導(dǎo) 讀：從誕生至今，PLC出色的完成了銜接設(shè)備層與信息層的任務(wù)，承擔(dān)了上傳下達(dá)的職責(zé)，并收獲了易用、可靠的美名。我們將工業(yè)領(lǐng)域的架構(gòu)，分為現(xiàn)場(chǎng)層、控制層、信息層等多個(gè)層級(jí)“金字塔”的做法，也伴隨PLC一起深入人心。但是在最近幾年，工業(yè)領(lǐng)域發(fā)生了很大的變化，工廠(chǎng)需要更扁平的架構(gòu)、更簡(jiǎn)單的流程和更智能的分析。這時(shí)如果依然沿用過(guò)去的分層架構(gòu)思路，有些不合時(shí)宜。
這是我在【物女心經(jīng)】專(zhuān)欄寫(xiě)的第236篇文章。
隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，有些變化是不可避免的，有些趨勢(shì)是不可逆轉(zhuǎn)的。市場(chǎng)、需求和技術(shù)的迭代，推動(dòng)產(chǎn)品的演進(jìn)，一切只是時(shí)間問(wèn)題。
作為跨越OT與IT的橋梁，PLC的作用不容小覷。PLC連接與控制多種設(shè)備，將數(shù)據(jù)分析、處理，并傳遞到上層的信息系統(tǒng)，成為工廠(chǎng)與車(chē)間的控制中樞。
從誕生至今，PLC出色的完成了銜接設(shè)備層與信息層的任務(wù)，承擔(dān)了上傳下達(dá)的職責(zé)，并收獲了易用、可靠的美名。我們將工業(yè)領(lǐng)域的架構(gòu)，分為現(xiàn)場(chǎng)層、控制層、信息層等多個(gè)層級(jí)“金字塔”的做法，也伴隨PLC一起深入人心。
但是在最近幾年，工業(yè)領(lǐng)域發(fā)生了很大的變化，工廠(chǎng)需要更扁平的架構(gòu)、更簡(jiǎn)單的流程和更智能的分析。加之PLC的功能日益完善，具備了更強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理，被賦予了跳出原有層級(jí)束縛的能力。
這時(shí)如果依然沿用過(guò)去的分層架構(gòu)思路，有些不合時(shí)宜。
偉大的冰球選手韋恩·格雷茨基，保持著40項(xiàng)常規(guī)賽紀(jì)錄、15項(xiàng)季后賽紀(jì)錄和6項(xiàng)全明星賽紀(jì)錄，當(dāng)他被問(wèn)到如何在冰上跑位時(shí)，他說(shuō)：“我滑向球下一步的位置，而不是它現(xiàn)在的位置?！睂?duì)于PLC，我們也應(yīng)該如此對(duì)待。
面向未來(lái)，突破“金字塔”的束縛逐漸成為一種必然，PLC的使命也有可能被重新定義。
跳出“金字塔”的架構(gòu)，過(guò)去的一些基本假設(shè)需要被重置：
數(shù)據(jù)不必被分層，不同層級(jí)之間的數(shù)據(jù)可以相對(duì)自由的流動(dòng)
數(shù)據(jù)的來(lái)源方和使用方，都更加豐富多樣
每個(gè)節(jié)點(diǎn)具備一定的智能，就近可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步分析和處理
5年之后，PLC會(huì)變成什么樣子?思考這個(gè)問(wèn)題，更易把握工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展機(jī)遇。本文試圖呈現(xiàn)一些PLC的未來(lái)演進(jìn)路徑和方向。
1、從PLC到工業(yè)智能控制器
第一種演進(jìn)路徑，由OT領(lǐng)域的傳統(tǒng)巨頭主導(dǎo)，他們均已推出了下一代PLC的雛形。
最早啟動(dòng)變革的是施耐德電氣，不僅積極推動(dòng)PLC直連到云，還大力推進(jìn)開(kāi)放自動(dòng)化體系，采納開(kāi)放環(huán)境的編程語(yǔ)言IEC 61499，成為傳統(tǒng)自動(dòng)化巨頭中的一股清流?！?/p>
知名的事件要屬在2019年漢諾威工業(yè)展上，施耐德電氣推出了面相工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的控制器M262。簡(jiǎn)單介紹，M262是一款集邏輯控制和運(yùn)動(dòng)控制于一體的PLC，能夠直接連接到云平臺(tái)，不需要中間加一個(gè)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)。
延續(xù)直連云端、開(kāi)放易用的思路，菲尼克斯電氣推出的下一代PLC，PLCnext，也值得關(guān)注。這款PLC基于Linux的操作系統(tǒng)，允許使用Node-Red等開(kāi)源編程工具，它既可以用作邊緣網(wǎng)關(guān)，也可以用作PLC。
PLCnext通過(guò)將操作系統(tǒng)、編程環(huán)境、通信接口和用戶(hù)界面全面開(kāi)放，將傳統(tǒng)且穩(wěn)定的PLC與現(xiàn)代軟件工程的靈活性結(jié)合起來(lái)，在一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)既有實(shí)時(shí)控制的PLC，又有非實(shí)時(shí)的可直接鏈接IT(包括云、數(shù)據(jù)中心等)的系統(tǒng)，為OT與IT融合給出了一種解決方案。
西門(mén)子和羅克韋爾自動(dòng)化則紛紛將人工智能引入了PLC。
西門(mén)子推出了一款S7-1500神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理模塊，使機(jī)器能夠識(shí)別復(fù)雜模式。羅克韋爾自動(dòng)化推出了LogixAI分析模塊，為自動(dòng)化系統(tǒng)提供了對(duì)異常情況進(jìn)行預(yù)測(cè)性分析的能力。
兩家企業(yè)的做法有些相似之處，這些輕量級(jí)的智能模塊與原有PLC可以緊密集成。基于原有的控制系統(tǒng)，通過(guò)新增模塊可以實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)級(jí)的人工智能應(yīng)用，不要求用戶(hù)具備復(fù)雜繁瑣的IT知識(shí)，無(wú)需部署IT網(wǎng)絡(luò)，也無(wú)需切換控制平臺(tái)。
從用戶(hù)的使用習(xí)慣和心智認(rèn)知出發(fā)，這些品牌挖掘了很深的護(hù)城河。
根據(jù)MIR睿工業(yè)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，PLC產(chǎn)品在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的整體規(guī)模大約為130億元人民幣，其中大部分以國(guó)外品牌為主。西門(mén)子占據(jù)40%左右的市場(chǎng)份額，羅克韋爾自動(dòng)化和施耐德電氣緊隨其后。他們對(duì)于PLC的演進(jìn)路徑具有較強(qiáng)的話(huà)語(yǔ)權(quán)。
依靠前期積累的品牌壁壘，這些知名企業(yè)一般采用循序漸進(jìn)的方式，將PLC中嵌入更多的智能化功能，并成為連接到云的邊緣設(shè)備。在這個(gè)過(guò)程中，可編程邏輯控制器這個(gè)名稱(chēng)已經(jīng)不能涵蓋PLC的全部能力，它逐漸變成了工業(yè)智能控制器。
這種循序漸進(jìn)的方式充分迎合了用戶(hù)的新使用習(xí)慣，不僅自動(dòng)化系統(tǒng)可以承載更多的數(shù)據(jù)分析和處理能力，滿(mǎn)足運(yùn)算與控制的實(shí)時(shí)性、安全性要求，還能降低IT系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)和部署的成本，分擔(dān)管理系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)負(fù)荷。
2、從端到云，云化PLC
第二種演進(jìn)路徑，推動(dòng)者來(lái)自CT領(lǐng)域，提出了云化PLC的概念。
云化PLC，是指在云端運(yùn)行的可編程控制器。通過(guò)將物聯(lián)接口標(biāo)準(zhǔn)化和應(yīng)用云化，采用軟件定義的PLC與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)直接相通，實(shí)現(xiàn)PLC的遠(yuǎn)程控制，將APP和分析結(jié)果嵌入機(jī)器和云，實(shí)現(xiàn)智能化和自我感知，通過(guò)API和生態(tài)系統(tǒng)擴(kuò)大工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)應(yīng)用。
這種路徑的順利發(fā)展需要依靠一些前提條件。
首先，PLC的研發(fā)門(mén)檻已經(jīng)被極大降低，標(biāo)準(zhǔn)化的硬件配合Codesys等工業(yè)領(lǐng)域的“安卓”平臺(tái)，保證了新一代PLC開(kāi)發(fā)的快捷性和易用性。
其次，通信技術(shù)的發(fā)展，讓5G和TSN等技術(shù)融合成為可能，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和可靠性。
第三，云端應(yīng)用和開(kāi)發(fā)者生態(tài)的極大豐富，以及在B2C驗(yàn)證的成功實(shí)踐，讓新一代PLC的市場(chǎng)開(kāi)拓可以探索更多的商業(yè)模式。
今年6月，華為攜手紫金山實(shí)驗(yàn)室、上海交通大學(xué)、寶信軟件正式發(fā)布了首個(gè)廣域云化PLC的試驗(yàn)成果。試驗(yàn)基于新一代工業(yè)控制邊緣計(jì)算架構(gòu)和確定性廣域網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了跨越600公里距離的廣域云化PLC的部署和穩(wěn)定運(yùn)行。
實(shí)驗(yàn)中，云化PLC部署在上海，采用開(kāi)放性架構(gòu)實(shí)現(xiàn)，包括鯤鵬CPU、歐拉開(kāi)源操作系統(tǒng)、面向IEC61499標(biāo)準(zhǔn)的PLC開(kāi)發(fā)運(yùn)行環(huán)境，遠(yuǎn)程控制部署在南京的執(zhí)行端機(jī)械臂。在重度負(fù)載的背景流量沖擊下，確定性廣域網(wǎng)的平均時(shí)延小于4ms，時(shí)延抖動(dòng)小于20us?！ ?img src="http://uploadfile/ueditor/image/202111/1636535770e71559.jpg" title="6" alt="6"/>
在此之前，已有云化PLC推出，運(yùn)營(yíng)商是重要的推動(dòng)力量之一。
2020年11月，廣東電信聯(lián)合美的集團(tuán)、華為公司，發(fā)布了“云化PLC創(chuàng)新應(yīng)用”。今年10月，中國(guó)聯(lián)通和浙江中控聯(lián)合發(fā)布基于5G MEC的云化PLC品牌“DeepControl”。
物聯(lián)網(wǎng)、虛擬化和5G等技術(shù)發(fā)展，正在為PLC開(kāi)啟許多新的可能性。在未來(lái)，一些工業(yè)流程可能會(huì)通過(guò)云端進(jìn)行控制。但是在大多數(shù)場(chǎng)景中，仍然需要現(xiàn)場(chǎng)硬件來(lái)處理和傳輸數(shù)據(jù)。即便將5G與TSN結(jié)合，創(chuàng)造前所未有的無(wú)線(xiàn)通信速度，也不足以完全虛擬化所有機(jī)器控制，將其遷移上云。
物理上距離實(shí)體設(shè)備較近、充分滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性和控制復(fù)雜度的要求，以及對(duì)數(shù)據(jù)隱私和安全性的考慮，位于邊緣側(cè)的PLC仍然具有更大的施展空間。
云化PLC的落地還有待時(shí)間的考驗(yàn)，有些朋友可能會(huì)認(rèn)為這類(lèi)產(chǎn)品是來(lái)自CT領(lǐng)域的企業(yè)在試圖用自己擅長(zhǎng)的產(chǎn)品以改造自己不擅長(zhǎng)的場(chǎng)景，這種初始判斷無(wú)可厚非。
云化PLC的更大意義在于，它帶給我們思維模式上的突破。
5G用無(wú)線(xiàn)的方式解決了實(shí)時(shí)性的問(wèn)題，云化讓PLC不必再受到物理位置的束縛。既然PLC可以云化，其它設(shè)備也具備云化的可能性。云化與5G的結(jié)合，讓分布式控制系統(tǒng)的規(guī)模化、扁平性和分散性，都達(dá)到了史無(wú)前例的量級(jí)。
多個(gè)云化PLC產(chǎn)品的落地，說(shuō)明工業(yè)領(lǐng)域的軟硬件解耦已經(jīng)發(fā)生，通用性的硬件和開(kāi)放式的軟件正在變成“新常態(tài)”。
3、從外到內(nèi)，植入型PLC
第三種路徑，推動(dòng)者來(lái)自于OT領(lǐng)域的創(chuàng)新型企業(yè)，他們逐漸將PLC內(nèi)置于各種設(shè)備。
這一路徑的發(fā)展也有三個(gè)前提條件。
第一，PLC的尺寸極大降低。
PLC誕生時(shí)，外形尺寸很大，比電機(jī)大得多，甚至比一些小型設(shè)備還大，因此當(dāng)時(shí)的PLC安裝在電氣柜中，還配備了冷卻裝置。今非昔比，如今PLC的尺寸縮小了10倍，而且性能有很大提升。
第二，電子器件的可靠性得到驗(yàn)證。
從歷史上看，電子部件比機(jī)器部件發(fā)生故障的概率更高，藍(lán)屏、死機(jī)在過(guò)去是家常便飯。因此，那時(shí)有嬌貴的電子部件的產(chǎn)品，一般都需要被放置于易于訪(fǎng)問(wèn)，可以觸及的位置，容易重啟、更換和維修。
時(shí)光如梭，來(lái)到2021年，誰(shuí)手上都有幾個(gè)掉地不易碎、泡水不易壞、開(kāi)機(jī)永在線(xiàn)的“皮實(shí)”手機(jī)。電子部件的可靠性已經(jīng)得到了很大改善，可以與機(jī)器部件平起平坐。
第三，PLC的成本遵從反摩爾定律，快速降低。
過(guò)去，電子部件的成本遠(yuǎn)高于DIN導(dǎo)軌、外殼和電纜等支撐組件。現(xiàn)在微型PLC的成本僅為20年前的十分之一，為這些PLC配備導(dǎo)軌、外殼和電纜，不再劃算。
綜合考慮以上種種因素，在萬(wàn)物皆有智能的時(shí)代，PLC不再有獨(dú)立外置于電氣柜中的必要，而是可以植入到機(jī)器內(nèi)部，甚至以PCB板的形式，成為機(jī)器內(nèi)部的一個(gè)“器官”。
有不少提供運(yùn)動(dòng)控制解決方案的企業(yè)，已經(jīng)將PLC、PCB板、模組或者同等功能的器件，內(nèi)置于機(jī)械臂、CNC機(jī)床、移動(dòng)機(jī)器人等設(shè)備“體內(nèi)”。
典型的比如倍福和貝加萊(已經(jīng)被ABB收購(gòu))，他們發(fā)展的后勁十足，采用基于PC的控制，實(shí)現(xiàn)PLC的功能，讓用戶(hù)品嘗到PC在軟件工程方面的靈活性和開(kāi)放性的優(yōu)勢(shì)。倍福還通過(guò)提供軟件開(kāi)發(fā)套件的方式，支撐第三方廠(chǎng)家的深度定制需求。
在這個(gè)快魚(yú)吃慢魚(yú)，群魚(yú)吃大魚(yú)的時(shí)代，很多大型企業(yè)面臨著創(chuàng)新者的窘境。中小創(chuàng)新型企業(yè)具有輕裝上陣的優(yōu)勢(shì)，隨著PLC的演進(jìn)，軟硬件充分解耦、基于Linux等開(kāi)源操作系統(tǒng)、使用開(kāi)源軟件工具，不受物理位置和外形束縛的新一代“PLC”，將漸漸壯大。
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本文分析了PLC的三種演進(jìn)路徑：
第一，支持PLC直連云端，并嵌入人工智能模塊，從PLC發(fā)展為工業(yè)智能控制器。
第二，從端到云，PLC在云端運(yùn)行，通過(guò)將物聯(lián)接口標(biāo)準(zhǔn)化和應(yīng)用云化，采用軟件定義的PLC與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)直接相通，實(shí)現(xiàn)PLC的遠(yuǎn)程控制。
第三，從外到內(nèi)，PLC不再有獨(dú)立外置于電氣柜中的必要，而是可以植入到機(jī)器內(nèi)部，甚至以PCB板的形式，成為機(jī)器內(nèi)部的一個(gè)“器官”。
當(dāng)然，PLC的演進(jìn)路徑不僅限于以上幾種，如果你有更多發(fā)現(xiàn)，歡迎留言。
PLC作為工廠(chǎng)中控制能力的源泉，位于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的核心位置，它的前世今生值得更多關(guān)注。無(wú)論未來(lái)如何發(fā)展，PLC可編程邏輯控制器這個(gè)名稱(chēng)似乎難以概括它的概念和定位，也許即將被賦予新的命名。
