自1969年在美國誕生以來(lái)，伴隨著(zhù)用戶(hù)需求的變化，PLC技術(shù)一直在不斷演進(jìn)中。經(jīng)歷了50多年的持續發(fā)展之后，PLC的內涵與50多年前對比，已經(jīng)發(fā)生了天翻地覆的變化，在PLC誕生的初期，它主要是用于替代傳統的繼電器硬接線(xiàn)邏輯電路，而隨著(zhù)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，PLC在性能、功能、易用性和產(chǎn)品形態(tài)等方面已歷經(jīng)幾代變革，已經(jīng)發(fā)展成為具有運動(dòng)控制功能、過(guò)程控制功能的通用控制器。技術(shù)演進(jìn)的背后是需求的驅動(dòng)，當前，智能制造浪潮正席卷全球制造業(yè)，而作為工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域主流控制核心、信息采集和控制的主要技術(shù)手段，PLC勢必將在智能制造的發(fā)展中起到關(guān)鍵作用，而即將到來(lái)的智能時(shí)代又將對PLC技術(shù)的發(fā)展帶來(lái)怎樣的影響？借此專(zhuān)題策劃之機，本刊記者特別采訪(fǎng)了從事PLC技術(shù)研究、行業(yè)應用的多位專(zhuān)家，傾聽(tīng)他們的分析和見(jiàn)解。

彭瑜：PLC將走向開(kāi)放式自動(dòng)化

上海工業(yè)自動(dòng)化儀表研究院有限公司教授級高級工程師、PLCopen中國組織名譽(yù)主席彭瑜教授

PLC之所以長(cháng)盛不衰，在于這一技術(shù)門(mén)類(lèi)一直能夠隨著(zhù)工業(yè)市場(chǎng)的要求而變化，最近幾年更隨著(zhù)工業(yè)數字化轉型的進(jìn)程而與時(shí)俱進(jìn)。這是從事PLC的硬件、軟件和系統的開(kāi)發(fā)、設計、制造和應用的各類(lèi)人員持續努力的結果。

當前工業(yè)制造商面對市場(chǎng)競爭的巨大壓力，力求降低對控制系統的投資和降低自動(dòng)化資產(chǎn)生命周期的成本，改善其運營(yíng)操作的盈利能力。許多在役的控制系統其構成的硬件和軟件由于專(zhuān)用、封閉，維護和升級的成本昂貴，一旦需要與一流的第三方部件集成，耗資不菲。尤其在目前IT技術(shù)快速深入地滲透和融合到企業(yè)運營(yíng)管理方方面面的形勢下，這些控制系統通常不具備本征的信息安全特質(zhì)，造成了巨大的風(fēng)險和隱患。另外，從長(cháng)遠發(fā)展來(lái)看，現有的控制器不能有效而恰當地保護設備資產(chǎn)和其它資本（如軟件）投資。

自1970年DCS和PLC相繼進(jìn)入自動(dòng)化領(lǐng)域，并站穩腳跟成為兩大支柱之后，處于ISA95模型L1和L2層的自動(dòng)化硬件和軟件結構一直沒(méi)有變動(dòng)，迄今為止自動(dòng)化市場(chǎng)也一直圍繞著(zhù)硬件和軟件捆綁的模式在演進(jìn)，每一個(gè)自動(dòng)化供應商都開(kāi)發(fā)自己的軟件環(huán)境，并將這種軟件環(huán)境交付給最終用戶(hù)。一般來(lái)講，用戶(hù)并不能真正深入這一軟件環(huán)境，只能通過(guò)供應商提供的組態(tài)工具與控制器交互。

受限于這樣的狀態(tài)，可以毫不隱晦地說(shuō)，現今DCS最大的問(wèn)題在于其封閉和專(zhuān)用的特性，PLC也是如此。在IT技術(shù)飛躍發(fā)展的年代，這極大地阻礙了DCS/PLC的升級遷移，以及OT與IT深入高效的融合。此外，目前的DCS/PLC一般不能提供內在的保護運營(yíng)、資產(chǎn)設備和其它投資所需要的信息安全特性。

PLC雖然問(wèn)題不像DCS那么突出，這是因為PLC在大多數場(chǎng)景中應用于離散制造業(yè)，有相當部分是在控制獨立的小型設備。與PLC系統相比，服務(wù)于流程工業(yè)的過(guò)程控制的DCS，需要依靠聯(lián)網(wǎng)將分散的控制站依據工藝的要求連接成一個(gè)密切相關(guān)的整體，以尋求整體的優(yōu)化和預測性維護。

鑒于上述存在的問(wèn)題，美國正在推動(dòng)“開(kāi)放式自動(dòng)化”。?？松梨诔珜б粋€(gè)全新的、基于標準的過(guò)程控制架構，得到ARC咨詢(xún)集團大力支持，并由非盈利的第三方機構——美國開(kāi)放集團（The Open Group）組織一個(gè)新的面向流程工業(yè)控制技術(shù)的標準化活動(dòng)。在選擇現有的、卓有成效的適用工業(yè)標準的基礎上，綜合開(kāi)發(fā)新的系列標準。他們聚焦于如何運用最新的分布式云計算技術(shù)和虛擬化技術(shù)，重新定義已經(jīng)日趨陳舊、20多年沒(méi)有變動(dòng)的架構，重新定義DCS和PLC，以及與優(yōu)化運營(yíng)密切相關(guān)的先進(jìn)控制和MES（見(jiàn)圖1）。值得高興的是，循著(zhù)這一方向的進(jìn)展相當迅速，繼2018年完成了概念驗證的原型系統之后，在2019年2月該組織正式推出了新標準的第一版O-PAS Version1.0，給出了一個(gè)與供應商無(wú)關(guān)的參考架構；而且還計劃2020年在?？松梨诤推渌辽賰蓚€(gè)現場(chǎng)進(jìn)行試驗。

圖1 開(kāi)放流程自動(dòng)化論壇（OPAF）的范圍

此外，在美國還啟動(dòng)了一個(gè)定義下一代自動(dòng)化系統的項目，其名稱(chēng)是《開(kāi)放網(wǎng)絡(luò )系統上的聯(lián)合自動(dòng)化邏輯控制》（Federated Automation LogicControl on Open Network Systems，FALCONS）。這一系統將實(shí)現從任意資源、任意設備和任意地點(diǎn)獲得任意信息（包括歷史信息），以?xún)?yōu)化情景意識和環(huán)境意識。系統的結構建立在分布式控制節點(diǎn)（DCN）和單通道I/O模塊的基礎上，支持實(shí)時(shí)的應用處理和與其它網(wǎng)絡(luò )協(xié)議的實(shí)時(shí)接口；系統由許多個(gè)有I/O的DCN和無(wú)I/O的DCN，以及一個(gè)與云端連接、執行集中應用的DCN構成，DCN的數量可達數千個(gè)。這或許就是下一代PLC的一種愿景。

這一發(fā)展進(jìn)程還需時(shí)日并接受市場(chǎng)的檢驗，也許至少還要5年。但作為一種趨向是必然的。與此同時(shí)，傳統架構的PLC還會(huì )繼續存在，何時(shí)退出歷史舞臺現在還難以預測。

徐昌榮：與應用需求深度融合

北京藍普鋒科技有限公司總經(jīng)理徐昌榮

自1969年第一臺可編程控制器PLC誕生，PLC的功能不斷完善、應用領(lǐng)域不斷拓寬，PLC表現出強勁的生命力和良好的發(fā)展前景。20年前，現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統FCS概念提出后，曾有人預言，PLC會(huì )在不久的將來(lái)被FCS代替。然而時(shí)至今日，PLC不僅未被FCS代替，而且在工業(yè)、市政、交通等領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應用。無(wú)論是美國的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、德國的工業(yè)4.0，還是我國的中國制造2025，PLC在其中都扮演重要角色。在新一輪產(chǎn)業(yè)變革中，傳統自動(dòng)化技術(shù)與新興信息技術(shù)深度融合，PLC將發(fā)揮更大作用。PLC的主要發(fā)展趨勢如下：

（1）PLC性能不斷提升，功能不斷增強。PLC的運算速度更快，I/O擴展數量更多，數據處理能力更強。在現有邏輯運算、過(guò)程調節、運動(dòng)控制的基礎上，PLC將增加人工智能等先進(jìn)控制技術(shù)。北京藍普鋒科技有限公司先后開(kāi)發(fā)了RPC2000系列小型PLC和RPC3000系列中大型PLC。RPC2000指令處理時(shí)間僅為0.06μs，單CPU可擴展25個(gè)模塊。RPC3000配置工業(yè)級1GHz處理器，單指令處理時(shí)間僅為6ns，I/O容量可達5萬(wàn)點(diǎn)。

（2）PLC的通信功能不斷增強，為泛在互聯(lián)提供有效支撐。藍普鋒公司開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品中，即使是小型PLC產(chǎn)品，RPC2000也具有豐富的通信功能。RPC2000不僅具有Ethernet、Profibus、RS485等有線(xiàn)通信功能，也具有3G/4G、Wifi、NB-IoT等無(wú)線(xiàn)通功能，可與各類(lèi)設備互聯(lián)互通。

（3）PLC的標準開(kāi)放接口更豐富，功能更強大。在構建工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的過(guò)程中，作為現場(chǎng)信號處理的核心單元，PLC不僅要同現場(chǎng)各類(lèi)智能設備進(jìn)行信息交互，還要與上層監控平臺進(jìn)行信息交互。標準化的開(kāi)放接口，可讓相關(guān)軟件、硬件的工作解耦，構成一個(gè)個(gè)相互獨立且協(xié)同工作的智慧單元。有了開(kāi)放接口，智慧工廠(chǎng)、智慧城市、智慧交通、智慧農業(yè)等系統就能快速搭建，并高效協(xié)作。

（4）PLC的信息安全功能更加強化。在傳統工業(yè)自動(dòng)化系統中，控制網(wǎng)絡(luò )和信息網(wǎng)絡(luò )是隔離的，信息安全的功能比較容易實(shí)現。在新一代控制系統中，由于通信方式的增加、通信功能的增強，PLC遭受網(wǎng)絡(luò )攻擊、數據竊取的風(fēng)險顯著(zhù)增加，因此必須增強信息安全防護。目前，藍普鋒公司正在承擔工信部工業(yè)強基工程項目：基于信息安全的PLC及硬件平臺研制，我們在PLC中深度融合了信息安全功能。

（5）PLC與行業(yè)應用深度融合。不同行業(yè)具有不同的應用特點(diǎn)，通過(guò)與應用需求深度融合，PLC將能更好地解決行業(yè)應用的難點(diǎn)和痛點(diǎn)，為用戶(hù)創(chuàng )造獨特價(jià)值。藍普鋒公司在為軌道交通客戶(hù)提供車(chē)載控制器時(shí)，就很好地解決了產(chǎn)品可靠性提升、知識產(chǎn)權保護等問(wèn)題，得到了客戶(hù)高度肯定。

（6）PLC應用領(lǐng)域不斷拓寬。在人工成本不斷攀升和設備互聯(lián)需求不斷增加的雙重作用下，越來(lái)越多的設備開(kāi)始采用性?xún)r(jià)比好的PLC產(chǎn)品。PLC具有穩定可靠、應用程序編制靈活等優(yōu)點(diǎn)，隨著(zhù)用戶(hù)個(gè)性化需求的不斷增加，以及對產(chǎn)品穩定性要求的不斷提高，PLC逐步向傳統單片機市場(chǎng)滲透，取代了部分單片機市場(chǎng)需求。

李方園：物聯(lián)PLC助力智慧城市

浙江工商職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授李方園

智慧城市是以互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、通信網(wǎng)、移動(dòng)網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò )組合為基礎，以智慧技術(shù)高度集成、智慧產(chǎn)業(yè)高端發(fā)展、智慧服務(wù)高效便民為主要特征的城市發(fā)展新模式。智慧化是繼工業(yè)化、電氣化、信息化之后，世界科技革命又一次新的突破。在城市設施中，公用設施設備是重要組成部分，也就是說(shuō)，那些城市管道、落水管、水箱、加壓水泵、電梯、天線(xiàn)、供電線(xiàn)路、照明、鍋爐、暖氣線(xiàn)路、煤氣線(xiàn)路、消防設施、綠地、道路、路燈、溝渠、池、井、非經(jīng)營(yíng)性車(chē)庫、公益性文體設施和公用設施設備使用的房屋等都將接入到整個(gè)城市的“智慧”中來(lái)。

眾所周知，涉及到電機及電氣控制的產(chǎn)品基本都會(huì )采用PLC作為控制器，那么這些公用設施要接入到智慧城市的網(wǎng)絡(luò )中來(lái)，也就是要這些PLC接入到網(wǎng)絡(luò )中來(lái)。雖然，傳統的PLC都支持RS485、以太網(wǎng)等常規的通訊，但基本都是基于有線(xiàn)的方式進(jìn)行，在城市聯(lián)網(wǎng)中如果采用有線(xiàn)聯(lián)網(wǎng)，過(guò)于復雜，且成本高昂。因此，采用具有統一協(xié)議標準的物聯(lián)PLC已提到議事日程?！拔锢矸稚?、邏輯集中”是目前城市公共數據庫的主流方式，公用設備控制作為下端物理分散的一部分，通過(guò)Zigbee、Lora、WiFi等無(wú)線(xiàn)方式快速接入到城市物聯(lián)網(wǎng)中，傳送和接收城市公共數據庫的基本數據量。在智慧城市中，有了物聯(lián)PLC之后，可以對大部分涉及到的市政設施、環(huán)衛、綠化景觀(guān)、房地物業(yè)、水、電、暖、燃氣、環(huán)保、防汛、氣象等公共設備的運行進(jìn)行全數字化監控，并最終可以自動(dòng)編制情況日報，最后按照標準、預警、應急等分級通報，確保城市整體運行有序。

在這個(gè)不斷增長(cháng)的物理設備網(wǎng)絡(luò )中，萬(wàn)物物聯(lián)變得更加真實(shí)，設備智能化允許更少的人力輸入和更多的機器輸出。因此，對于公用設備的底層PLC來(lái)說(shuō)，它已經(jīng)不僅僅是接收一些邏輯信號或輸出一些邏輯信號，而是需要對物聯(lián)信息進(jìn)行數據分析，并在終端做到智能化，這就需要PLC在接口數據分析上全面支持C語(yǔ)言或Python語(yǔ)言接口。對于邏輯控制，PLC用梯形圖是強大的，但是對于物聯(lián)通道，PLC該用什么樣的編程語(yǔ)言呢？這就首先需要了解：物聯(lián)信息是如何工作的？涉及什么樣的編碼？C語(yǔ)言雖然復雜，但由于它的底層性，幾乎無(wú)所不能，所以C語(yǔ)言已被用于物聯(lián)網(wǎng)編程，如Arduino。那么對于PLC來(lái)說(shuō)，已經(jīng)有主流PLC開(kāi)始提供C語(yǔ)言功能塊來(lái)進(jìn)行數據分析運算。對于Python來(lái)說(shuō)，它已成為在IoT企業(yè)中被使用的最簡(jiǎn)單的編程語(yǔ)言。如今，MicroPython已經(jīng)在微控制器中得到了快速普及，作為Python3語(yǔ)言的精簡(jiǎn)實(shí)現，經(jīng)過(guò)優(yōu)化可在微控制器和受限環(huán)境中運行。

孫志鵬：食品飲料行業(yè)對PLC技術(shù)及產(chǎn)品應用的現狀及需求

內蒙古伊利實(shí)業(yè)集團股份有限公司工程管理部自控工程師孫志鵬

乳制品行業(yè)屬于輕工行業(yè)，從工藝上講，既包含了流程工藝，也包含了離散工藝；從廠(chǎng)房布局上講，既有潔凈區，也有準潔凈區和非潔凈區，當然也有傳統的公用工程和物流等；從工廠(chǎng)規劃上講，需要考慮人流、物流、各功能間、參觀(guān)等因素?；谝陨咸攸c(diǎn)，乳制品工廠(chǎng)的自動(dòng)化在規劃設計時(shí)就需要考慮自動(dòng)化系統在滿(mǎn)足生產(chǎn)設備控制精度的前提下，還需要考慮控制柜的布局對應設備的布局、滿(mǎn)足潔凈等級和布線(xiàn)簡(jiǎn)潔等要求。因此目前在乳制品行業(yè)大多選擇PLC作為核心控制系統，通過(guò)遠程I/O的方式，連接現場(chǎng)各類(lèi)傳感器、閥島、調節閥。這樣的配置方案延用至今已有幾十年的歷史了。發(fā)展到今天，乳制品行業(yè)的自動(dòng)化程度已經(jīng)非常高，各類(lèi)先進(jìn)的自動(dòng)化技術(shù)都在各個(gè)工廠(chǎng)內得到了廣泛的應用，如各類(lèi)現場(chǎng)總線(xiàn)、運動(dòng)控制器、機械手、AGV、自動(dòng)化立體庫等等。

在各國經(jīng)濟發(fā)展的驅動(dòng)下，近些年工業(yè)4.0、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、大數據、云計算等技術(shù)出現，我國也提出了“中國制造2025”的目標。這一切將自動(dòng)化與信息化的融合提到了一個(gè)新的高度，MES、WMS、LIMS、ERP、EMS等信息化系統幾乎成為智能制造的代名詞，只要談到智能制造，必然會(huì )談到這些技術(shù)。而這些技術(shù)更多的是解決生產(chǎn)管理、設備管理、能源管理等管理流程類(lèi)問(wèn)題，用于優(yōu)化排產(chǎn)、提高效率等。那么是否說(shuō)PLC等傳統控制系統成為輔助，被定義為邊緣控制了呢？其實(shí)不然，作為核心控制單元，PLC依然無(wú)法取代，但是隨著(zhù)生產(chǎn)管理的需求提高，信息化系統的不斷上線(xiàn)，對PLC有了新的要求。我們在選用PLC時(shí)，首先考慮到PLC的掃描周期、接入I/O、內存容量、通訊處理能力，能否滿(mǎn)足至少20000點(diǎn)的需求，另外對PLC可接入的總線(xiàn)類(lèi)型是否滿(mǎn)足現場(chǎng)儀表、閥島的通訊要求，例如目前我們采用AS-I總線(xiàn)的閥島、I/O Link總線(xiàn)的儀表，使用相應的網(wǎng)關(guān)控制器接入到PLC的CPU，傳統I/O則使用Profinet總線(xiàn)或EthernetIP接入到CPU，工廠(chǎng)單元間的能源計量?jì)x表則使用Modbus TCP協(xié)議接入到工廠(chǎng)的設備專(zhuān)網(wǎng)后，將數據通訊給PLC，變頻器則采用Profinet協(xié)議接入PLC，全部實(shí)現工業(yè)以太網(wǎng)的通訊。

為了滿(mǎn)足與信息化系統間數據的讀寫(xiě)要求，我們必須考慮PLC的CPU在高負荷運算情況下，正常處理對外數據的通訊，專(zhuān)門(mén)設置兩臺可自動(dòng)均衡負荷的冗余I/O服務(wù)器，并配置獨立的Historian服務(wù)器，使用OPC的通訊方式結合SQL數據庫查詢(xún)及Webservice的方式與第三方信息化系統進(jìn)行數據交互。其實(shí)從專(zhuān)業(yè)角度來(lái)講，我們更希望各單元的PLC專(zhuān)注于底層的設備控制，擁有更高的掃描周期，支持更多的通訊協(xié)議。因此我們嘗試通過(guò)在儀表端將數據一分為二，即儀表的過(guò)程數據在總線(xiàn)上分別通過(guò)兩個(gè)接口傳輸，一路傳送到PLC，完成過(guò)程控制，一路傳送至信息化系統進(jìn)行數據的采集和分析。隨著(zhù)PLC的技術(shù)發(fā)展，軟硬件的性能在不斷提高，相信未來(lái)能夠滿(mǎn)足乳制品行業(yè)控制要求的產(chǎn)品會(huì )更加豐富，更多的工業(yè)以太網(wǎng)通訊協(xié)議、接口會(huì )直接集成在PLC的通訊模塊或CPU中。

摘自《自動(dòng)化博覽》2019年6月刊