【儀表網(wǎng) 行業(yè)科普】可編程邏輯控制器(PLC)不會在短期內(nèi)消失，不斷改進(jìn)的技術(shù)和用戶需求將使其作為基礎(chǔ)自動化平臺繼續(xù)發(fā)展。
 

　　可編程邏輯控制器(PLC)技術(shù)已經(jīng)出現(xiàn)了近60年。隨著新興技術(shù)的不斷發(fā)展，人們不禁要問，現(xiàn)在的PLC是否已經(jīng)進(jìn)入老年狀態(tài)了？未來是否注定會被更先進(jìn)的技術(shù)替代？
 

　　考慮到計算硬件、軟件、智能測量、云可訪問性和通信連接速度的提升(有時幾乎呈指數(shù)級)，這一討論尤其重要。隨著這些以及其它方面的進(jìn)步，信息技術(shù)(IT)已經(jīng)穩(wěn)步滲透到以前孤立的運營技術(shù)(OT)領(lǐng)域。鑒于智能控制領(lǐng)域的快速發(fā)展，以下是對未來十年P(guān)LC發(fā)展和工業(yè)自動化應(yīng)用的一些思考。
 

　　01  以核心任務(wù)為導(dǎo)向
 

　　PLC的核心任務(wù)始終如一：即使在具有挑戰(zhàn)性的運營環(huán)境下，也能對現(xiàn)場的物理設(shè)備實施確定的控制和可靠的監(jiān)測。這是使用內(nèi)置于平臺的專用處理器、操作系統(tǒng)和編程環(huán)境來實現(xiàn)的。然而，規(guī)模經(jīng)濟繼續(xù)推動主流消費和商業(yè)技術(shù)在PLC中的應(yīng)用，只要它是可行的。“更小、更快、更好”的趨勢一直適用，并將繼續(xù)如此，但主要是圍繞更快和更好的方面，因為進(jìn)一步小型化的趨勢在過去十年中已經(jīng)趨于平穩(wěn)。
 

　　電子元件、處理器和固態(tài)存儲器進(jìn)步的許多好處——降低的成本、縮小的體積、最小化的功耗和提高的性能——已經(jīng)在PLC和其它工業(yè)電子產(chǎn)品中實現(xiàn)。雖然在尺寸、成本和功率等方面的改進(jìn)將繼續(xù)，但真正的進(jìn)步將圍繞功能展開。
 

　　此時，平臺規(guī)模在很大程度上受到與PLC輸入/輸出(I/O)模塊接口的物理布線需求的限制。傳統(tǒng)的有線I/O仍然是必要的，但在許多情況下，與現(xiàn)場設(shè)備的連接正在轉(zhuǎn)向數(shù)字網(wǎng)絡(luò)，并使用IO-Link和無線等技術(shù)實現(xiàn)遠(yuǎn)程分布。
 

　　采用多核處理器的PLC設(shè)計具有強大的計算和通信功能，從而可以實現(xiàn)確定性控制。20多年來，術(shù)語可編程自動化控制器(PAC)一直被用來描述比經(jīng)典PLC具有更強功能的工業(yè)控制器。
 

　　盡管與PLC相比，PAC最初看起來可能是一種更獨特的產(chǎn)品，但時間已經(jīng)證明，自動化工程師在選擇工業(yè)自動化產(chǎn)品時，并不太關(guān)心術(shù)語，對性能和可用功能更感興趣。
 

　　雖然市場提供的產(chǎn)品從基本的PLC到復(fù)雜的PAC，但工業(yè)控制平臺的概念在很大程度上已經(jīng)融入一系列連續(xù)的功能中。展望未來，用戶將愿意把任何類型的底層硬件平臺或操作系統(tǒng)視為自動化平臺，如果它能提供經(jīng)過驗證的實時控制功能，同時還能提供其他所需的高級計算功能，那么它可能會繼續(xù)被稱為 PLC，但實際上遠(yuǎn)不止如此。
 

　　02  兼顧靈活性和一致性
 

　　雖然基于Windows的系統(tǒng)在消費和商用PC領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位，并在工業(yè)可視化領(lǐng)域表現(xiàn)突出，但在實時控制方面卻并非如此。PLC/PAC 平臺通常運行于專門的操作系統(tǒng)，盡管也有一些基于 Linux 的選擇。一般來說，用戶必須在對開放性的渴望(提供了極大的靈活性和較低的產(chǎn)品成本)和對工業(yè)級可靠性的要求(通常只有專有系統(tǒng)才能提供工業(yè)級可靠性)之間取得平衡。這些專有系統(tǒng)也具有相對較高的網(wǎng)絡(luò)安全性，盡管主要是通過隱蔽性和黑客對其不熟悉而實現(xiàn)的。
 

　　多年來，無論是在硬件平臺還是編程語言方面似乎都有一種趨勢，或者至少是人們對其更感興趣，那就是更開放的工業(yè)系統(tǒng)。一些終端用戶已經(jīng)使用通用Raspberry Pi(樹莓派)和 Arduino(一種開源電子原型平臺)硬件來實施自動化和數(shù)據(jù)處理項目。出于對可靠性的擔(dān)憂，其他人則避免以這種方式對消費級產(chǎn)品進(jìn)行實驗，但現(xiàn)在這些平臺的某些版本已經(jīng)將其固化為工業(yè)級設(shè)備(圖1)。用戶對將現(xiàn)代編程平臺與經(jīng)過驗證的工業(yè)I/O和硬件相結(jié)合的能力表現(xiàn)出極大的需求。
 

▲圖1：現(xiàn)在，當(dāng)代開源處理器平臺已經(jīng)有了工業(yè)級產(chǎn)品，
 

　　最終用戶可以選擇將傳統(tǒng)的自動化方法與更現(xiàn)代的基于IT的語言集成。
 

　　面對如此多的硬件選項，實現(xiàn)開放性的下一個障礙是統(tǒng)一的編程環(huán)境。經(jīng)典PLC使用供應(yīng)商特定的編程，很難移植到其它品牌。IEC 61131-3標(biāo)準(zhǔn)引入了有序的PLC編程語言和數(shù)據(jù)類型，但供應(yīng)商專有的實現(xiàn)方式，仍然阻礙了品牌之間的代碼可移植性。最終，CODESYS集成開發(fā)環(huán)境(IDE)提供了一種更一致的方法，可以使用標(biāo)準(zhǔn)語言創(chuàng)建代碼，以便在工業(yè)控制器上實現(xiàn)跨平臺部署。
 

　　不過，目前這些舉措都沒有解決這樣一個事實，即進(jìn)入職場的程序員通常更喜歡用更現(xiàn)代的、基于IT的語言(如C++或Python)來編寫代碼。
 

　　盡管所有這些努力都朝著開放和現(xiàn)代編程語言的方向發(fā)展，但似乎可以肯定地說，在可預(yù)見的未來，經(jīng)典的梯形邏輯將繼續(xù)存在。梯形邏輯擁有龐大的應(yīng)用基礎(chǔ)，它仍然是許多電工、技術(shù)人員甚至開發(fā)人員首選的簡單編碼方法。它的圖形風(fēng)格適用于基本的故障排除和典型的工業(yè)自動化功能，廣泛的應(yīng)用基礎(chǔ)還具有其它優(yōu)勢。
 

　　如今，大多數(shù)硬件平臺都支持梯形邏輯，并且許多平臺還允許其它類型的編碼方法，這些方法可以根據(jù)需要進(jìn)行混合和匹配。對于特定任務(wù)，各種編碼語言都有自己的優(yōu)缺點，大多數(shù)用戶在選擇解決問題的最佳工具時，都喜歡依據(jù)自己的判斷，同時在靈活性和復(fù)雜性之間取得平衡。對用戶來說，另一個好處是，他們能夠擺脫專有語言的束縛管理代碼庫，該代碼庫可以部署在任何類型的目標(biāo)硬件上，從而最大限度地減少返工。
 

　　當(dāng)前和未來的重點是，用戶希望由值得信賴、經(jīng)驗豐富的工業(yè)供應(yīng)商所提供和支持的自動化平臺，能夠支持任何類型的首選編程語言。
 

　　03  與通信進(jìn)步緊密連接
 

　　在過去十年中，工業(yè)自動化領(lǐng)域取得的一些重大進(jìn)展都與通信技術(shù)的改進(jìn)有關(guān)，從而幫助制造企業(yè)實現(xiàn)了真正意義上的互聯(lián)工廠。與控制器硬件和編程一樣，這也是一個從專有轉(zhuǎn)向更開放產(chǎn)品的故事。
 

　　傳統(tǒng)的以O(shè)T為中心的現(xiàn)場總線，如DeviceNet，長期以來一直提供用戶所需的可靠性和安裝形式。但現(xiàn)在有線甚至無線以太網(wǎng)開始占主導(dǎo)地位，有幾種領(lǐng)先的工業(yè)通信協(xié)議可供選擇。物理外形尺寸的改進(jìn)，如可沖洗和可連接的組件以及以太網(wǎng)供電(PoE)，使以太網(wǎng)安裝適用于工業(yè)環(huán)境。
 

　　某些OT協(xié)議(如 EtherNet/IP、PROFINET 和 Modbus-TCP等)與現(xiàn)場設(shè)備的品牌和型號相關(guān)聯(lián)，而一些其他協(xié)議則針對自動化任務(wù)的類型(如用于運動控制的 EtherCAT)進(jìn)行了優(yōu)化。雖然EtherCAT并不是什么新技術(shù)，但將該協(xié)議原生集成到功能更強大的PLC中，意味著中低復(fù)雜程度的運動應(yīng)用可以原生集成到自動化平臺中，而不需要單獨的運動控制器。
 

　　Ethernet-APL(以太網(wǎng)先進(jìn)物理層)通過實現(xiàn)高帶寬，以及與現(xiàn)場設(shè)備建立無縫的以太網(wǎng)連接來改變過程自動化領(lǐng)域。它解決了至今為止一直限制現(xiàn)場使用以太網(wǎng)的挑戰(zhàn)。這些挑戰(zhàn)包括功率、帶寬、布線、距離以及在危險場所的使用。IO-Link 作為一種簡化的現(xiàn)場總線正在崛起，即使對于基本的離散自動化設(shè)備也是如此，具有適用的通信功能和智能。
 

　　要在OT與IT之間架起橋梁，安全地實現(xiàn)IIoT 應(yīng)用和數(shù)據(jù)傳輸，以支持遠(yuǎn)程可視化和分析，需要采用不同類型的通信協(xié)議。OPC UA和消息隊列遙測傳輸(MQTT)在這一領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。雖然它們的某些功能有重疊，但兩種協(xié)議都有最佳用例，用戶可以選擇同時實施。其他支持工具，如 Node-RED，作為一種處理數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)推送到云端供其他應(yīng)用程序使用的圖形化方法，已受到青睞。
 

　　從傳感器到控制器，到本地服務(wù)器，到基于云的資源，再到瀏覽器，這一切意味著什么？以前，較小的控制器只有有限的功能集，因此需要較大的設(shè)備或多個集成層來實現(xiàn)完全連接。現(xiàn)在，用戶甚至希望在非常基礎(chǔ)和低成本的自動化平臺上也提供這些選項(圖2)。現(xiàn)在，即使在一些低成本PLC自動化平臺上也配備了先進(jìn)的邏輯功能、基本的運動控制、有線/無線連接、一系列IT/OT通信協(xié)議等。
 

▲圖2：現(xiàn)在，即使在一些低成本PLC自動化平臺上也配備了先進(jìn)的邏輯功能、
 

　　基本的運動控制、有線/無線連接、一系列IT/OT通信協(xié)議等。
 

　　04  為集成機器人做好準(zhǔn)備
 

　　多年來，機器人技術(shù)在很大程度上是作為自動化的一個專業(yè)子集存在的，需要定制集成到上、下游系統(tǒng)中。隨著機器人技術(shù)的發(fā)展，特別是協(xié)作機器人技術(shù)(cobots)，在未來5到10年內(nèi)有望成為所有工業(yè)自動化中增長最大的領(lǐng)域之一，這種情況正在發(fā)生變化。在相關(guān)發(fā)展中，視覺系統(tǒng)在過去十年中取得了巨大進(jìn)步，其中許多系統(tǒng)與機器人非常兼容，可以輕松集成到許多應(yīng)用程序中。
 

　　技術(shù)徹底整合到他們的運營中，對功能強大的自動化平臺和相關(guān)傳感技術(shù)的需求將會增加。
 

　　現(xiàn)代自動化平臺需要做好準(zhǔn)備，通過提供必要的處理能力、編程指令和連接，與機器人和視覺無縫集成，以跟上這種不斷變化的環(huán)境。具有這些功能的現(xiàn)代PLC位于現(xiàn)場機器人附近，作為自動化平臺具有明顯的優(yōu)勢。
 

　　05  AI在PLC發(fā)展中的作用
 

　　在2024年撰寫的任何面向未來的工業(yè)自動化文章中，都無法忽視人工智能(AI)和機器學(xué)習(xí)(ML)的潛在影響。然而，目前大部分討論都圍繞在實時“runtime”角色中使用AI/ML來分析和應(yīng)對工況。作為一個自動化平臺，PLC目前并不適合這項任務(wù)，但一些高級版本可能在未來能夠運行實時AI/ML算法。
 

　　相反，PLC非常適合作為高級AI/ML資源的現(xiàn)場接口，為用戶提供豐富、響應(yīng)迅速和情境化的數(shù)據(jù)。它們還可以根據(jù)算法執(zhí)行操作。
 

　　另一方面，從代碼創(chuàng)建的角度來看，未來幾年生成式人工智能(Gen-AI)將在PLC中發(fā)揮更大的作用。具有精心集成的AI支持工具的開發(fā)環(huán)境可以幫助用戶，甚至是該領(lǐng)域的新手，基于庫和經(jīng)過驗證的代碼開發(fā)有用的自動化邏輯。作為一種開發(fā)工具，AI可以幫助加快開發(fā)速度，提高代碼可靠性，并最大限度地減少冗余或重復(fù)勞動。
 

　　06  未來的PLC是自動化平臺的一部分
 

　　在接下來的十年里，我們所熟悉的PLC肯定不會消失，但它們有可能被稱為PAC、邊緣控制器、自動化平臺或其它名稱。沒有一種控制器技術(shù)可以勝任所有價位的所有應(yīng)用需求。
 

　　PLC將繼續(xù)根據(jù)可用技術(shù)和用戶需求而不斷發(fā)展，就像過去幾十年一樣。首要任務(wù)是提供實時控制和可靠監(jiān)控，但它們將添加更好的編程和連接功能，以改善用戶體驗，實現(xiàn)更快速的項目交付。