杭州電子科技大學(xué)計算機學(xué)院副院長(cháng)、教授 鄔惠峰

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)展到了集運動(dòng)、網(wǎng)絡(luò )、安全、智能等功能為一體的復雜控制系統，廣泛應用于高鐵、航空航天、核電、機器人、高端裝備等關(guān)系國家安全和經(jīng)濟命脈的重要領(lǐng)域。長(cháng)期以來(lái)，我國PLC核心市場(chǎng)被西門(mén)子、羅克韋爾、三菱電機等國外品牌壟斷。把握PLC未來(lái)發(fā)展的重要趨勢來(lái)指導攻克其中的核心技術(shù)，將是破除PLC“卡脖子”的關(guān)鍵，也是我國從工業(yè)大國向工業(yè)強國轉型不可或缺的基石。

1　硬件高性能異構化

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MODICON公司研制出了世界上第一臺可編程邏輯控制器。早期的PLC為提高資源利用率都針對芯片定制運行時(shí)來(lái)執行PLC程序，并且運行時(shí)直接執行在硬件上。隨著(zhù)芯片技術(shù)的發(fā)展，PLC系統逐漸引入了FPGA、DSP等高性能芯片^{[1] [2] [3]}，并開(kāi)始將運行時(shí)執行在RT-Linux、VxWorks、WindowsCE等操作系統上。近年來(lái)，PLC開(kāi)始趨向于使用類(lèi)似手機的片上系統（SoC），例如高通的Snapdragon，英偉達的Tegra以及英特爾的Altera。典型的Altera SoC由英特爾聯(lián)合3S、EXOR、Barco-Silex公司專(zhuān)門(mén)針對PLC設計開(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標準的運行時(shí)和EXOR的人機界面軟件，也實(shí)現了EtherCAT、CANopen等工業(yè)總線(xiàn)協(xié)議棧。

目前，智能制造、工業(yè)4.0等技術(shù)革命對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^[4]和FH系列^[5]圖像處理系統，它們可通過(guò)總線(xiàn)方式和PLC相連并交互處理結果。人工智能方面，西門(mén)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（TM NPU）^[6]。

2019年11月，羅克韋爾發(fā)布了支持機器學(xué)習的分析模塊LogixAI^[7]。該模塊可直接裝入控制器機架內，并通過(guò)背板總線(xiàn)以數據流形式傳輸控制器采集的數據，以便構建預測模型。目前LogixAI主要應用在異常檢測和軟傳感器領(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^[8]?？刂破髟诳刂乒δ艿幕A上搭載了特有的AI功能單元，該單元能夠通過(guò)運行Sysmac軟件功能庫中的AI模組，對與應用目標相關(guān)的對象數據進(jìn)行采集和記錄，并基于預設的應用模型，支持設備行為的歷史趨勢分析、機器異常預測等。

這些通過(guò)總線(xiàn)擴展的圖形圖像和人工智能模塊，解決了PLC受限資源無(wú)法執行復雜算法的困境，極大拓展了PLC的應用領(lǐng)域。然而，現場(chǎng)操作技術(shù)（OT）工程師對這些基于信息技術(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等的硬件架構形式發(fā)展，從而支撐復雜邏輯、運動(dòng)、圖像處理、人工智能等相融合的應用，這是未來(lái)PLC發(fā)展的一個(gè)重要趨勢。

2　系統的統一開(kāi)放架構

五十年前，硬接線(xiàn)繼電器邏輯被梯形圖取代。這種語(yǔ)言對于在繼電器邏輯中成長(cháng)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)程控制和數據處理方面。因此，1993年發(fā)布的第一版國際標準IEC61131-3^[9]中，就規定了三種圖語(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）和結構化文本（ST）。其中，梯形圖由于其更接近繼電器邏輯，一直占據著(zhù)邏輯控制的主流；順序功能圖更適用于過(guò)程控制；結構化文本適合數據操作和算法實(shí)現；指令表更接近機器指令，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到減少了代碼量的目的，是統一化編程的重要形式?？梢?jiàn)，從IEC61131標準開(kāi)始，PLC就向著(zhù)統一化方向發(fā)展，這給OT工程師提供了便利。

隨著(zhù)Profinet、EtherCat、PowerLink等總線(xiàn)技術(shù)的不斷發(fā)展，在應用上PLC也從過(guò)去的邏輯控制，向著(zhù)運動(dòng)控制、人機界面（HMI）、遠端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(mén)。通用電氣的Predix、西門(mén)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、三一集團的樹(shù)根互聯(lián)等工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的蓬勃發(fā)展，已經(jīng)使得制造業(yè)裝備網(wǎng)絡(luò )化初具規模，從下到上PLC、MES、ERP、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺正在被全面打通。

進(jìn)一步，各領(lǐng)域包括工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、大數據、智能運維、云計算、霧計算、邊緣計算、超5G、信息物理系統、數字孿生、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)展趨勢下，PLC擁抱統一開(kāi)放架構來(lái)高效地融入新技術(shù)將成為未來(lái)發(fā)展的必然趨勢。從國際上看，有兩大團體分別提出了統一開(kāi)放架構的解決方案：

（1）美國開(kāi)放流程自動(dòng)化論壇（OPAF）倡導的開(kāi)放自動(dòng)化標準^[10]。它通過(guò)軟硬件解耦建立可互操作、內生信息安全的分布式控制節點(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)放統一架構。

（2）德國NAMUR倡導的開(kāi)放自動(dòng)化主流是NOA（NAMUR Open Automation）^[11]。NOA以原有的PLC、DCS、HMI等作為核心，在盡量保留這些系統的基礎上，基于OPC/UA構建的數據通道建立一個(gè)可進(jìn)行全局監控和優(yōu)化（即M+O）的工業(yè)IT系統，來(lái)彌合IT和OT之間的鴻溝，拓寬和統一現有的控制系統。

PLC中統一開(kāi)放架構的實(shí)踐主要體現在平臺軟件。這方面德國3S公司的Codesys占據了世界大部分市場(chǎng)，他們一直在工業(yè)4.0云平臺、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、信號處理等開(kāi)放支持方面進(jìn)行探索^[12]。國內也齊頭并進(jìn)，在前沿領(lǐng)域進(jìn)行研究，杭州電子科技大學(xué)的CASS平臺已經(jīng)形成了邊云協(xié)同開(kāi)發(fā)、異構多任務(wù)同平臺開(kāi)發(fā)、知識驅動(dòng)的感知-接入-融合開(kāi)發(fā)等方面的理論和功能^[13][14][15]。

3　新技術(shù)融合

由于PLC硬件向高性能異構化發(fā)展，軟件趨于統一開(kāi)放架構，使得虛擬化技術(shù)、人工智能、5G、數字孿生、知識圖譜和區塊鏈等前沿技術(shù)在PLC中應用有了廣闊空間。

（1）虛擬化技術(shù)

虛擬化技術(shù)已經(jīng)在云計算中廣泛使用。針對資源受限的邊緣節點(diǎn)，微軟Azure IoT Edge、Balena的BalenaOS和亞馬遜AWS IoT Greengrass等也提供了基于容器的解決方案。同時(shí)Docker的Docker Swarm、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)的運用使得對接入物聯(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用。無(wú)疑，PLC對人工智能的支持會(huì )是智能制造變革的關(guān)鍵。然而，現有的成熟方案仍然以通過(guò)總線(xiàn)方式來(lái)擴展特殊功能模塊為主，失去了PLC化開(kāi)發(fā)的便捷性和統一性。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)法快速適應應用需求，這嚴重阻礙了PLC中智能應用的普及。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)中的推廣應用才剛起步。國際組織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)應用的標準以及產(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、智能應用等將是其中重要的落地之舉。

（4）數字孿生

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

（5）知識圖譜

2019年，國際標準IEC61131-10頒布^[16]，標志著(zhù)PLC經(jīng)過(guò)30年發(fā)展，已經(jīng)從對語(yǔ)言層面的關(guān)注上升到描述層面。IEC61131-10標準對PLC程序的交互進(jìn)行了形式化描述，使得符合標準的平臺不但編程語(yǔ)言是一致的，連形成的程序也能跨平臺共享。在未來(lái)進(jìn)一步開(kāi)放統一的框架下，將描述層面上升到語(yǔ)義一致性規范會(huì )成為更為廣泛的需求。知識圖譜將在PLC應用語(yǔ)義一致性上大展身手。對5種語(yǔ)言以及在特定領(lǐng)域的特殊性、PLC框架、產(chǎn)生的數據、應用等的語(yǔ)義一致性描述，進(jìn)而形成數據和代碼語(yǔ)義一致性交互、跨平臺代碼自動(dòng)轉換、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）區塊鏈

區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)展應用。然而，區塊鏈本身的大計算量、高存儲和能耗是和PLC資源受限相對立的，而分布式計算帶來(lái)的延時(shí)也無(wú)法滿(mǎn)足PLC對實(shí)時(shí)性的要求，然而隨著(zhù)系統架構進(jìn)一步向統一開(kāi)放發(fā)展，PLC的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)接入、數據處理、控制等各個(gè)環(huán)節都需要安全保障。為解決這個(gè)沖突，以IoTA為代表的基于有向無(wú)環(huán)圖的輕量化區塊鏈技術(shù)^[17]，可能是PLC中區塊鏈應用的關(guān)注重點(diǎn)。

4　總結與展望

PLC廣泛用于裝備控制。硬件結構經(jīng)過(guò)微處理器、微控制器發(fā)展， 已經(jīng)開(kāi)始趨向于融合GPU、FPGA、NPU等的高性能異構化。PLC系統架構隨著(zhù)新技術(shù)的利好和沖擊，開(kāi)始向著(zhù)開(kāi)放統一方向發(fā)展，典型的是以美國為主導的OPAF組織和德國為主導的NAMUR組織建議的兩大開(kāi)放統一架構。隨著(zhù)這些PLC軟硬件的發(fā)展，虛擬化技術(shù)、人工智能、5G、數字孿生、知識圖譜和區塊鏈等前沿技術(shù)和PLC的交叉研究將是未來(lái)PLC技術(shù)的制高點(diǎn)。

參考文獻：

[1] Hajduk Z, Trybus B, Sadolewski J. Architecture of FPGA embedded multiprocessor programmable controller[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2014, 62 (5) : 2952 - 2961.

[2] Chmiel M, Kulisz J, Czerwinski R, et al. An IEC 61131-3-based PLC implemented by means of an FPGA[J]. Microprocessors and Microsystems, 2016, 44 : 28 - 37.

[3] Atalik T, Deniz M, Koc E, et al. Multi-DSP and-FPGA-based fully digital control system for cascaded multilevel converters used in FACTS applications[J]. IEEE transactions on Industrial Informatics, 2012, 8 (3) : 511 - 527.

[4] OMRON. Vision systems FZ5-series [EB/OL]. https://www.fa.omron.com.cn/data_pdf/cat/fz5_q203-e1_12_1_csm1040804.pdf?id=3418.

[5] OMRON. Vision systems FH-series [EB/OL]. https://www.fa.omron.com.cn/data_pdf/cat/fh_sdnb-cn5-034_19_11.pdf?id=3210.

[6] SIEMENS. Siemens TM NPU [EB/OL]. https://cache.industry.siemens.com/dl/dl-media/877/109765877/att_980149/v6/139174211339/de-DE/index.html.

[7] ROCKWELL. FactoryTalk analytics LogixAI [EB/OL]. https://www.rockwellautomation.com/en-us/products/software/factorytalk/operationsuite/analytics-logixai.html.

[8] OMRON. Omron [EB/OL]. https://www.fa.omron.com.cn/data_pdf/cat/nx_ny_ai_controller_ds_c_1_2.pdf?id=3757.

[9] IEC. IEC 61131-3 Standard – Programmable Controllers – Part 3: Programming Languages[S]. International Electrotechnical Commission: Geneva, Switzerland, 2013.

[10] 彭瑜. 開(kāi)放流程自動(dòng)化的標準和系統編排技術(shù)[J]. 自動(dòng)化儀表. 2021, 42 (5) : 1 - 5,13.

[11] Timo Himmelsbach. NAMUR Open Architecture Overview [EB/OL]. https://www.namur.net/fileadmin/media_www/fokusthemen/20200710_NAMUR_NOA_Overview_EN.pdf.

[12] Codesys. CODESYS V3.5 SP17 Features and Improvements [EB/OL]. https://www.codesys.com/index.php?eID=tx_securedownloads&p=2&u=0&g=0&t=1648129004&hash=ecb274e8d951049852453598e05ab7f527026391&file=/fileadmin/Download/ALL/Releaseinformation/features-and-improvements-V35SP17-en.pdf.

[13] Wu H, Sun D, Peng L, et al. Dynamic edge access system in IoT environment[J]. IEEE Internet of Things Journal, 2019, 7 (4) : 2509 - 2520.

[14] Wu H, Yan Y, Sun D, et al. VCA protocol-based multilevel flexible architecture on embedded PLCs for visual servo control[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2019, 67 (3) : 2450 - 2459.

[15] An Y, Qin F, Chen B, et al. OntoPLC: semantic model of PLC programs for code exchange and software reuse[J]. IEEE Transactions on Industrial Informatics, 2020, 17 (3) : 1702 - 1711.

[16] IEC. IEC 61131-10 Standard – Programmable Controllers – Part 10: PLC open XML exchange format[S]. International Electrotechnical Commission: Geneva, Switzerland, 2019.

[17] IOTA. An Introduction to IOTA [EB/OL]. https://wiki.iota.org/learn/about-iota/an-introduction-to-iota.

作者簡(jiǎn)介：

鄔惠峰（1978-），男，浙江平湖人，教授，博士生導師?，F任杭州電子科技大學(xué)計算機學(xué)院（軟件學(xué)院）副院長(cháng)，浙江省離散行業(yè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)重點(diǎn)實(shí)驗室主任，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)智能控制系統浙江省工程研究中心主任，浙江省工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)國際合作基地主任。百千萬(wàn)人才工程國家級人選，國家有突出貢獻中青年專(zhuān)家，浙江省“萬(wàn)人計劃”科技創(chuàng )新領(lǐng)軍人才。擔任國際電工協(xié)會(huì )（IEC）可編程系統工作組成員，全國工業(yè)自動(dòng)化系統與集成標準化技術(shù)委員會(huì )（SAC/TC159）委員。其主要研究方向包括智能軟件、智能控制、嵌入式系統與可編程技術(shù)等。

摘自《自動(dòng)化博覽》