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杭电邬惠峰教授:PLC的技术现状和发展趋势

已有1750次阅读2022-05-10标签:

 可编程逻辑控制器(PLC)经过五十余年的发展,从最初的逻辑控制发展到了集运动、网络、安全、智能等功能为一体的复杂控制系统,广泛应用于高铁、航空航天、核电、机器人、高端装备等关系国家安全和经济命脉的重要领域。长期以来,我国PLC核心市场被西门子、罗克韦尔、三菱电机等国外品牌垄断。把握PLC未来发展的重要趋势来指导攻克其中的核心技术,将是破除PLC“卡脖子”的关键,也是我国从工业大国向工业强国转型不可或缺的基石。

 

1
  硬件高性能异构化  

 

PLC是第三次工业革命的典型代表之一。它由早期的继电器逻辑电路、微处理器再到微控制器发展而来。1969年,美国MODICON公司研制出了世界上第一台可编程逻辑控制器。早期的PLC为提高资源利用率都针对芯片定制运行时来执行PLC程序,并且运行时直接执行在硬件上。随着芯片技术的发展,PLC系统逐渐引入了FPGA、DSP等高性能芯片,并开始将运行时执行在RT-Linux、VxWorks、WindowsCE等操作系统上。近年来,PLC开始趋向于使用类似手机的片上系统(SoC),例如高通的Snapdragon,英伟达的Tegra以及英特尔的Altera。典型的AlteraSoC由英特尔联合3S、EXOR、Barco-Silex公司专门针对PLC设计开发,该芯片集成了双ARM核心和一个FPGA核心,原生嵌入了3S的支持IEC61131-3标准的运行时和EXOR的人机界面软件,也实现了EtherCAT、CANopen等工业总线协议栈。

 

目前,智能制造、工业4.0等技术革命对PLC中图像处理、人工智能等非实时算法有巨大需求,推动了PLC的发展。图像处理方面,典型的有欧姆龙近年推出的FZ5系列和FH系列图像处理系统,它们可通过总线方式和PLC相连并交互处理结果。人工智能方面,西门子在2018年12月首先推出了一款集成了人工智能(AI)芯片的全新模块(TM NPU)。2019年11月,罗克韦尔发布了支持机器学习的分析模块LogixAI。该模块可直接装入控制器机架内,并通过背板总线以数据流形式传输控制器采集的数据,以便构建预测模型。目前LogixAI主要应用在异常检测和软传感器领域。同年,欧姆龙推出了NX和NY两个系列人工智能控制器。控制器在控制功能的基础上搭载了特有的AI功能单元,该单元能够通过运行Sysmac软件功能库中的AI模组,对与应用目标相关的对象数据进行采集和记录,并基于预设的应用模型,支持设备行为的历史趋势分析、机器异常预测等。

 

这些通过总线扩展的图形图像和人工智能模块,解决了PLC受限资源无法执行复杂算法的困境,极大拓展了PLC的应用领域。然而,现场操作技术(OT)工程师对这些基于信息技术(IT)开发的模块接受困难,一时间难以在制造业广泛使用。因此,PLC还需要继续向高性能的超多核心以及更加广泛和深入融合FPGA、GPU、NPU等的硬件架构形式发展,从而支撑复杂逻辑、运动、图像处理、人工智能等相融合的应用,这是未来PLC发展的一个重要趋势。

 

2
  系统的统一开放架构  

 

五十年前,硬接线继电器逻辑被梯形图取代。这种语言对于在继电器逻辑中成长的技术人员和工程师来说,容易接受和使用,但它有一些限制,特别是在过程控制和数据处理方面。因此,1993年发布的第一版国际标准IEC61131-3中,就规定了三种图语言:梯形图(LD)、功能块图(FBD)、顺序功能图(SFC),以及两种文本语言:指令表(IL)和结构化文本(ST)。其中,梯形图由于其更接近继电器逻辑,一直占据着逻辑控制的主流;顺序功能图更适用于过程控制;结构化文本适合数据操作和算法实现;指令表更接近机器指令,常作为编译到二进制的过渡;而功能块图通过支持代码图形化封装和嵌入达到减少了代码量的目的,是统一化编程的重要形式。可见,从IEC61131标准开始,PLC就向着统一化方向发展,这给OT工程师提供了便利。

 

随着Profinet、EtherCat、PowerLink等总线技术的不断发展,在应用上PLC也从过去的逻辑控制,向着运动控制、人机界面(HMI)、远端I/O,甚至是图形图像处理和人工智能算法等融合的方向发展。结合5G以及时间敏感网络(TSN)、OPC/UA、MQTT等通信协议和技术的发展,为分布式控制、智能群体控制、云边协同控制打开了大门。通用电气的Predix、西门子的MindSphere、施耐德电气的EcoStructure、ABB的Ability、航天科工的航天云网、海尔的COSMOPlat、三一集团的树根互联等工业互联网平台的蓬勃发展,已经使得制造业装备网络化初具规模,从下到上PLC、MES、ERP、工业互联网平台正在被全面打通。

 

进一步,各领域包括工业互联网、大数据、智能运维、云计算、雾计算、边缘计算、超5G、信息物理系统、数字孪生、元宇宙等新概念和技术每天都在产生和变革。这种发展趋势下,PLC拥抱统一开放架构来高效地融入新技术将成为未来发展的必然趋势。从国际上看,有两大团体分别提出了统一开放架构的解决方案:

(1)美国开放流程自动化论坛(OPAF)倡导的开放自动化标准。它通过软硬件解耦建立可互操作、内生信息安全的分布式控制节点(DCN)并打通其上层的HMI、SCADA和MES,最终融合PLC、DCS、HMI和MES等形成开放统一架构。

(2)德国NAMUR倡导的开放自动化主流是NOA(NAMUR Open Automation)。NOA以原有的PLC、DCS、HMI等作为核心,在尽量保留这些系统的基础上,基于OPC/UA构建的数据通道建立一个可进行全局监控和优化(即M+O)的工业IT系统,来弥合IT和OT之间的鸿沟,拓宽和统一现有的控制系统。

 

PLC中统一开放架构的实践主要体现在平台软件。这方面德国3S公司的Codesys占据了世界大部分市场,他们一直在工业4.0云平台、工业物联网、信号处理等开放支持方面进行探索。国内也齐头并进,在前沿领域进行研究,杭州电子科技大学的CASS平台已经形成了边云协同开发、异构多任务同平台开发、知识驱动的感知-接入-融合开发等方面的理论和功能。

 

3
  新技术融合  

 

由于PLC硬件向高性能异构化发展,软件趋于统一开放架构,使得虚拟化技术、人工智能、5G、数字孪生、知识图谱和区块链等前沿技术在PLC中应用有了广阔空间。

 


(1)虚拟化技术  

 

虚拟化技术已经在云计算中广泛使用。针对资源受限的边缘节点,微软Azure IoT Edge、Balena的BalenaOS和亚马逊AWS IoT Greengrass等也提供了基于容器的解决方案。同时Docker的DockerSwarm、加州大学伯克利分校的Mesos和华为的KubeEdge都提供了容器的编排方法。这些虚拟化技术的运用使得对接入物联网的资源形成了柔性化的管理方案,是物联网发展的重要技术支撑。然而,出于实时性和可靠性的考虑,作为物联网重要一员的PLC和一般物联网中的节点还是有很大差别,因此研究PLC的虚拟化和编排是一个重要方向。

 


(2)人工智能  

 

近年来人工智能技术呈现爆发式发展,无论是PLC商业化产品还是理论研究都大量融入了人工智能的应用。无疑,PLC对人工智能的支持会是智能制造变革的关键。然而,现有的成熟方案仍然以通过总线方式来扩展特殊功能模块为主,失去了PLC化开发的便捷性和统一性。同时,由于人工智能大都采用IT技术,使得熟悉PLC的OT技术人员无法快速适应应用需求,这严重阻碍了PLC中智能应用的普及。因此,研究人工智能在PLC中的原生支持将是未来发展的重点。

 


(3)5G和6G  

 

5G的普及已经有一段时间,然而主要还停留在移动通信中,在制造业中的推广应用才刚起步。国际组织5G工业自动化联盟(5GACIA)正联合各家单位,致力于制定适合工业应用的标准以及产业化推广方案。5G低延时高可靠、大覆盖范围和海量接入的特性,以及未来6G提升到空天地海一体、人机物灵充分联合的能力,将是未来智能制造不可或缺的部分,而PLC在5G/6G支持下的大范围的动态感知、协同控制、智能应用等将是其中重要的落地之举。

 


(4)数字孪生  

 

数字孪生(或者说制造业的元宇宙),为未来复杂应用提供了广泛试错、生产优化、故障预知等能力。作为制造业装备控制的主流,如何提供PLC的数字孪生来映射实际生产的应用、运行时、环境等并结合5G、人工智能等技术形成实时在线/离线虚拟空间装备控制,将是数字孪生的重要一环。

 


(5)知识图谱  

 

2019年,国际标准IEC61131-10颁布,标志着PLC经过30年发展,已经从对语言层面的关注上升到描述层面。IEC61131-10标准对PLC程序的交互进行了形式化描述,使得符合标准的平台不但编程语言是一致的,连形成的程序也能跨平台共享。在未来进一步开放统一的框架下,将描述层面上升到语义一致性规范会成为更为广泛的需求。知识图谱将在PLC应用语义一致性上大展身手。对5种语言以及在特定领域的特殊性、PLC框架、产生的数据、应用等的语义一致性描述,进而形成数据和代码语义一致性交互、跨平台代码自动转换、低代码或者零代码开发等技术,将是下一阶段PLC关注的重要方向。

 


(6)区块链  

 

区块链作为信息安全的前沿技术,已经在各个领域开展应用。然而,区块链本身的大计算量、高存储和能耗是和PLC资源受限相对立的,而分布式计算带来的延时也无法满足PLC对实时性的要求,然而随着系统架构进一步向统一开放发展,PLC的工业互联网接入、数据处理、控制等各个环节都需要安全保障。为解决这个冲突,以IoTA为代表的基于有向无环图的轻量化区块链技术,可能是PLC中区块链应用的关注重点。

 

4
  总结与展望  

 

PLC广泛用于装备控制。硬件结构经过微处理器、微控制器发展,已经开始趋向于融合GPU、FPGA、NPU等的高性能异构化。PLC系统架构随着新技术的利好和冲击,开始向着开放统一方向发展,典型的是以美国为主导的OPAF组织和德国为主导的NAMUR组织建议的两大开放统一架构。随着这些PLC软硬件的发展,虚拟化技术、人工智能、5G、数字孪生、知识图谱和区块链等前沿技术和PLC的交叉研究将是未来PLC技术的制高点。

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