導 讀：從誕生至今，PLC出色的完成了銜接設備層與信息層的任務，承擔了上傳下達的職責，并收獲了易用、可靠的美名。我們將工業(yè)領域的架構(gòu)，分為現(xiàn)場層、控制層、信息層等多個層級“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)領域發(fā)生了很大的變化，工廠需要更扁平的架構(gòu)、更簡單的流程和更智能的分析。這時如果依然沿用過去的分層架構(gòu)思路，有些不合時宜。
這是我在【物女心經(jīng)】專欄寫的第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，有些趨勢是不可逆轉(zhuǎn)的。市場、需求和技術的迭代，推動產(chǎn)品的演進，一切只是時間問題。
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)，成為工廠與車間的控制中樞。
從誕生至今，PLC出色的完成了銜接設備層與信息層的任務，承擔了上傳下達的職責，并收獲了易用、可靠的美名。我們將工業(yè)領域的架構(gòu)，分為現(xiàn)場層、控制層、信息層等多個層級“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)領域發(fā)生了很大的變化，工廠需要更扁平的架構(gòu)、更簡單的流程和更智能的分析。加之PLC的功能日益完善，具備了更強大的數(shù)據(jù)處理，被賦予了跳出原有層級束縛的能力。
這時如果依然沿用過去的分層架構(gòu)思路，有些不合時宜。
偉大的冰球選手韋恩·格雷茨基，保持著40項常規(guī)賽紀錄、15項季后賽紀錄和6項全明星賽紀錄，當他被問到如何在冰上跑位時，他說：“我滑向球下一步的位置，而不是它現(xiàn)在的位置?！睂τ赑LC，我們也應該如此對待。
面向未來，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?！ ?/p>
跳出“金字塔”的架構(gòu)，過去的一些基本假設需要被重置：
數(shù)據(jù)不必被分層，不同層級之間的數(shù)據(jù)可以相對自由的流動
數(shù)據(jù)的來源方和使用方，都更加豐富多樣
每個節(jié)點具備一定的智能，就近可以對數(shù)據(jù)進行初步分析和處理
5年之后，PLC會變成什么樣子?思考這個問題，更易把握工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展機遇。本文試圖呈現(xiàn)一些PLC的未來演進路徑和方向。
1、從PLC到工業(yè)智能控制器
第一種演進路徑，由OT領域的傳統(tǒng)巨頭主導，他們均已推出了下一代PLC的雛形。
最早啟動變革的是施耐德電氣，不僅積極推動PLC直連到云，還大力推進開放自動化體系，采納開放環(huán)境的編程語言IEC 61499，成為傳統(tǒng)自動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。簡單介紹，M262是一款集邏輯控制和運動控制于一體的PLC，能夠直接連接到云平臺，不需要中間加一個網(wǎng)關進行數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)。
延續(xù)直連云端、開放易用的思路，菲尼克斯電氣推出的下一代PLC，PLCnext，也值得關注。這款PLC基于Linux的操作系統(tǒng)，允許使用Node-Red等開源編程工具，它既可以用作邊緣網(wǎng)關，也可以用作PLC。
PLCnext通過將操作系統(tǒng)、編程環(huán)境、通信接口和用戶界面全面開放，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，在一個系統(tǒng)內(nèi)既有實時控制的PLC，又有非實時的可直接鏈接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。
西門子和羅克韋爾自動化則紛紛將人工智能引入了PLC。
西門子推出了一款S7-1500神經(jīng)網(wǎng)絡處理模塊，使機器能夠識別復雜模式。羅克韋爾自動化推出了LogixAI分析模塊，為自動化系統(tǒng)提供了對異常情況進行預測性分析的能力。
兩家企業(yè)的做法有些相似之處，這些輕量級的智能模塊與原有PLC可以緊密集成?；谠械目刂葡到y(tǒng)，通過新增模塊可以實現(xiàn)基礎級的人工智能應用，不要求用戶具備復雜繁瑣的IT知識，無需部署IT網(wǎng)絡，也無需切換控制平臺。
從用戶的使用習慣和心智認知出發(fā)，這些品牌挖掘了很深的護城河。
根據(jù)MIR睿工業(yè)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，PLC產(chǎn)品在國內(nèi)市場的整體規(guī)模大約為130億元人民幣，其中大部分以國外品牌為主。西門子占據(jù)40%左右的市場份額，羅克韋爾自動化和施耐德電氣緊隨其后。他們對于PLC的演進路徑具有較強的話語權(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備。在這個過程中，可編程邏輯控制器這個名稱已經(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。
這種循序漸進的方式充分迎合了用戶的新使用習慣，不僅自動化系統(tǒng)可以承載更多的數(shù)據(jù)分析和處理能力，滿足運算與控制的實時性、安全性要求，還能降低IT系統(tǒng)運營和部署的成本，分擔管理系統(tǒng)的運轉(zhuǎn)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，是指在云端運行的可編程控制器。通過將物聯(lián)接口標準化和應用云化，采用軟件定義的PLC與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺直接相通，實現(xiàn)PLC的遠程控制，將APP和分析結(jié)果嵌入機器和云，實現(xiàn)智能化和自我感知，通過API和生態(tài)系統(tǒng)擴大工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺應用。
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)門檻已經(jīng)被極大降低，標準化的硬件配合Codesys等工業(yè)領域的“安卓”平臺，保證了新一代PLC開發(fā)的快捷性和易用性。
其次，通信技術的發(fā)展，讓5G和TSN等技術融合成為可能，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性和可靠性。
第三，云端應用和開發(fā)者生態(tài)的極大豐富，以及在B2C驗證的成功實踐，讓新一代PLC的市場開拓可以探索更多的商業(yè)模式。
今年6月，華為攜手紫金山實驗室、上海交通大學、寶信軟件正式發(fā)布了首個廣域云化PLC的試驗成果。試驗基于新一代工業(yè)控制邊緣計算架構(gòu)和確定性廣域網(wǎng)技術，實現(xiàn)了跨越600公里距離的廣域云化PLC的部署和穩(wěn)定運行。
實驗中，云化PLC部署在上海，采用開放性架構(gòu)實現(xiàn)，包括鯤鵬CPU、歐拉開源操作系統(tǒng)、面向IEC61499標準的PLC開發(fā)運行環(huán)境，遠程控制部署在南京的執(zhí)行端機械臂。在重度負載的背景流量沖擊下，確定性廣域網(wǎng)的平均時延小于4ms，時延抖動小于20us?！ ?img src="https://s1.iot101.com/uploadfile/ueditor/image/202111/1636535770e71559.jpg" title="6" alt="6"/>
在此之前，已有云化PLC推出，運營商是重要的推動力量之一。
2020年11月，廣東電信聯(lián)合美的集團、華為公司，發(fā)布了“云化PLC創(chuàng)新應用”。今年10月，中國聯(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等技術發(fā)展，正在為PLC開啟許多新的可能性。在未來，一些工業(yè)流程可能會通過云端進行控制。但是在大多數(shù)場景中，仍然需要現(xiàn)場硬件來處理和傳輸數(shù)據(jù)。即便將5G與TSN結(jié)合，創(chuàng)造前所未有的無線通信速度，也不足以完全虛擬化所有機器控制，將其遷移上云。
物理上距離實體設備較近、充分滿足實時性和控制復雜度的要求，以及對數(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的落地還有待時間的考驗，有些朋友可能會認為這類產(chǎn)品是來自CT領域的企業(yè)在試圖用自己擅長的產(chǎn)品以改造自己不擅長的場景，這種初始判斷無可厚非。
云化PLC的更大意義在于，它帶給我們思維模式上的突破。
5G用無線的方式解決了實時性的問題，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，都達到了史無前例的量級。
多個云化PLC產(chǎn)品的落地，說明工業(yè)領域的軟硬件解耦已經(jīng)發(fā)生，通用性的硬件和開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，推動者來自于OT領域的創(chuàng)新型企業(yè)，他們逐漸將PLC內(nèi)置于各種設備。
這一路徑的發(fā)展也有三個前提條件。
第一，PLC的尺寸極大降低。
PLC誕生時，外形尺寸很大，比電機大得多，甚至比一些小型設備還大，因此當時的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證。
從歷史上看，電子部件比機器部件發(fā)生故障的概率更高，藍屏、死機在過去是家常便飯。因此，那時有嬌貴的電子部件的產(chǎn)品，一般都需要被放置于易于訪問，可以觸及的位置，容易重啟、更換和維修。
時光如梭，來到2021年，誰手上都有幾個掉地不易碎、泡水不易壞、開機永在線的“皮實”手機。電子部件的可靠性已經(jīng)得到了很大改善，可以與機器部件平起平坐。
第三，PLC的成本遵從反摩爾定律，快速降低。
過去，電子部件的成本遠高于DIN導軌、外殼和電纜等支撐組件?，F(xiàn)在微型PLC的成本僅為20年前的十分之一，為這些PLC配備導軌、外殼和電纜，不再劃算。
綜合考慮以上種種因素，在萬物皆有智能的時代，PLC不再有獨立外置于電氣柜中的必要，而是可以植入到機器內(nèi)部，甚至以PCB板的形式，成為機器內(nèi)部的一個“器官”。
有不少提供運動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)置于機械臂、CNC機床、移動機器人等設備“體內(nèi)”。
典型的比如倍福和貝加萊(已經(jīng)被ABB收購)，他們發(fā)展的后勁十足，采用基于PC的控制，實現(xiàn)PLC的功能，讓用戶品嘗到PC在軟件工程方面的靈活性和開放性的優(yōu)勢。倍福還通過提供軟件開發(fā)套件的方式，支撐第三方廠家的深度定制需求。
在這個快魚吃慢魚，群魚吃大魚的時代，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，隨著PLC的演進，軟硬件充分解耦、基于Linux等開源操作系統(tǒng)、使用開源軟件工具，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在云端運行，通過將物聯(lián)接口標準化和應用云化，采用軟件定義的PLC與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺直接相通，實現(xiàn)PLC的遠程控制。
第三，從外到內(nèi)，PLC不再有獨立外置于電氣柜中的必要，而是可以植入到機器內(nèi)部，甚至以PCB板的形式，成為機器內(nèi)部的一個“器官”。
當然，PLC的演進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注。無論未來如何發(fā)展，PLC可編程邏輯控制器這個名稱似乎難以概括它的概念和定位，也許即將被賦予新的命名。
