新技術對PLC技術創新及產業發展的影響研究

□ 文 楊志偉 尹 靜 麥彬承

1、引言

隨著新一代信息通信技術的發展，以5G、工業互聯網標識解析、大數據、人工智能等為代表的新技術逐步從下游的物流、銷售及服務環節走向中上游的工業現場控制、協同設計與制造環節。與此同時，可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，簡稱PLC）作為一種被各行業廣泛應用的工業控制系統，在可實現對各種類型機械或生產過程的高效控制的基礎上，其兼容性差、部署靈活性差、技術不可控等問題也逐漸顯現。

在我國工業控制技術受限的背景下，跨領域的集成創新是揚長避短、彎道超車振興我國工業控制產業、強化工業自主安全可控能力的必然之路。新技術與傳統工業控制技術（如PLC）的融合創新勢必將成為工業控制領域下一個技術創新和產業發展的爆發點，成為推動我國工業和信息化深度融合發展的一個重要領域。

2、PLC發展機遇與挑戰并存

PLC以其可靠性高、穩定性好、編程靈活、開發周期短等優點，以及在運行的過程當中能夠有效抵抗各項信息和工業現場信號干擾的優勢，廣泛應用于工業控制的各個領域。但是其技術結構過于封閉、兼容性差、無法完全自主可控等問題，導致其無法滿足現有工業領域對工業控制技術的要求，也極大地限制了我國從制造大國向制造強國的轉變和參與國際競爭的優勢。

2.1、PLC技術亟待優化與改進

PLC是專門為工業生產環境而設計的控制裝置，導致其結構封閉和兼容性差。首先，PLC軟硬件體系結構封閉，專用總線、專家通信、網絡及協議、以及I/O模板各個品牌之間均不通用，甚至連機柜和電源模板也存在不通用的現象。其次，目前世界上PLC的生產廠商已有200多家，涉及各種型號產品幾千種，各PLC廠家的硬件體系互不兼容，編程語言及指令系統也各異，當用戶選擇了一種PLC產品后，必須選擇與其相應的控制規程，并且學習特定的編程語言。最后，由于核心技術掌握在國外廠商手中，我國只能自主開展小型PLC技術的優化與更新。現有PLC技術難以滿足我國工控技術網絡能力強化、處理功能高速化、軟件集成化、控制器微型化等的發展趨勢，也不能滿足我國關鍵技術自主可控的要求。

2.2、現代工業向工控技術提出了更高的需求

隨著全球經濟競爭的不斷激烈，未來的先進制造技術在柔性化、自動化、敏捷化、虛擬化等基礎上，逐漸向網絡化、集成化、綠色化、極端化（在高溫、高壓、高濕、強腐蝕等條件下工作，或有高硬度、大彈性要求的，或在幾何形體上極大、極小、極厚、極薄的制造技術或產品）、智能化方向發展，向工業控制技術提出了更高的要求。

多任務執行的需要。是指在一個工業控制器系統中，可同時安裝幾個CPU模板，每個CPU模板執行各自的任務，控制與其執行任務相關的I/O模板，是未來的發展趨勢，但目前PLC無法完全滿足此項需求。

網絡能力強化的需要。隨著4G的普及、5G的商用，網絡能力不斷加強，使可編程序控制器已經突破了原有的使用范圍，特別是引入現場總線、工業以太網、無線網絡及Internet等技術后，可編程序控制器的應用已今非昔比。但傳統的可編程序控制器的網絡拓撲結構為設備控制層、過程控制層和信息管理層3個層次，目前，仍有較多的現場設備無法與信息管理層直接相連，難以通過信息管理層實現現場設備跨地區的編程、監控、診斷、管理和控制與信息管理的分割仍然明顯。

處理高速化的要求。隨著網絡能力的強化，PLC實現的控制功能和控制范圍都在擴大，這就要求PLC實現高速運行和實時通信功能。高速化包括運算速度的高速化、與外部設備交換數據的高速化、編程設備服務處理的高速化、外部設備響應的高速化。目前，許多傳統的PLC沒有通信功能，無法借助數據總線消除系統的瓶頸，無法提供高性能的分布式實時控制系統的解決方案。

軟件集成化的要求。為解決傳統PLC的制約問題，隨著PC-Based控制技術的發展以及相關標準的實施，軟PLC技術應運而生并得到廣泛應用。即在PC機的平臺上，用軟件來實現PLC的功能，同時又具有PC環境的各種優點。但是，作為一項新的技術，一方面實時性和可靠性還無法完全滿足要求，與此同時，現在的成套軟件仍無法將可編程序控制器的編程、操作員界面、運動控制、程序調試、故障診斷和處理、通信等集成為一體，仍無法有效地集成到ERP系統。

控制器微型化的要求。隨著PLC應用領域的不斷擴大，為適應市場的需要，PLC會進一步向超小型和超大型兩個方向發展。傳統的微型可編程序控制器一般為8～64點數字量I/O，1～4點模擬量I/O，體積很小，可直接安裝在機器內。但目前，微型可編程序控制器網絡功能和人機接口功能上與中大型的可編程序控制器相比差距巨大，無法滿足市場要求。

安全可靠及低成本的要求。隨著PLC應用領域的擴大，對PLC的可靠性要求也越來越高，急需加強PLC的安全和可靠性。目前，具有冗余、相異、自檢測的PLC已經出現，但是價格普遍昂貴，比普通的PLC高約50%，無法滿足眾多中小企業的需求。

2.3、我國產業升級和工業轉型正向縱深發展

首先，產業數字化市場空間巨大。我國數字經濟持續快速發展，據中國信通院發布的《中國數字經濟發展與就業白皮書（2019年）》顯示，2018年我國數字經濟規模達到了31.3萬億元，占GDP比重為34.8%，并以平均每年約20%的速率增長。其中，產業數字化規模超過24.9萬億元，成為數字經濟增長的核心驅動力。工業控制系統的網絡化、數字化和智能化是未來產業升級和工業轉型的必經之路，完全自主可控的工業控制是深化供給側結構性改革，推動工業領域新舊動能接續轉換，實現高質量發展的重要前提。

其次，自主安全可控是發展的重要前提。隨著工業互聯網和物聯網的大力發展，工業領域的自主安全可控上升至國家戰略層面，受到前所未有的重視。現在95%的國內市場由外國的PLC產品所占領，中、大型PLC中，幾乎全部由國外幾大公司壟斷，隨著我國使用PLC領域的不斷擴大，市場越來越大，而我國在工業控制系統的核心技術比如芯片制造、信號接口、大型工控軟件等方面又不具備自主知識產權，這對我們國家工業互聯網的安全提出了新的挑戰。

最后，工業控制系統亟需公平有序的市場秩序。我國巨大的工業控制系統市場長期被國外廠商所主導，國外供應商通過控制核心技術和低價無序市場競爭機制，讓我國沒有自主知識產權的工業控制產品在市場競爭中處于被動狀態，位于產業鏈利潤低、競爭激烈的分銷和集成環節，極大限制了我國工業控制產品的技術水平及市場占有率的提升，降低了我國工業控制產品在國際上的競爭力。

3、新技術發展為PLC優化提供可能

黨的十九大報告明確提出“不僅要有一個完善的現代產業體系，而且要使這個現代產業體系具有自主可控能力，具有國際競爭力”。目前，PLC的核心技術、市場均被國外廠商壟斷，容易受制于人。5G、標識解析、人工智能等技術的發展，為新型工業控制設備“自主可控”“彎道超車”提供了強大的技術支持。

3.1、5G技術提供萬物互聯的可能

5G將采用大規模天線陣列、超密集組網、新型多址和全頻譜接入四大核心關鍵技術，滿足連續廣域覆蓋、熱點高容量、低功耗大連接、低時延高可靠等多樣化的應用場景需求，整個網絡也將會更加靈活、智能、高效和開放。5G的特點可以使工業互聯網平臺更廣泛地連接各種異構設備以及工控系統。而原本100～200ms的延遲降低到1～4ms，使得整個制造運營過程實現實時監控、實時報警、預警、遠程實時控制。同時，5G的高可靠性以及網絡切片等技術為確保工業控制安全提供了重要的技術支撐。

3.2、標識解析技術提供精準控制的可能

未來控制設備網絡化、智能化的前提就是需要有唯一可識別的身份符號，便于在控制平臺端、企業生產系統乃至全球供應鏈系統中可實現精準定位、信息查詢和運維。借助標識編碼資源和標識解析系統可以助力工業控制設備標識數據管理和跨企業、跨行業、跨地區、跨國家的數據共享共用。

3.3、人工智能技術提供智能控制的可能

隨著深度學習在語音識別、圖像識別等領域取得突破，本輪人工智能一些基礎應用技術逐漸成熟，其在工業領域的應用也日趨廣泛。可從以下三個方向與工業控制系統結合，實現工業控制的智能化：一是應用數據的可視化分析。通過收集設備運行的各項數據（如溫度、轉速、能耗情況、生產力狀況等），及基于人工智能的二次分析，對生產線進行節能優化，提前檢測出設備運行是否異常，同時提供降低能耗的措施。二是機器的自我診斷。根據對歷史維護的記錄或者維護標準的深度學習，增加機器自我診斷，自我排除問題、自我解決和自我修復的能力。三是預測性維護。通過人工智能技術讓機器基于數據的預測及分析提前感知或者分析可能出現的問題。

圖1 新技術賦能工業控制系統技術路線圖

未來，無論是離散型企業PLC+SCADA，還是流程型企業的DCP（集散控制系統）最終將會走到CPS，通過集成先進的信息通信和自動控制等技術，構建了物理空間與信息空間中人、機、物、環境、信息等要素相互映射、適時交互、高效協同的復雜系統，實現系統內資源配置和運行的按需響應、快速迭代、動態優化。

本文創新性提出一種集5G、標識解析和人工智能技術為一體的最小單元控制單元（智能控制單元，簡稱IMCU），每個單元只控制一個點或者多點，逐步取代PLC，實現工業現場中真正意義上的萬物相連，并打破傳統的工業現場控制的五層結構，使數據在現場、車間、工廠和上下游有序的無障礙的流動，實現真正意義的智能柔性制造，具體技術路線圖如圖1所示。

4、新技術將推動工業控制產業化和工業數字化發展

從歷次科技革命和產業革命的規律來看，都是以技術的集成創新為先導，引發相關領域群發性、系統性的突破，進而在強大的市場空間和社會需求下，帶來傳統產業不斷升級和新興產業快速發展，促使社會生產力實現新的飛躍。新技術對PLC及相關產業的影響也遵循了科技革命和產業革命的規律。

4.1、引發相關領域群發性、系統性突破

IT、CT和OT技術在工業控制領域融合創新，將帶動IT、CT技術加速成熟與規模化應用。一方面，基于新技術的工業控制系統市場空間巨大，將轉化為“需求”，推動5G、工業互聯網、人工智能等新技術加速成熟和規模化生產，實現5G芯片等核心元器件量產，推動新技術引入成本的快速下降。另一方面，新產品的應用將打破現有的PLC“黑盒”，突破現有國外壟斷的技術標準與網絡架構，以更開放的系統架構、更高的集成度、模塊化的功能以及智能化的硬件，組成新一代的工控產品IMCU，成為當前結構封閉和兼容性差PLC產品的最佳替代品，推動中國工業控制系統走向國產自主可控，實現彎道超車。

4.2、助力工業控制產業發展壯大

依托技術集成創新，將實現傳統行業智能控制應用廣度與深度同步提升。首先，基于新技術的工業控制系統可實現無線連接、靈活部署。傳統的PLC多是采用工業以太網或者光纖進行通信，完全受限于有線的網絡布局。基于5G的低時延、高可靠等優勢，可實現IMCU之間、IMCU與控制平臺間實現無線網絡通信，將極大提升產業布局的靈活性，尤其更加適用于產品更新換代快、控制終端相對分散的傳統產業。其次，可助力工業控制領域突破技術壁壘，打造開放完備的產業生態。依托5G等我國具有明顯優勢的技術和相對完善的生態伙伴，將有利于在開放合作的平臺更快實現技術的突破和驗證。最后，由于其靈活性，控制系統的控制范圍可實現進一步拓展，不僅僅局限于一個車間，也可以是一間工廠，基于網絡切片等新技術的支持，還可以實現異地智能控制。同時，在“瘦終端+大平臺”架構下，平臺層可更多地承擔數據存儲、數據計算與分析、人工智能判斷與控制等功能，極大提升工業控制的智能性。

4.3、助力新技術產業蓬勃發展

首先，將帶動5G芯片產業的規模化發展。5G芯片是IMCU的重要組成部分。新型智能控制單元巨大的市場需求將帶動5G芯片產業的規模化發展。其次，將帶動5G芯片系列化發展。新型智能控制單元的小型化、標準化和系列化將是更廣泛適用各類工業環境的前提，因此，巨大的市場空間背后將帶動5G芯片也朝著小型化、系列化、低成本方向發展，5G芯片也將形成高端到低端、復雜到簡單等系列產品。最后，復雜工業控制場景在持續智能化的過程中，將出現大規模的單元聯網，產生大量的數據，并對控制的智能化水平提供了更高的要求，勢必將對人工智能、大數據、邊緣計算、工業互聯網等技術的應用提出更多更高的訴求，助力新興技術實現產業化發展。

4.4、衍生出新模式、新業態

首先，將推動“5G+工業互聯網”融合產品研發和產業化。加快工業級5G芯片和模組、網關，以及工業多接入邊緣計算（MEC）等通信設備的研發與產業化，促進5G技術與可編程邏輯控制器（PLC）、分布式控制系統（DCS）等工業控制系統的融合創新，培育“5G+工業互聯網”特色產業。

其次，將推動工業控制供應商從提供產品和服務向提供整體解決方案的轉變。隨著進入智能時代，在工業控制產品和技術迎來互聯互通的升級時，IMCU在工業現場大量使用，將促使傳統服務內容從只注重硬件轉向軟硬兼顧，傳統服務模式由單一產品擴大到整體系統解決方案。

最后，工業網絡安全將成為未來工業控制領域巨大的藍海市場。隨著攜帶5G功能的IMCU的大量使用，完全打通了生產控制系統和企業管理系統，實現了數據的實時交互，將導致工控設備直接與互聯網相連，存在極大的網絡病毒入侵風險。另一方面，隨著企業更大規模換用自動化生產設備，基于5G的遠程運行維護將成為設備供應商提升服務效率和質量的重要手段，設備的直接接入網絡大大提升了病毒侵入的可能性。與此同時，國內工業控制領域市場仍被西門子、ABB等歐美巨頭壟斷，工業安全的國產化替代也將成為發展的重要領域。

5、結語

隨著5G、人工智能、大數據等新一代信息技術的發展，核心元器件的加速迭代與升級，基于新技術下的由無數IMCU組成的工業控制系統將更多地體現出控制終端的標準化、網絡化；控制平臺的集成化、智能化以及應用領域的多元化、豐富化。工業領域對可靠性、安全性要求高，5G、標識解析和人工智能等新技術在工業OT領域的具體應用還需要試驗和培育，在工業控制設備中植入5G、工業互聯網標識、人工智能等新技術，還需要加快推進技術與產品研發進度、加大應用示范推進力度并建立完善的標準體系等，在真正完成驗證和安全測試后，才可能規模復制和推廣。■