探讨:PLC,未来之变

厂商:控制网
作者:文晓
  点击数:14294  发布时间:2019-06-29 13:09
自1969年在美国诞生以来,伴随着用户需求的变化,PLC技术一直在不断演进中。经历了50多年的持续发展之后,PLC的内涵与50多年前对比,已经发生了天翻地覆的变化,在PLC诞生的初期,它主要是用于替代传统的继电器硬接线逻辑电路,而随着相关技术的发展,PLC在性能、功能、易用性和产品形态等方面已历经几代变革,已经发展成为具有运动控制功能、过程控制功能的通用控制器。
关键词:万物物联 ,工业自动化 ,PLC

自1969年在美国诞生以来,伴随着用户需求的变化,PLC技术一直在不断演进中。经历了50多年的持续发展之后,PLC的内涵与50多年前对比,已经发生了天翻地覆的变化,在PLC诞生的初期,它主要是用于替代传统的继电器硬接线逻辑电路,而随着相关技术的发展,PLC在性能、功能、易用性和产品形态等方面已历经几代变革,已经发展成为具有运动控制功能、过程控制功能的通用控制器。技术演进的背后是需求的驱动,当前,智能制造浪潮正席卷全球制造业,而作为工业自动化领域主流控制核心、信息采集和控制的主要技术手段,PLC势必将在智能制造的发展中起到关键作用,而即将到来的智能时代又将对PLC技术的发展带来怎样的影响?借此专题策划之机,本刊记者特别采访了从事PLC技术研究、行业应用的多位专家,倾听他们的分析和见解。

彭瑜:PLC将走向开放式自动化


上海工业自动化仪表研究院有限公司教授级高级工程师、PLCopen中国组织名誉主席彭瑜教授

PLC之所以长盛不衰,在于这一技术门类一直能够随着工业市场的要求而变化,最近几年更随着工业数字化转型的进程而与时俱进。这是从事PLC的硬件、软件和系统的开发、设计、制造和应用的各类人员持续努力的结果。

当前工业制造商面对市场竞争的巨大压力,力求降低对控制系统的投资和降低自动化资产生命周期的成本,改善其运营操作的盈利能力。许多在役的控制系统其构成的硬件和软件由于专用、封闭,维护和升级的成本昂贵,一旦需要与一流的第三方部件集成,耗资不菲。尤其在目前IT技术快速深入地滲透和融合到企业运营管理方方面面的形势下,这些控制系统通常不具备本征的信息安全特质,造成了巨大的风险和隐患。另外,从长远发展来看,现有的控制器不能有效而恰当地保护设备资产和其它资本(如软件)投资。

自1970年DCS和PLC相继进入自动化领域,并站稳脚跟成为两大支柱之后,处于ISA95模型L1和L2层的自动化硬件和软件结构一直没有变动,迄今为止自动化市场也一直围绕着硬件和软件捆绑的模式在演进,每一个自动化供应商都开发自己的软件环境,并将这种软件环境交付给最终用户。一般来讲,用户并不能真正深入这一软件环境,只能通过供应商提供的组态工具与控制器交互。

受限于这样的状态,可以毫不隐晦地说,现今DCS最大的问题在于其封闭和专用的特性,PLC也是如此。在IT技术飞跃发展的年代,这极大地阻碍了DCS/PLC的升级迁移,以及OT与IT深入高效的融合。此外,目前的DCS/PLC一般不能提供内在的保护运营、资产设备和其它投资所需要的信息安全特性。

PLC虽然问题不像DCS那么突出,这是因为PLC在大多数场景中应用于离散制造业,有相当部分是在控制独立的小型设备。与PLC系统相比,服务于流程工业的过程控制的DCS,需要依靠联网将分散的控制站依据工艺的要求连接成一个密切相关的整体,以寻求整体的优化和预测性维护。

鉴于上述存在的问题,美国正在推动“开放式自动化”。埃克森美孚倡导一个全新的、基于标准的过程控制架构,得到ARC咨询集团大力支持,并由非盈利的第三方机构——美国开放集团(The Open Group)组织一个新的面向流程工业控制技术的标准化活动。在选择现有的、卓有成效的适用工业标准的基础上,综合开发新的系列标准。他们聚焦于如何运用最新的分布式云计算技术和虚拟化技术,重新定义已经日趋陈旧、20多年没有变动的架构,重新定义DCS和PLC,以及与优化运营密切相关的先进控制和MES(见图1)。值得高兴的是,循着这一方向的进展相当迅速,继2018年完成了概念验证的原型系统之后,在2019年2月该组织正式推出了新标准的第一版O-PAS Version1.0,给出了一个与供应商无关的参考架构;而且还计划2020年在埃克森美孚和其它至少两个现场进行试验。

图1 开放流程自动化论坛(OPAF)的范围

此外,在美国还启动了一个定义下一代自动化系统的项目,其名称是《开放网络系统上的联合自动化逻辑控制》(Federated Automation LogicControl on Open Network Systems,FALCONS)。这一系统将实现从任意资源、任意设备和任意地点获得任意信息(包括历史信息),以优化情景意识和环境意识。系统的结构建立在分布式控制节点(DCN)和单通道I/O模块的基础上,支持实时的应用处理和与其它网络协议的实时接口;系统由许多个有I/O的DCN和无I/O的DCN,以及一个与云端连接、执行集中应用的DCN构成,DCN的数量可达数千个。这或许就是下一代PLC的一种愿景。

这一发展进程还需时日并接受市场的检验,也许至少还要5年。但作为一种趋向是必然的。与此同时,传统架构的PLC还会继续存在,何时退出历史舞台现在还难以预测。

徐昌荣:与应用需求深度融合

北京蓝普锋科技有限公司总经理徐昌荣

自1969年第一台可编程控制器PLC诞生,PLC的功能不断完善、应用领域不断拓宽,PLC表现出强劲的生命力和良好的发展前景。20年前,现场总线控制系统FCS概念提出后,曾有人预言,PLC会在不久的将来被FCS代替。然而时至今日,PLC不仅未被FCS代替,而且在工业、市政、交通等领域得到了越来越广泛的应用。无论是美国的工业互联网、德国的工业4.0,还是我国的中国制造2025,PLC在其中都扮演重要角色。在新一轮产业变革中,传统自动化技术与新兴信息技术深度融合,PLC将发挥更大作用。PLC的主要发展趋势如下:

(1)PLC性能不断提升,功能不断增强。PLC的运算速度更快,I/O扩展数量更多,数据处理能力更强。在现有逻辑运算、过程调节、运动控制的基础上,PLC将增加人工智能等先进控制技术。北京蓝普锋科技有限公司先后开发了RPC2000系列小型PLC和RPC3000系列中大型PLC。RPC2000指令处理时间仅为0.06μs,单CPU可扩展25个模块。RPC3000配置工业级1GHz处理器,单指令处理时间仅为6ns,I/O容量可达5万点。

(2)PLC的通信功能不断增强,为泛在互联提供有效支撑。蓝普锋公司开发的产品中,即使是小型PLC产品,RPC2000也具有丰富的通信功能。RPC2000不仅具有Ethernet、Profibus、RS485等有线通信功能,也具有3G/4G、Wifi、NB-IoT等无线通功能,可与各类设备互联互通。

(3)PLC的标准开放接口更丰富,功能更强大。在构建工业互联网的过程中,作为现场信号处理的核心单元,PLC不仅要同现场各类智能设备进行信息交互,还要与上层监控平台进行信息交互。标准化的开放接口,可让相关软件、硬件的工作解耦,构成一个个相互独立且协同工作的智慧单元。有了开放接口,智慧工厂、智慧城市、智慧交通、智慧农业等系统就能快速搭建,并高效协作。

(4)PLC的信息安全功能更加强化。在传统工业自动化系统中,控制网络和信息网络是隔离的,信息安全的功能比较容易实现。在新一代控制系统中,由于通信方式的增加、通信功能的增强,PLC遭受网络攻击、数据窃取的风险显著增加,因此必须增强信息安全防护。目前,蓝普锋公司正在承担工信部工业强基工程项目:基于信息安全的PLC及硬件平台研制,我们在PLC中深度融合了信息安全功能。

(5)PLC与行业应用深度融合。不同行业具有不同的应用特点,通过与应用需求深度融合,PLC将能更好地解决行业应用的难点和痛点,为用户创造独特价值。蓝普锋公司在为轨道交通客户提供车载控制器时,就很好地解决了产品可靠性提升、知识产权保护等问题,得到了客户高度肯定。

(6)PLC应用领域不断拓宽。在人工成本不断攀升和设备互联需求不断增加的双重作用下,越来越多的设备开始采用性价比好的PLC产品。PLC具有稳定可靠、应用程序编制灵活等优点,随着用户个性化需求的不断增加,以及对产品稳定性要求的不断提高,PLC逐步向传统单片机市场渗透,取代了部分单片机市场需求。

李方园:物联PLC助力智慧城市

浙江工商职业技术学院副教授李方园

智慧城市是以互联网、物联网、通信网、移动网等网络组合为基础,以智慧技术高度集成、智慧产业高端发展、智慧服务高效便民为主要特征的城市发展新模式。智慧化是继工业化、电气化、信息化之后,世界科技革命又一次新的突破。在城市设施中,公用设施设备是重要组成部分,也就是说,那些城市管道、落水管、水箱、加压水泵、电梯、天线、供电线路、照明、锅炉、暖气线路、煤气线路、消防设施、绿地、道路、路灯、沟渠、池、井、非经营性车库、公益性文体设施和公用设施设备使用的房屋等都将接入到整个城市的“智慧”中来。

众所周知,涉及到电机及电气控制的产品基本都会采用PLC作为控制器,那么这些公用设施要接入到智慧城市的网络中来,也就是要这些PLC接入到网络中来。虽然,传统的PLC都支持RS485、以太网等常规的通讯,但基本都是基于有线的方式进行,在城市联网中如果采用有线联网,过于复杂,且成本高昂。因此,采用具有统一协议标准的物联PLC已提到议事日程。“物理分散、逻辑集中”是目前城市公共数据库的主流方式,公用设备控制作为下端物理分散的一部分,通过Zigbee、Lora、WiFi等无线方式快速接入到城市物联网中,传送和接收城市公共数据库的基本数据量。在智慧城市中,有了物联PLC之后,可以对大部分涉及到的市政设施、环卫、绿化景观、房地物业、水、电、暖、燃气、环保、防汛、气象等公共设备的运行进行全数字化监控,并最终可以自动编制情况日报,最后按照标准、预警、应急等分级通报,确保城市整体运行有序。

在这个不断增长的物理设备网络中,万物物联变得更加真实,设备智能化允许更少的人力输入和更多的机器输出。因此,对于公用设备的底层PLC来说,它已经不仅仅是接收一些逻辑信号或输出一些逻辑信号,而是需要对物联信息进行数据分析,并在终端做到智能化,这就需要PLC在接口数据分析上全面支持C语言或Python语言接口。对于逻辑控制,PLC用梯形图是强大的,但是对于物联通道,PLC该用什么样的编程语言呢?这就首先需要了解:物联信息是如何工作的?涉及什么样的编码?C语言虽然复杂,但由于它的底层性,几乎无所不能,所以C语言已被用于物联网编程,如Arduino。那么对于PLC来说,已经有主流PLC开始提供C语言功能块来进行数据分析运算。对于Python来说,它已成为在IoT企业中被使用的最简单的编程语言。如今,MicroPython已经在微控制器中得到了快速普及,作为Python3语言的精简实现,经过优化可在微控制器和受限环境中运行。

孙志鹏:食品饮料行业对PLC技术及产品应用的现状及需求

内蒙古伊利实业集团股份有限公司工程管理部自控工程师孙志鹏

乳制品行业属于轻工行业,从工艺上讲,既包含了流程工艺,也包含了离散工艺;从厂房布局上讲,既有洁净区,也有准洁净区和非洁净区,当然也有传统的公用工程和物流等;从工厂规划上讲,需要考虑人流、物流、各功能间、参观等因素。基于以上特点,乳制品工厂的自动化在规划设计时就需要考虑自动化系统在满足生产设备控制精度的前提下,还需要考虑控制柜的布局对应设备的布局、满足洁净等级和布线简洁等要求。因此目前在乳制品行业大多选择PLC作为核心控制系统,通过远程I/O的方式,连接现场各类传感器、阀岛、调节阀。这样的配置方案延用至今已有几十年的历史了。发展到今天,乳制品行业的自动化程度已经非常高,各类先进的自动化技术都在各个工厂内得到了广泛的应用,如各类现场总线、运动控制器、机械手、AGV、自动化立体库等等。

在各国经济发展的驱动下,近些年工业4.0、工业互联网、大数据、云计算等技术出现,我国也提出了“中国制造2025”的目标。这一切将自动化与信息化的融合提到了一个新的高度,MES、WMS、LIMS、ERP、EMS等信息化系统几乎成为智能制造的代名词,只要谈到智能制造,必然会谈到这些技术。而这些技术更多的是解决生产管理、设备管理、能源管理等管理流程类问题,用于优化排产、提高效率等。那么是否说PLC等传统控制系统成为辅助,被定义为边缘控制了呢?其实不然,作为核心控制单元,PLC依然无法取代,但是随着生产管理的需求提高,信息化系统的不断上线,对PLC有了新的要求。我们在选用PLC时,首先考虑到PLC的扫描周期、接入I/O、内存容量、通讯处理能力,能否满足至少20000点的需求,另外对PLC可接入的总线类型是否满足现场仪表、阀岛的通讯要求,例如目前我们采用AS-I总线的阀岛、I/O Link总线的仪表,使用相应的网关控制器接入到PLC的CPU,传统I/O则使用Profinet总线或EthernetIP接入到CPU,工厂单元间的能源计量仪表则使用Modbus TCP协议接入到工厂的设备专网后,将数据通讯给PLC,变频器则采用Profinet协议接入PLC,全部实现工业以太网的通讯。

为了满足与信息化系统间数据的读写要求,我们必须考虑PLC的CPU在高负荷运算情况下,正常处理对外数据的通讯,专门设置两台可自动均衡负荷的冗余I/O服务器,并配置独立的Historian服务器,使用OPC的通讯方式结合SQL数据库查询及Webservice的方式与第三方信息化系统进行数据交互。其实从专业角度来讲,我们更希望各单元的PLC专注于底层的设备控制,拥有更高的扫描周期,支持更多的通讯协议。因此我们尝试通过在仪表端将数据一分为二,即仪表的过程数据在总线上分别通过两个接口传输,一路传送到PLC,完成过程控制,一路传送至信息化系统进行数据的采集和分析。随着PLC的技术发展,软硬件的性能在不断提高,相信未来能够满足乳制品行业控制要求的产品会更加丰富,更多的工业以太网通讯协议、接口会直接集成在PLC的通讯模块或CPU中。

摘自《自动化博览》2019年6月刊

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