導讀：可編程邏輯控制器（PLC）經(jīng)過五十余年的發(fā)展，從最初的邏輯控制發(fā)展到了集運動、網(wǎng)絡(luò)、安全、智能等功能為一體的復雜控制系統(tǒng)，廣泛應用于高鐵、航空航天、核電、機器人、高端裝備等關(guān)系國家安全和經(jīng)濟命脈的重要領(lǐng)域。長期以來，我國PLC核心市場被西門子、羅克韋爾、三菱電機等國外品牌壟斷。把握PLC未來發(fā)展的重要趨勢來指導攻克其中的核心技術(shù)，將是破除PLC“卡脖子”的關(guān)鍵，也是我國從工業(yè)大國向工業(yè)強國轉(zhuǎn)型不可或缺的基石。1

硬件高性能異構(gòu)化

PLC是第三次工業(yè)革命的典型代表之一。它由早期的繼電器邏輯電路、微處理器再到微控制器發(fā)展而來。1969年，美國MODICON公司研制出了世界上第一臺可編程邏輯控制器。早期的PLC為提高資源利用率都針對芯片定制運行時來執(zhí)行PLC程序，并且運行時直接執(zhí)行在硬件上。隨著芯片技術(shù)的發(fā)展，PLC系統(tǒng)逐漸引入了FPGA、DSP等高性能芯片，并開始將運行時執(zhí)行在RT-Linux、VxWorks、WindowsCE等操作系統(tǒng)上。近年來，PLC開始趨向于使用類似手機的片上系統(tǒng)（SoC），例如高通的Snapdragon，英偉達的Tegra以及英特爾的Altera。典型的AlteraSoC由英特爾聯(lián)合3S、EXOR、Barco-Silex公司專門針對PLC設(shè)計開發(fā)，該芯片集成了雙ARM核心和一個FPGA核心，原生嵌入了3S的支持IEC61131-3標準的運行時和EXOR的人機界面軟件，也實現(xiàn)了EtherCAT、CANopen等工業(yè)總線協(xié)議棧。目前，智能制造、工業(yè)4.0等技術(shù)革命對PLC中圖像處理、人工智能等非實時算法有巨大需求，推動了PLC的發(fā)展。圖像處理方面，典型的有歐姆龍近年推出的FZ5系列和FH系列圖像處理系統(tǒng)，它們可通過總線方式和PLC相連并交互處理結(jié)果。人工智能方面，西門子在2018年12月首先推出了一款集成了人工智能（AI）芯片的全新模塊（TMNPU）。2019年11月，羅克韋爾發(fā)布了支持機器學習的分析模塊LogixAI。該模塊可直接裝入控制器機架內(nèi)，并通過背板總線以數(shù)據(jù)流形式傳輸控制器采集的數(shù)據(jù)，以便構(gòu)建預測模型。目前LogixAI主要應用在異常檢測和軟傳感器領(lǐng)域。同年，歐姆龍推出了NX和NY兩個系列人工智能控制器?？刂破髟诳刂乒δ艿幕A(chǔ)上搭載了特有的AI功能單元，該單元能夠通過運行Sysmac軟件功能庫中的AI模組，對與應用目標相關(guān)的對象數(shù)據(jù)進行采集和記錄，并基于預設(shè)的應用模型，支持設(shè)備行為的歷史趨勢分析、機器異常預測等。這些通過總線擴展的圖形圖像和人工智能模塊，解決了PLC受限資源無法執(zhí)行復雜算法的困境，極大拓展了PLC的應用領(lǐng)域。然而，現(xiàn)場操作技術(shù)（OT）工程師對這些基于信息技術(shù)（IT）開發(fā)的模塊接受困難，一時間難以在制造業(yè)廣泛使用。因此，PLC還需要繼續(xù)向高性能的超多核心以及更加廣泛和深入融合FPGA、GPU、NPU等的硬件架構(gòu)形式發(fā)展，從而支撐復雜邏輯、運動、圖像處理、人工智能等相融合的應用，這是未來PLC發(fā)展的一個重要趨勢。2

系統(tǒng)的統(tǒng)一開放架構(gòu)

五十年前，硬接線繼電器邏輯被梯形圖取代。這種語言對于在繼電器邏輯中成長的技術(shù)人員和工程師來說，容易接受和使用，但它有一些限制，特別是在過程控制和數(shù)據(jù)處理方面。因此，1993年發(fā)布的第一版國際標準IEC61131-3中，就規(guī)定了三種圖語言：梯形圖（LD）、功能塊圖（FBD）、順序功能圖（SFC），以及兩種文本語言：指令表（IL）和結(jié)構(gòu)化文本（ST）。其中，梯形圖由于其更接近繼電器邏輯，一直占據(jù)著邏輯控制的主流；順序功能圖更適用于過程控制；結(jié)構(gòu)化文本適合數(shù)據(jù)操作和算法實現(xiàn)；指令表更接近機器指令，常作為編譯到二進制的過渡；而功能塊圖通過支持代碼圖形化封裝和嵌入達到減少了代碼量的目的，是統(tǒng)一化編程的重要形式?？梢?，從IEC61131標準開始，PLC就向著統(tǒng)一化方向發(fā)展，這給OT工程師提供了便利。隨著Profinet、EtherCat、PowerLink等總線技術(shù)的不斷發(fā)展，在應用上PLC也從過去的邏輯控制，向著運動控制、人機界面（HMI）、遠端I/O，甚至是圖形圖像處理和人工智能算法等融合的方向發(fā)展。結(jié)合5G以及時間敏感網(wǎng)絡(luò)（TSN）、OPC/UA、MQTT等通信協(xié)議和技術(shù)的發(fā)展，為分布式控制、智能群體控制、云邊協(xié)同控制打開了大門。通用電氣的Predix、西門子的MindSphere、施耐德電氣的EcoStructure、ABB的Ability、航天科工的航天云網(wǎng)、海爾的COSMOPlat、三一集團的樹根互聯(lián)等工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的蓬勃發(fā)展，已經(jīng)使得制造業(yè)裝備網(wǎng)絡(luò)化初具規(guī)模，從下到上PLC、MES、ERP、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺正在被全面打通。進一步，各領(lǐng)域包括工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、智能運維、云計算、霧計算、邊緣計算、超5G、信息物理系統(tǒng)、數(shù)字孿生、元宇宙等新概念和技術(shù)每天都在產(chǎn)生和變革。這種發(fā)展趨勢下，PLC擁抱統(tǒng)一開放架構(gòu)來高效地融入新技術(shù)將成為未來發(fā)展的必然趨勢。從國際上看，有兩大團體分別提出了統(tǒng)一開放架構(gòu)的解決方案：（1）美國開放流程自動化論壇（OPAF）倡導的開放自動化標準。它通過軟硬件解耦建立可互操作、內(nèi)生信息安全的分布式控制節(jié)點（DCN）并打通其上層的HMI、SCADA和MES，最終融合PLC、DCS、HMI和MES等形成開放統(tǒng)一架構(gòu)。（2）德國NAMUR倡導的開放自動化主流是NOA（NAMUROpenAutomation）。NOA以原有的PLC、DCS、HMI等作為核心，在盡量保留這些系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，基于OPC/UA構(gòu)建的數(shù)據(jù)通道建立一個可進行全局監(jiān)控和優(yōu)化（即M+O）的工業(yè)IT系統(tǒng)，來彌合IT和OT之間的鴻溝，拓寬和統(tǒng)一現(xiàn)有的控制系統(tǒng)。PLC中統(tǒng)一開放架構(gòu)的實踐主要體現(xiàn)在平臺軟件。這方面德國3S公司的Codesys占據(jù)了世界大部分市場，他們一直在工業(yè)4.0云平臺、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、信號處理等開放支持方面進行探索。國內(nèi)也齊頭并進，在前沿領(lǐng)域進行研究，杭州電子科技大學的CASS平臺已經(jīng)形成了邊云協(xié)同開發(fā)、異構(gòu)多任務(wù)同平臺開發(fā)、知識驅(qū)動的感知-接入-融合開發(fā)等方面的理論和功能。3

新技術(shù)融合

由于PLC硬件向高性能異構(gòu)化發(fā)展，軟件趨于統(tǒng)一開放架構(gòu)，使得虛擬化技術(shù)、人工智能、5G、數(shù)字孿生、知識圖譜和區(qū)塊鏈等前沿技術(shù)在PLC中應用有了廣闊空間。（1）虛擬化技術(shù)

虛擬化技術(shù)已經(jīng)在云計算中廣泛使用。針對資源受限的邊緣節(jié)點，微軟AzureIoTEdge、Balena的BalenaOS和亞馬遜AWSIoTGreengrass等也提供了基于容器的解決方案。同時Docker的DockerSwarm、加州大學伯克利分校的Mesos和華為的KubeEdge都提供了容器的編排方法。這些虛擬化技術(shù)的運用使得對接入物聯(lián)網(wǎng)的資源形成了柔性化的管理方案，是物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的重要技術(shù)支撐。然而，出于實時性和可靠性的考慮，作為物聯(lián)網(wǎng)重要一員的PLC和一般物聯(lián)網(wǎng)中的節(jié)點還是有很大差別，因此研究PLC的虛擬化和編排是一個重要方向。（2）人工智能

近年來人工智能技術(shù)呈現(xiàn)爆發(fā)式發(fā)展，無論是PLC商業(yè)化產(chǎn)品還是理論研究都大量融入了人工智能的應用。無疑，PLC對人工智能的支持會是智能制造變革的關(guān)鍵。然而，現(xiàn)有的成熟方案仍然以通過總線方式來擴展特殊功能模塊為主，失去了PLC化開發(fā)的便捷性和統(tǒng)一性。同時，由于人工智能大都采用IT技術(shù)，使得熟悉PLC的OT技術(shù)人員無法快速適應應用需求，這嚴重阻礙了PLC中智能應用的普及。因此，研究人工智能在PLC中的原生支持將是未來發(fā)展的重點。（3）5G和6G

5G的普及已經(jīng)有一段時間，然而主要還停留在移動通信中，在制造業(yè)中的推廣應用才剛起步。國際組織5G工業(yè)自動化聯(lián)盟（5GACIA）正聯(lián)合各家單位，致力于制定適合工業(yè)應用的標準以及產(chǎn)業(yè)化推廣方案。5G低延時高可靠、大覆蓋范圍和海量接入的特性，以及未來6G提升到空天地海一體、人機物靈充分聯(lián)合的能力，將是未來智能制造不可或缺的部分，而PLC在5G/6G支持下的大范圍的動態(tài)感知、協(xié)同控制、智能應用等將是其中重要的落地之舉。（4）數(shù)字孿生

數(shù)字孿生（或者說制造業(yè)的元宇宙），為未來復雜應用提供了廣泛試錯、生產(chǎn)優(yōu)化、故障預知等能力。作為制造業(yè)裝備控制的主流，如何提供PLC的數(shù)字孿生來映射實際生產(chǎn)的應用、運行時、環(huán)境等并結(jié)合5G、人工智能等技術(shù)形成實時在線/離線虛擬空間裝備控制，將是數(shù)字孿生的重要一環(huán)。（5）知識圖譜

2019年，國際標準IEC61131-10頒布，標志著PLC經(jīng)過30年發(fā)展，已經(jīng)從對語言層面的關(guān)注上升到描述層面。IEC61131-10標準對PLC程序的交互進行了形式化描述，使得符合標準的平臺不但編程語言是一致的，連形成的程序也能跨平臺共享。在未來進一步開放統(tǒng)一的框架下，將描述層面上升到語義一致性規(guī)范會成為更為廣泛的需求。知識圖譜將在PLC應用語義一致性上大展身手。對5種語言以及在特定領(lǐng)域的特殊性、PLC框架、產(chǎn)生的數(shù)據(jù)、應用等的語義一致性描述，進而形成數(shù)據(jù)和代碼語義一致性交互、跨平臺代碼自動轉(zhuǎn)換、低代碼或者零代碼開發(fā)等技術(shù)，將是下一階段PLC關(guān)注的重要方向。（6）區(qū)塊鏈

區(qū)塊鏈作為信息安全的前沿技術(shù)，已經(jīng)在各個領(lǐng)域開展應用。然而，區(qū)塊鏈本身的大計算量、高存儲和能耗是和PLC資源受限相對立的，而分布式計算帶來的延時也無法滿足PLC對實時性的要求，然而隨著系統(tǒng)架構(gòu)進一步向統(tǒng)一開放發(fā)展，PLC的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)接入、數(shù)據(jù)處理、控制等各個環(huán)節(jié)都需要安全保障。為解決這個沖突，以IoTA為代表的基于有向無環(huán)圖的輕量化區(qū)塊鏈技術(shù)，可能是PLC中區(qū)塊鏈應用的關(guān)注重點。4

總結(jié)與