PLC控制系統在智能制造時代的應用及發展趨勢*

韓慶敏，林 浩，姜洪朝，范曉東

(中國電子信息產業集團有限公司第六研究所，北京 102209)

0 引言

制造業是國民經濟的主體，是立國之本、興國之器、強國之基。我國正處于新一輪科技革命和產業變革中，打造具有國際競爭力的制造業，提升綜合國力、保障國家安全、建設世界強國，是我國亟需完成中國制造由大變強的戰略任務。2015年，我國發布了實施制造強國戰略的第一個十年行動綱領《中國制造2025》，其中“智能制造”是《中國制造2025》的主攻方向，是落實制造強國戰略的重要舉措，是我國制造業緊跟世界發展趨勢、實現轉型升級的關鍵所在[1]。

工信部印發的《2015年智能制造試點示范專項行動實施方案》中對智能制造給出了明確的定義，指出“智能制造是基于新一代信息技術，貫穿設計、生產、管理、服務等制造活動各個環節，具有信息深度感知、智慧優化自決策、精準控制自執行等功能的先進制造過程、系統與模式的總稱。具有以智能工廠為載體，以關鍵制造環節智能化為核心，以端到端數據流為基礎、以網絡互連為支撐等特性，可有效縮短產品研制周期、降低運營成本、提高生產效率、提升產品質量、降低資源能源消耗”[2]。

智能制造系統是智能制造模式展現的載體，也是信息技術與控制技術集成應用的環境，其核心是大規模信息處理、識別、分析、決策等工業控制技術的研發和應用，因此工業控制系統是智能制造系統里自動化和信息化的基礎，其中可編程邏輯控制器(PLC)又是工業控制系統廣泛應用的核心部件。工控安全是智能制造的重要保障，是制造強國和網絡強國戰略的堅實基礎[3]。伊朗的震網(Stuxnet)事件給了全世界一個警示，病毒可以感染看似物理隔離的工控系統，而且可以對控制對象進行物理破壞[4-5]。隨著互聯網和信息技術的發展，尤其是“工業4.0”的推進，工控系統固有的封閉性也被逐漸打破，隨之的安全問題也日益暴露[6-7]。

當前國內智能制造行業安全形勢不斷惡化，其中控制系統安全問題已成為國際間政治較量的新戰場。2016年習總書記的“4·19”講話和2017年頒布實施的《網絡安全法》都明確要求加強關鍵信息基礎設施防護和安全檢查，工控安全已關乎國家總體安全。然而，面對我國關鍵信息基礎設施大量采用國外控制系統以及嚴重缺乏專業安全防護產品的困境，亟需加快自主可控深度安全主動防護關鍵技術產品的研制和工程化應用，提升抵御跨信息物理空間未知威脅的能力。

本文通過對智能制造時代工業控制系統的安全問題進行分析，闡述了PLC控制系統在智能制造時代的主要應用，最后著重分析了PLC的發展新趨勢。

1 PLC控制系統

可編程邏輯控制器(PLC)系統，主要由控制器、邏輯組態軟件及監控組態軟件組成，具備邏輯控制、順序控制、定時、計數等功能，適用于智能制造系統中的各種自動化控制場合，完成對各類機械電子裝置的控制任務，具有可編程、模塊化、易維護、高可靠等特點。典型的可編程控制系統的關鍵組成部分及功能如圖1所示。

圖1 PLC控制系統結構圖

1.1 控制器

可編程邏輯控制器是以控制技術和信息通信技術為基礎的數字式控制裝置，是可編程控制系統的核心。控制器主要由硬件模塊(電源模塊、CPU模塊、通信模塊、I/O模塊、功能模塊等)、運行控制軟件、現場總線等組成。

硬件模塊構成了控制器基本的硬件平臺，通過各類模塊自由搭配，可適應不同控制需求；運行控制軟件運行在控制器CPU模塊上，是用戶控制邏輯與控制器之間的橋梁，通過與上位機通信并對配置信息和用戶控制邏輯進行解析與運行，實現現場總線的主站與從站之間的信息的管理和控制；現場總線是依據通信協議將現場控制器和現場智能儀表設備互聯的通信網絡。

1.2 邏輯組態軟件

邏輯組態軟件是運行在上位機的集成開發環境，實現可編程控制系統的配置、控制邏輯編譯，編譯形成可執行文件下裝到控制器或仿真器，實現調試、監控、在線診斷、在線修改/強制變量和離線仿真等功能。

1.3 監控組態軟件

監控組態軟件是數據采集與過程控制的專用開發環境，為操作人員提供了一種采用“搭積木”的靈活組態方式，從而快速構建控制系統監控功能

以一種典型控制需求為例，其控制流程的實現過程如圖2所示。

圖2 典型控制流程的實現過程框圖

相比于通用計算機系統，PLC程序開發環境在底層開發軟件基礎上進行了封裝設計，能適應更廣泛的工程設計人員，程序開發僅需要較低的軟件編程能力，設計開發效率更高。PLC具有模塊化擴展能力，可面向不同需求通過快速組合構建系統，同時PLC也具有較強的環境適應能力和抗干擾能力。

2 PLC在智能制造系統中的應用

PLC系統具有可靠性高、易于工程師現場編程等特點，是國防軍工、離散制造、流程制造等控制系統的核心裝備。隨著智能制造落地，智能制造項目越來越多，PLC在智能制造系統中的應用也越來越廣。

2.1 汽車行業

汽車制造產業規模大，自動化水平要求高，涉及的自動化技術和產品包括控制產品、現場總線、運動控制、機器視覺、離散傳感器、安全產品等等，汽車制造業是智能制造的主力市場之一。汽車生產線分為沖壓、焊裝、總裝和涂裝四大工序，每個工序都會大量使用PLC控制。

沖壓車間除機械手以外，其他控制都用PLC。焊裝車間一條生產線用5-8套PLC，主要用于傳輸控制，如標志206壓裝線，采用分布式控制，每一套PLC控制一個小系統，如物流生產線的工位。總裝車間PLC主要用于輸送線控制，輸送線分為高架線、內飾線和終裝線三種。高架線上PLC用于后軸和前軸的發動機控制，終裝線用于進行測試控制和各個工位的移動控制，一般一段工藝(如終裝線)用一套PLC。

汽車行業的PLC用戶不僅包括各種類型的整車廠家，還包括各種總成、部件以及零件廠家，不同廠家使用的PLC差別較大，覆蓋各種規模的PLC產品。在零部件廠家，大、中、小型PLC分別用于輸送機控制、設備控制及公用工程。汽車行業主要對各生產線的工位進行控制，對PLC的應用數量多，但控制點數一般不高，以中型PLC為主。

2.2 電力行業

火電中隨著DCS在主輔控制中應用越來越普遍，大型PLC目前在新建的火電項目中應用比重相對不大，項目改造與存量市場應有部分應用。

水電行業對PLC的應用以中大型產品為主，小型產品主要用于設備控制。

PLC在水電行業中主要用于現場設備的控制，包括整個現場控制級完成全站設備的繼電保護和水機保護，電氣量(模擬量、開關量、脈沖量等)及非電氣量(水位、壓力、溫度、轉速等)的采集及處理，斷路器和部分隔離開關的分合閘控制，水輪發電機組自動程序控制，全站公用設備的運行監視、控制等。

2.3 包裝行業

在藥品包裝行業，PLC已成為藥品包裝機械上的標準控制器。但仍然存在大量的設備沒有使用PLC，除部分機型使用嵌入式控制器外，繼電器還是大部分包裝機械的主流控制方式。

包裝機械行業控制要求相對簡單，幾乎不使用模擬量，主要用于設備啟停、安全控制，部分會用到一些特殊功能的模塊，如稱重模塊。

3 PLC的發展趨勢

隨著新一代信息技術與制造業深度融合，我國智能制造發展取得明顯成效[8]。作為工業3.0起點標志的PLC在智能制造時代(工業4.0時代)呈現出新的發展趨勢。

3.1 自主可控

習近平主席在網絡安全和信息化工作座談會中明確提出，“核心技術是國之重器，最核心、最關鍵的技術要立足自主創新、自立自強，市場換不來核心技術，有錢也買不來核心技術，必須靠自己研發，自己發展。我們強調自主創新，不是關起門來搞研發，一定要堅持開放創新，只有跟高手過招才知道差距，不能夜郎自大”。實現核心信息技術和產品自主可控、構建安全可控的信息技術體系，是維護國家總體安全的重大舉措。對信息技術而言，最重要、最基礎的安全核心技術仍然是以微處理器(CPU)為代表的芯片技術和以操作系統(OS)為代表的基礎軟件技術。采用國產自主可控微處理器和嵌入式操作系統的國產PLC系統是未來PLC的發展趨勢。

一方面國外對應用于特殊領域的可編程控制系統實行嚴格技術管控，在特殊時期面臨禁運和斷貨的風險；另一方面，可編程控制系統在核心設備中的應用周期普遍較長，短則五到八年，長則可達三十年，在較長服役期內，PLC系統技術服務、例行維護和維修等嚴重依賴國外支持，因此相應服務會因產品更新換代和技術升級面臨較大風險。

面臨關鍵共性技術和核心裝備受制于人的突出問題，同時為了避免芯片、程序等后門、邏輯炸彈等隱患，PLC的自主可控需求首先是打破國外廠家PLC的使用，其次是保證國內自主研發的PLC的芯片、嵌入式軟件、編程組態軟件、應用使用環境的自主可控，即形成PLC控制系統完全自主可控的生態鏈，涵蓋了芯片、固件、數據庫、中間件、操作系統、應用軟件、外設(打印機)等，滿足我國重點領域核心裝備和基礎設施中各類控制系統的應用需求，提升我國關鍵信息基礎設施控制系統的自主可控水平和安全保障能力。

3.2 安全可信

由于工業控制系統的使用環境較為封閉，因此使用中往往更注重功能的實現，而對安全的關注相對缺乏?？尚庞嬎阕鳛橐粋€信息系統新技術，這些年在國內有了很大的發展和應用[9]。PLC控制系統和可信計算相結合的可行性，將是未來PLC發展趨勢。

針對PLC控制系統設備和網絡環境通信安全的問題，研究基于可信計算的安全可信密鑰的生成、分配、更新和銷毀方法，可以實現對PLC網絡終端通信及數據的完整性、保密性和真實性的要求。針對PLC控制系統網絡化的邊界安全問題，研究基于控制系統環境的可信狀態、連接者身份確認并結合工控系統中通信方式，進行可信判定處理，根據可信連接方法、可信狀態評估模型，可以解決工控系統中網絡安全訪問問題。安全可信PLC可提供更強的診斷與故障處理能力，具有更強的安全性，更豐富的功能。采用安全可信系統架構可以確保體系結構可信、資源配置可信、操作行為可信、數據存儲可信和策略管理可信，從而達到積極主動防御的目的。

安全可信PLC的發展有助于保障我國關鍵信息基礎設施的工控與生產安全，提升我國網絡空間安全國際競爭力。

3.3 智能化發展

隨著智能制造試點項目的全面推廣，相應帶來自動化程度的提高、設備工序的增多，促使PLC應用更廣泛，多數行業對設備的智能化需求增加。

面向智能工廠執行復雜任務且具有網絡協同、自學習能力的新型智能控制的需求，研究支持智能工廠“認知-決策-控制”多功能一體化的智能控制模式和網絡協同技術PLC，可以實現PLC控制器無邊界網絡化的同臺仿真、全分布式控制以及多種控制器的協作運行和無縫集成。智能化的PLC控制系統和基于深度學習的邏輯編程工具可以滿足工業級實時性、可靠性、安全性的要求。

3.4 網絡化

傳統PLC多是采用現場總線技術，智能制造的網絡化要求PLC具備較強的網絡通信能力，未來PLC將采用實時工業以太網技術實現高速穩定的網絡通信。通過統一軟件平臺，實現無論遠程、分布式或標準的設備都可以通過軟件集成到網絡中，信息可以在控制器、現場設備、人機界面及組態軟件系統、工程工作站、資產管理系統以及其他智能設備間實時共享，保證系統的實時性和時間一致性，即網絡通信功能的增強將成為未來PLC技術革新的主要發展方向。

OPC基金會的統一架構(OPC UA)是一個工業互操作框架，具備集成安全性、訪問權限，以及所有通信層的信息建模，提供即插即用的工廠內機器對機器(M2M)通信，從傳感器到企業信息系統和云端。所以，PLC控制系統與設備和機器不同協議間的互操作性需求，完成多控制系統間以及控制級與設備、管理層的通信需求，基于OPC UA標準的PLC控制系統是PLC網絡化發展的主要技術趨勢。

3.5 運動控制能力

隨著工業4.0和智能制造的發展，越來越多的行業需要用到運動控制功能，因此為了滿足各行業小批量、定制化和柔性化的加工需求，客戶需要產線控制系統可以靈活的調整電機控制的軸數等，要求PLC控制系統可以提供更開放的，遵循IEC61131-3標準可以重復編程的運動控制功能。集成運動控制的PLC應用更為廣泛，在各個機械制造領域，以及造紙、啤酒生產線、煙草等領域都有更為廣泛的應用。

4 結論

隨著智能制造系統的廣泛應用和新一代信息技術的發展，PLC作為傳統的自動化的關鍵設備也必將得到更加廣泛的應用，新技術的不斷出現將使PLC向更為自主可控、安全可信、智能化、網絡化的方向發展。

[1] 中國制造2025[M].北京：人民出版社,2015.

[2] 2015年智能制造試點示范專項行動實施方案[Z]. 2015.

[3] 國家智能制造綜合標準化體系建設指南[Z]. 2015.

[4] 趙炤，朱啟超.從震網病毒分析“網絡物理站”作用機理[J].國防科技，2014(2)：11-13.

[5] 蒲石，陳周國，祝世雄.震網病毒分析與防范[J].技術研究，2012(2)：40-43.

[6] 褚健.工業控制系統安全的盛世危言[J].中國信息安全，2012(3)：32-36.

[7] 豐大軍，張曉莉，杜文玉，等.安全可信工業控制系統構建方案[J].電子技術應用，2017，43(10)：74-77.

[8] 智能制造發展規劃(2016-2020年)[Z].2016.

[9] 沈昌祥，陳興蜀. 基于可信計算構建縱深防御的信息安全保障體系[J].四川大學學報：工程科學，2014(1)：1-7.