導 讀：從誕生(sheng)至今，PLC出色的(de)(de)(de)完(wan)成(cheng)了(le)銜(xian)接設備層(ceng)與(yu)信息層(ceng)的(de)(de)(de)任務，承擔了(le)上傳下達的(de)(de)(de)職(zhi)責，并收獲了(le)易用、可(ke)靠(kao)的(de)(de)(de)美名。我們將(jiang)工業領域的(de)(de)(de)架(jia)(jia)構，分(fen)為現場層(ceng)、控制層(ceng)、信息層(ceng)等多個層(ceng)級“金字塔”的(de)(de)(de)做法，也(ye)伴隨PLC一起(qi)深入(ru)人心。但是在(zai)最近(jin)幾(ji)年，工業領域發(fa)生(sheng)了(le)很大(da)的(de)(de)(de)變化，工廠需要更扁(bian)平的(de)(de)(de)架(jia)(jia)構、更簡單的(de)(de)(de)流程和更智能的(de)(de)(de)分(fen)析。這時如果依然沿用過去的(de)(de)(de)分(fen)層(ceng)架(jia)(jia)構思路，有些不合(he)時宜(yi)。
這是我在【物女(nv)心經】專欄寫的第236篇文章。
隨著工業互聯網的(de)發展，有些變化是不(bu)可避免的(de)，有些趨勢是不(bu)可逆轉的(de)。市場、需求和技術的(de)迭代，推(tui)動(dong)產品的(de)演進，一切只(zhi)是時間(jian)問題。
作為跨越OT與(yu)IT的(de)橋梁，PLC的(de)作用不容小覷。PLC連(lian)接與(yu)控制多種設備，將數據分析(xi)、處理，并(bing)傳(chuan)遞到上(shang)層的(de)信息系統，成為工廠與(yu)車間的(de)控制中(zhong)樞(shu)。
從誕(dan)生至今，PLC出(chu)色的(de)(de)完成了銜接設備層(ceng)(ceng)與信息(xi)層(ceng)(ceng)的(de)(de)任務，承(cheng)擔了上傳下達(da)的(de)(de)職責，并收獲了易(yi)用、可靠的(de)(de)美(mei)名。我們將工業領(ling)域的(de)(de)架構(gou)，分為現場(chang)層(ceng)(ceng)、控制層(ceng)(ceng)、信息(xi)層(ceng)(ceng)等(deng)多個層(ceng)(ceng)級“金字塔”的(de)(de)做法，也伴隨PLC一起深入人心。
但是在最近幾年(nian)，工業領域發生(sheng)了(le)很大的變化，工廠需要更扁(bian)平的架構、更簡(jian)單的流程和更智能的分析。加之PLC的功(gong)能日益完(wan)善(shan)，具備了(le)更強(qiang)大的數據處理(li)，被賦予了(le)跳出(chu)原有(you)層級束(shu)縛(fu)的能力。
這時如果依然沿用過去的分(fen)層架(jia)構思路，有(you)些不合時宜。
偉(wei)大的(de)冰(bing)球(qiu)選手韋恩·格雷(lei)茨基，保持著(zhu)40項常規(gui)賽紀(ji)(ji)錄、15項季后賽紀(ji)(ji)錄和6項全明星賽紀(ji)(ji)錄，當他被問到如何在(zai)冰(bing)上跑位(wei)時，他說：“我滑向球(qiu)下(xia)一步的(de)位(wei)置(zhi)，而不是它現在(zai)的(de)位(wei)置(zhi)。”對于PLC，我們(men)也應該如此對待(dai)。
面向未來，突破“金字塔”的束縛逐漸成為一種必(bi)然，PLC的使(shi)命也有可能被重新定義。
跳出“金字塔”的(de)架構(gou)，過(guo)去的(de)一(yi)些基本假設需要被(bei)重置：
數(shu)據不必被分(fen)層，不同層級之間的(de)數(shu)據可以相(xiang)對自(zi)由(you)的(de)流動
數據的(de)來(lai)源方和使用方，都(dou)更加豐(feng)富多樣
每個節點具(ju)備一定(ding)的智能，就近可(ke)以(yi)對數據進行初步分析(xi)和(he)處理(li)
5年之后，PLC會變成什么樣子?思考這(zhe)個問(wen)題(ti)，更易把握工(gong)業(ye)互聯網的發展(zhan)機遇(yu)。本文試圖(tu)呈現一些(xie)PLC的未來(lai)演進路徑和(he)方向(xiang)。
1、從PLC到工業智能控制器
第一種演進路徑，由OT領域的傳統巨頭主導，他們均已推出了下一代PLC的雛形。
最早啟動(dong)變(bian)革的(de)是施耐德(de)電氣，不僅積極推動(dong)PLC直連到云，還大力(li)推進開放自動(dong)化(hua)體系(xi)，采(cai)納(na)開放環境(jing)的(de)編程語言IEC 61499，成為傳(chuan)統自動(dong)化(hua)巨(ju)頭中的(de)一(yi)股清流。
知名的事件要(yao)屬(shu)在2019年漢(han)諾威工業展上，施耐(nai)德電氣推出了面相工業互聯(lian)網的控制(zhi)器M262。簡單(dan)介紹，M262是一款集邏輯控制(zhi)和運動控制(zhi)于一體的PLC，能夠直接連接到云(yun)平臺，不需(xu)要(yao)中間(jian)加(jia)一個網關進行(xing)數據中轉(zhuan)。
延(yan)續直連(lian)云端(duan)、開(kai)放易用的思路(lu)，菲尼(ni)克斯電氣推出的下一代PLC，PLCnext，也值得(de)關(guan)注。這款PLC基于Linux的操作(zuo)系統，允許使用Node-Red等開(kai)源編(bian)程工具，它既可(ke)以用作(zuo)邊緣網關(guan)，也可(ke)以用作(zuo)PLC。
PLCnext通(tong)過(guo)將(jiang)操作(zuo)系(xi)統(tong)、編程環(huan)境(jing)、通(tong)信接口和用戶界面(mian)全面(mian)開放，將(jiang)傳統(tong)且穩定的PLC與現(xian)代軟件(jian)工程的靈活(huo)性結合(he)(he)起來，在(zai)一個(ge)系(xi)統(tong)內既有實時控(kong)制的PLC，又有非實時的可直接鏈接IT(包括云、數據中心等(deng))的系(xi)統(tong)，為(wei)OT與IT融合(he)(he)給出(chu)了(le)一種解決方案。
西門子和羅克韋爾自動化則紛紛將人工智能引入了PLC。
西(xi)門子推(tui)出了(le)一款S7-1500神經網絡處(chu)理模(mo)(mo)塊(kuai)，使機器能(neng)夠識別復雜模(mo)(mo)式。羅克韋爾自(zi)動化推(tui)出了(le)LogixAI分析模(mo)(mo)塊(kuai)，為自(zi)動化系統提供了(le)對異常情況進行預測性分析的能(neng)力。
兩家企業的做法有些相似(si)之處，這些輕量級的智能(neng)模塊與(yu)原有PLC可以(yi)緊密集成。基于原有的控制(zhi)系統，通過新(xin)增(zeng)模塊可以(yi)實(shi)現基礎級的人(ren)工智能(neng)應(ying)用(yong)，不要求用(yong)戶具備復雜(za)繁瑣的IT知(zhi)識，無需部署IT網(wang)絡，也無需切換控制(zhi)平臺。
從用戶的(de)使用習慣和心智認知出發，這些品(pin)牌挖(wa)掘(jue)了很深的(de)護城(cheng)河。
根據(ju)MIR睿工業的(de)(de)統計數(shu)據(ju)，PLC產品在國內(nei)市場的(de)(de)整(zheng)體規模(mo)大約為(wei)130億元人民幣，其中(zhong)大部分(fen)以國外品牌(pai)為(wei)主。西門子占據(ju)40%左右的(de)(de)市場份額，羅克(ke)韋爾(er)自動化和施(shi)耐德(de)電氣緊隨其后。他們對于(yu)PLC的(de)(de)演進路(lu)徑(jing)具有較強的(de)(de)話語權。
依靠(kao)前期積累的品牌壁壘，這些知名(ming)企業一般采用循序漸進的方式，將PLC中(zhong)嵌入更多的智能(neng)化功(gong)能(neng)，并成為連接到云(yun)的邊緣設備(bei)。在(zai)這個(ge)過(guo)程中(zhong)，可編程邏輯控制器(qi)這個(ge)名(ming)稱(cheng)已經不(bu)能(neng)涵蓋PLC的全部能(neng)力，它(ta)逐漸變成了工(gong)業智能(neng)控制器(qi)。
這(zhe)種循序漸進的(de)方式充分(fen)(fen)(fen)迎(ying)合(he)了(le)用戶(hu)的(de)新使用習慣，不僅自動化系統可以承載更多的(de)數(shu)據分(fen)(fen)(fen)析和處理能力，滿足運(yun)算(suan)與控制的(de)實時性、安全(quan)性要求，還能降低IT系統運(yun)營和部署的(de)成本，分(fen)(fen)(fen)擔管理系統的(de)運(yun)轉負荷。
2、從端到云，云化PLC
第二種演進路徑，推動者來自CT領域，提出了云化PLC的概念。
云化PLC，是(shi)指在云端運行的可編程控制器(qi)。通過將物(wu)聯接(jie)口(kou)標準化和應(ying)用(yong)云化，采用(yong)軟件定義的PLC與(yu)工業(ye)互聯網(wang)(wang)平臺直接(jie)相通，實現PLC的遠程控制，將APP和分(fen)析結果(guo)嵌入機器(qi)和云，實現智能化和自我感(gan)知，通過API和生態系統擴(kuo)大工業(ye)互聯網(wang)(wang)平臺應(ying)用(yong)。
這種路徑的順利發(fa)展需(xu)要依靠一些(xie)前提條件。
首(shou)先，PLC的研(yan)發門檻已經被極大降(jiang)低(di)，標準化的硬件配合Codesys等(deng)工業領(ling)域的“安卓”平臺，保證了新一代PLC開發的快捷性和(he)易(yi)用性。
其次，通信技術的發(fa)展，讓5G和TSN等技術融合成為可(ke)能，保證(zheng)了數據傳輸(shu)的實時性和可(ke)靠性。
第三，云(yun)端應用和開發者生態的(de)極大(da)豐富，以及在B2C驗證的(de)成功實踐，讓新一(yi)代(dai)PLC的(de)市場(chang)開拓可以探索(suo)更多(duo)的(de)商業(ye)模式。
今年6月(yue)，華為攜手紫(zi)金山(shan)實驗(yan)室(shi)、上(shang)海交(jiao)通大學、寶信軟件正式(shi)發(fa)布(bu)了首(shou)個廣(guang)域(yu)云(yun)化PLC的試驗(yan)成(cheng)果。試驗(yan)基于新一代工業控制(zhi)邊緣計(ji)算(suan)架構(gou)和(he)確定性廣(guang)域(yu)網(wang)技術，實現了跨越600公里距離的廣(guang)域(yu)云(yun)化PLC的部署和(he)穩定運行(xing)。
實驗中，云化PLC部署在上海，采用開放性架構實現，包括鯤鵬CPU、歐拉開源操作系統、面向IEC61499標準的PLC開發運行環境，遠程控制部署在南京的執行端機械臂。在重度負載的背景流量沖擊下，確定性廣域網的平均時延小于4ms，時延抖動小于20us。 
在此之前，已有(you)云化PLC推出，運營商是重要的推動力量之一。
2020年11月，廣(guang)東(dong)電信聯合美(mei)的集團(tuan)、華(hua)為公司(si)，發(fa)(fa)布了(le)“云化PLC創新應用”。今年10月，中(zhong)國聯通和浙江中(zhong)控聯合發(fa)(fa)布基于5G MEC的云化PLC品牌“DeepControl”。
物聯網、虛擬化和5G等(deng)技術發展，正在為(wei)PLC開啟許多(duo)新的(de)可能(neng)性。在未來(lai)，一些工業(ye)流程可能(neng)會通過云端進行控(kong)制。但是在大多(duo)數場景中，仍然(ran)需要現場硬件來(lai)處理和傳輸數據。即便(bian)將5G與TSN結(jie)合，創造前所未有的(de)無線通信(xin)速(su)度(du)，也不足以完全(quan)虛擬化所有機(ji)器(qi)控(kong)制，將其遷移(yi)上云。
物理上距離實體設備較近、充分(fen)滿足實時性(xing)和控制復雜度的(de)要求，以(yi)及對數據隱私和安全性(xing)的(de)考慮，位于(yu)邊緣(yuan)側的(de)PLC仍然具有(you)更大的(de)施(shi)展空間。
云化PLC的(de)(de)落(luo)地還有待(dai)時間的(de)(de)考(kao)驗(yan)，有些(xie)朋(peng)友可(ke)能會(hui)認為(wei)這類(lei)產品(pin)是來(lai)自CT領域的(de)(de)企業在試圖(tu)用自己擅(shan)(shan)長的(de)(de)產品(pin)以(yi)改造自己不擅(shan)(shan)長的(de)(de)場(chang)景，這種(zhong)初始判(pan)斷無可(ke)厚非。
云化PLC的更大意義在(zai)于(yu)，它帶給我們(men)思維模式上的突破。
5G用無(wu)線的(de)方式(shi)解(jie)決(jue)了(le)(le)實時性的(de)問題(ti)，云(yun)化(hua)讓PLC不必(bi)再受(shou)到物(wu)理位(wei)置的(de)束(shu)縛。既然PLC可以(yi)云(yun)化(hua)，其它設備也(ye)具備云(yun)化(hua)的(de)可能性。云(yun)化(hua)與5G的(de)結(jie)合，讓分布式(shi)控(kong)制系統(tong)的(de)規模化(hua)、扁平(ping)性和分散(san)性，都達到了(le)(le)史無(wu)前例的(de)量級(ji)。
多個(ge)云化PLC產(chan)品的(de)(de)(de)落(luo)地，說明(ming)工業領(ling)域(yu)的(de)(de)(de)軟硬(ying)(ying)件解(jie)耦已經發(fa)生，通用性的(de)(de)(de)硬(ying)(ying)件和開放式的(de)(de)(de)軟件正在變成“新常態”。
3、從外到內，植入型PLC
第三種路徑，推動者來自于OT領域的創新型企業，他們逐漸將PLC內置于各種設備。
這一路(lu)徑的發展也有三個前(qian)提條件。
第一，PLC的(de)尺(chi)寸極(ji)大降低。
PLC誕生時(shi)(shi)，外(wai)形尺(chi)寸(cun)很大，比電機大得多，甚(shen)至比一些小(xiao)型設(she)備還大，因此當時(shi)(shi)的PLC安裝在電氣柜中，還配備了(le)冷卻裝置。今非(fei)昔比，如今PLC的尺(chi)寸(cun)縮(suo)小(xiao)了(le)10倍，而且性(xing)能有很大提升。
第二，電(dian)子器件的可靠性(xing)得到驗證。
從歷史(shi)上看，電(dian)子(zi)部(bu)(bu)件比機器部(bu)(bu)件發生故障(zhang)的(de)(de)(de)概率更(geng)(geng)高，藍屏、死機在(zai)過去是家(jia)常便(bian)飯。因此，那時有嬌貴的(de)(de)(de)電(dian)子(zi)部(bu)(bu)件的(de)(de)(de)產品，一般(ban)都需要被放(fang)置于(yu)易(yi)于(yu)訪問，可以觸及的(de)(de)(de)位置，容易(yi)重啟(qi)、更(geng)(geng)換和維(wei)修。
時(shi)光如梭(suo)，來到(dao)2021年，誰手上(shang)都有幾(ji)個掉地(di)不易(yi)碎(sui)、泡水不易(yi)壞、開機(ji)永在(zai)線的(de)“皮實”手機(ji)。電子(zi)部(bu)件的(de)可靠性已經得到(dao)了很大改善，可以與(yu)機(ji)器(qi)部(bu)件平(ping)起平(ping)坐(zuo)。
第三，PLC的成(cheng)本遵從反摩爾定律，快速降低。
過(guo)去，電子部件的(de)成本遠高于DIN導(dao)軌、外殼和電纜等(deng)支撐組件。現在微型PLC的(de)成本僅為20年前的(de)十分(fen)之一，為這(zhe)些PLC配備導(dao)軌、外殼和電纜，不再劃算。
綜合考(kao)慮以(yi)上種種因素，在萬物皆有智能的(de)(de)時(shi)代，PLC不再有獨立外(wai)置(zhi)于電氣柜(ju)中的(de)(de)必要(yao)，而是可(ke)以(yi)植(zhi)入到機器內部，甚至以(yi)PCB板的(de)(de)形式，成(cheng)為機器內部的(de)(de)一個“器官(guan)”。
有(you)不少提供運動控制解(jie)決方(fang)案(an)的(de)企業，已經將PLC、PCB板、模組(zu)或者(zhe)同等功能的(de)器件，內置于機械(xie)臂、CNC機床、移(yi)動機器人(ren)等設(she)備“體內”。
典(dian)型的(de)比如(ru)倍(bei)福和貝加萊(已經(jing)被ABB收購)，他(ta)們發(fa)展的(de)后(hou)勁十足，采用(yong)基于PC的(de)控(kong)制(zhi)，實現PLC的(de)功能，讓用(yong)戶(hu)品(pin)嘗(chang)到PC在軟件工程方(fang)面的(de)靈活性(xing)和開放(fang)性(xing)的(de)優(you)勢。倍(bei)福還(huan)通過提供軟件開發(fa)套件的(de)方(fang)式，支撐第三(san)方(fang)廠(chang)家(jia)的(de)深(shen)度定制(zhi)需求(qiu)。
在這個快(kuai)魚(yu)吃(chi)慢魚(yu)，群魚(yu)吃(chi)大(da)魚(yu)的(de)(de)時代，很(hen)多大(da)型(xing)企業面臨著(zhu)(zhu)創新者的(de)(de)窘境。中小創新型(xing)企業具(ju)有(you)輕裝上陣的(de)(de)優勢，隨(sui)著(zhu)(zhu)PLC的(de)(de)演進，軟硬件充分解(jie)耦、基于Linux等開(kai)源操作系(xi)統、使用開(kai)源軟件工具(ju)，不(bu)受(shou)物理位置和外形束縛的(de)(de)新一代“PLC”，將(jiang)漸漸壯(zhuang)大(da)。
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本文分析了PLC的三種演進(jin)路徑：
第一，支持PLC直連云端，并嵌(qian)入人(ren)工智能模塊，從PLC發展為工業(ye)智能控(kong)制器。
第二，從端(duan)到云，PLC在(zai)云端(duan)運行，通過(guo)將物聯接口標準化(hua)和應用(yong)云化(hua)，采用(yong)軟件定(ding)義的PLC與(yu)工業(ye)互聯網(wang)平臺直接相通，實(shi)現PLC的遠程(cheng)控制。
第三，從外到內(nei)，PLC不再(zai)有獨立外置于電氣柜中(zhong)的必要，而是可以植入到機器內(nei)部，甚至(zhi)以PCB板的形式，成為機器內(nei)部的一個“器官(guan)”。
當然(ran)，PLC的(de)演進路(lu)徑(jing)不僅(jin)限于以上(shang)幾種(zhong)，如果你有更多發現，歡迎留言。
PLC作(zuo)為工廠中控(kong)制(zhi)(zhi)能力的(de)(de)源泉(quan)，位于工業互聯(lian)網的(de)(de)核心位置，它的(de)(de)前世(shi)今生值得更多關注。無(wu)論未來如何發展，PLC可(ke)編(bian)程邏(luo)輯控(kong)制(zhi)(zhi)器這個名稱似(si)乎難以(yi)概括它的(de)(de)概念和定(ding)位，也(ye)許即(ji)將被賦(fu)予新的(de)(de)命(ming)名。
