方案。5G低延時(shí)高可靠、大覆蓋范圍和海量接入的特性，以及未來(lái)6G提升到空天地海一體、人機(jī)物靈充分聯(lián)合的能力，將是未來(lái)智能制造不可或缺的部分，而PLC在5G/6G支持下的大范圍的動(dòng)態(tài)感知、協(xié)同控制、智能應(yīng)用等將是其中重要的落地之舉。（4）數(shù)字孿生

數(shù)字孿生（或者說(shuō)制造業(yè)的元宇宙），為未來(lái)復(fù)雜應(yīng)用提供了廣泛試錯(cuò)、生產(chǎn)優(yōu)化、故障預(yù)知等能力。作為制造業(yè)裝備控制的主流，如何提供PLC的數(shù)字孿生來(lái)映射實(shí)際生產(chǎn)的應(yīng)用、運(yùn)行時(shí)、環(huán)境等并結(jié)合5G、人工智能等技術(shù)形成實(shí)時(shí)在線/離線虛擬空間裝備控制，將是數(shù)字孿生的重要一環(huán)。（5）知識(shí)圖譜

2019年，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC61131-10頒布，標(biāo)志著PLC經(jīng)過(guò)30年發(fā)展，已經(jīng)從對(duì)語(yǔ)言層面的關(guān)注上升到描述層面。IEC61131-10標(biāo)準(zhǔn)對(duì)PLC程序的交互進(jìn)行了形式化描述，使得符合標(biāo)準(zhǔn)的平臺(tái)不但編程語(yǔ)言是一致的，連形成的程序也能跨平臺(tái)共享。在未來(lái)進(jìn)一步開(kāi)放統(tǒng)一的框架下，將描述層面上升到語(yǔ)義一致性規(guī)范會(huì)成為更為廣泛的需求。知識(shí)圖譜將在PLC應(yīng)用語(yǔ)義一致性上大展身手。對(duì)5種語(yǔ)言以及在特定領(lǐng)域的特殊性、PLC框架、產(chǎn)生的數(shù)據(jù)、應(yīng)用等的語(yǔ)義一致性描述，進(jìn)而形成數(shù)據(jù)和代碼語(yǔ)義一致性交互、跨平臺(tái)代碼自動(dòng)轉(zhuǎn)換、低代碼或者零代碼開(kāi)發(fā)等技術(shù)，將是下一階段PLC關(guān)注的重要方向。（6）區(qū)塊鏈

區(qū)塊鏈作為信息安全的前沿技術(shù)，已經(jīng)在各個(gè)領(lǐng)域開(kāi)展應(yīng)用。然而，區(qū)塊鏈本身的大計(jì)算量、高存儲(chǔ)和能耗是和PLC資源受限相對(duì)立的，而分布式計(jì)算帶來(lái)的延時(shí)也無(wú)法滿足PLC對(duì)實(shí)時(shí)性的要求，然而隨著系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)一步向統(tǒng)一開(kāi)放發(fā)展，PLC的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)接入、數(shù)據(jù)處理、控制等各個(gè)環(huán)節(jié)都需要安全保障。為解決這個(gè)沖突，以IoTA為代表的基于有向無(wú)環(huán)圖的輕量化區(qū)塊鏈技術(shù)，可能是PLC中區(qū)塊鏈應(yīng)用的關(guān)注重點(diǎn)。4

總結(jié)與