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?duì)顟B(tài)了？未來是否注定會(huì)被更先進(jìn)的技術(shù)替代？

考慮到計(jì)算硬件、軟件、智能測(cè)量、云可訪問性和通信連接速度的提升（有時(shí)幾乎呈指數(shù)級(jí)），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(yùn)營(yíng)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(duì)未來十年PLC發(fā)展和工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用的一些思考。

1. 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(yùn)營(yíng)環(huán)境下，也能對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的物理設(shè)備實(shí)施確定的控制和可靠的監(jiān)測(cè)。這是使用內(nèi)置于平臺(tái)的專用處理器、操作系統(tǒng)和編程環(huán)境來實(shí)現(xiàn)的。然而，規(guī)模經(jīng)濟(jì)繼續(xù)推動(dòng)主流消費(fèi)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(shì)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?yàn)檫M(jìn)一步小型化的趨勢(shì)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(chǔ)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(shí)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(shí)，平臺(tái)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(chǎng)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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程分布。

采用多核處理器的PLC設(shè)計(jì)具有強(qiáng)大的計(jì)算和通信功能，從而可以實(shí)現(xiàn)確定性控制。20多年來，術(shù)語可編程自動(dòng)化控制器（PAC）一直被用來描述比經(jīng)典PLC具有更強(qiáng)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(dú)特的產(chǎn)品，但時(shí)間已經(jīng)證明，自動(dòng)化工程師在選擇工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)品時(shí)，并不太關(guān)心術(shù)語，對(duì)性能和可用功能更感興趣。

雖然市場(chǎng)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(tái)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(tái)或操作系統(tǒng)視為自動(dòng)化平臺(tái)，如果它能提供經(jīng)過驗(yàn)證的實(shí)時(shí)控制功能，同時(shí)還能提供其他所需的高級(jí)計(jì)算功能，那么它可能會(huì)繼續(xù)被稱為 PLC，但實(shí)際上遠(yuǎn)不止如此。

2. 兼顧靈活性和一致性

雖然基于Windows的系統(tǒng)在消費(fèi)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(shí)時(shí)控制方面卻并非如此。PLC/PAC 平臺(tái)通常運(yùn)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(duì)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(duì)工業(yè)級(jí)可靠性的要求（通常只有專有系統(tǒng)才能提供工業(yè)級(jí)可靠性）之間取得平衡。這些專有系統(tǒng)也具有相對(duì)較高的網(wǎng)絡(luò)安全性，盡管主要是通過隱蔽性和黑客對(duì)其不熟悉而實(shí)現(xiàn)的。

多年來，無論是在硬件平臺(tái)還是編程語言方面似乎都有一種趨勢(shì)，或者至少是人們對(duì)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(tái)）硬件來實(shí)施自動(dòng)化和數(shù)據(jù)處理項(xiàng)目。出于對(duì)可靠性的擔(dān)憂，其他人則避免以這種方式對(duì)消費(fèi)級(jí)產(chǎn)品進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，但現(xiàn)在這些平臺(tái)的某些版本已經(jīng)將其固化為工業(yè)級(jí)設(shè)備（圖1）。用戶對(duì)將現(xiàn)代編程平臺(tái)與經(jīng)過驗(yàn)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(tái)已經(jīng)有了工業(yè)級(jí)產(chǎn)品，最終用戶可以選擇將傳統(tǒng)的自動(dòng)化方法與更現(xiàn)代的基于IT的語言集成。

面對(duì)如此多的硬件選項(xiàng)，實(shí)現(xiàn)開放性的下一個(gè)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(shí)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(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)部署。

不過，目前這些舉措都沒有解決這樣一個(gè)事實(shí)，即進(jìn)入職場(chǎng)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(jiǎn)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(dòng)化功能，廣泛的應(yīng)用基礎(chǔ)還具有其它優(yōu)勢(shì)。

如今，大多數(shù)硬件平臺(tái)都支持梯形邏輯，并且許多平臺(tái)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(duì)于特定任務(wù)，各種編碼語言都有自己的優(yōu)缺點(diǎn)，大多數(shù)用戶在選擇解決問題的最佳工具時(shí)，都喜歡依據(jù)自己的判斷，同時(shí)在靈活性和復(fù)雜性之間取得平衡。對(duì)用戶來說，另一個(gè)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(diǎn)是，用戶希望由值得信賴、經(jīng)驗(yàn)豐富的工業(yè)供應(yīng)商所提供和支持的自動(dòng)化平臺(tái)，能夠支持任何類型的首選編程語言。

3. 與通信進(jìn)步緊密連接

在過去十年中，工業(yè)自動(dòng)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(shí)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(gè)從專有轉(zhuǎn)向更開放產(chǎn)品的故事。

傳統(tǒng)的以OT為中心的現(xiàn)場(chǎng)總線，如DeviceNet，長(zhǎng)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(chǎng)設(shè)備的品牌和型號(hào)相關(guān)聯(lián)，而一些其他協(xié)議則針對(duì)自動(dòng)化任務(wù)的類型（如用于運(yùn)動(dòng)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(qiáng)大的PLC中，意味著中低復(fù)雜程度的運(yùn)動(dòng)應(yīng)用可以原生集成到自動(dòng)化平臺(tái)中，而不需要單獨(dú)的運(yùn)動(dòng)控制器。

Ethernet-APL（以太網(wǎng)先進(jìn)物理層）通過實(shí)現(xiàn)高帶寬，以及與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備建立無縫的以太網(wǎng)連接來改變過程自動(dòng)化領(lǐng)域。它解決了至今為止一直限制現(xiàn)場(chǎng)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(xiǎn)場(chǎng)所的使用。IO-Link 作為一種簡(jiǎn)化的現(xiàn)場(chǎng)總線正在崛起，即使對(duì)于基本的離散自動(dòng)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(shí)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(duì)列遙測(cè)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(shí)實(shí)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(gè)集成層來實(shí)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(dòng)化平臺(tái)上也提供這些選項(xiàng)（圖2）。現(xiàn)在，即使在一些低成本PLC自動(dòng)化平臺(tái)上也配備了先進(jìn)的邏輯功能、基本的運(yùn)動(dòng)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(dòng)化平臺(tái)上也配備了先進(jìn)的邏輯功能、基本的運(yùn)動(dòng)控制、有線/無線連接、一系列IT/OT通信協(xié)議等。

4. 為集成機(jī)器人做好準(zhǔn)備

多年來，機(jī)器人技術(shù)在很大程度上是作為自動(dòng)化的一個(gè)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(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，特別是協(xié)作機(jī)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(dòng)化中增長(zhǎng)最大的領(lǐng)域之一，這種情況正在發(fā)生變化（圖3）。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(jī)器人非常兼容，可以輕松集成到許多應(yīng)用程序中。

▲圖3：機(jī)器人技術(shù)代表了工業(yè)設(shè)計(jì)中一個(gè)快速增長(zhǎng)的領(lǐng)域，隨著用戶尋求將機(jī)器人技術(shù)徹底整合到他們的運(yùn)營(yíng)中，對(duì)功能強(qiáng)大的自動(dòng)化平臺(tái)和相關(guān)傳感技術(shù)的需求將會(huì)增加。

現(xiàn)代自動(dòng)化平臺(tái)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(jī)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(chǎng)機(jī)器人附近，作為自動(dòng)化平臺(tái)具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

5. 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(dòng)化文章中，都無法忽視人工智能（AI）和機(jī)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(shí)時(shí)“runtime”角色中使用AI/ML來分析和應(yīng)對(duì)工況。作為一個(gè)自動(dòng)化平臺(tái)，PLC目前并不適合這項(xiàng)任務(wù)，但一些高級(jí)版本可能在未來能夠運(yùn)行實(shí)時(shí)AI/ML算法。

相反，PLC非常適合作為高級(jí)AI/ML資源的現(xiàn)場(chǎng)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(yàn)證的代碼開發(fā)有用的自動(dòng)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(dòng)。

6. 未來的PLC是自動(dòng)化平臺(tái)的一部分

在接下來的十年里，我們所熟悉的PLC肯定不會(huì)消失，但它們有可能被稱為PAC、邊緣控制器、自動(dòng)化平臺(tái)或其它名稱。沒有一種控制器技術(shù)可以勝任所有價(jià)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(shí)時(shí)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(yàn)，實(shí)現(xiàn)更快速的項(xiàng)目交付。

本文來自于控制工程中文版雜志（CONTROL ENGINEERING China）2024年10月刊《技術(shù)文章》欄目：未來十年PLC的發(fā)展趨勢(shì)

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