工業互聯網時代的PLC發展趨勢研究

原崇蛟，郭肖旺，貢春燕

(中電智能科技有限公司，北京 102209)

0 引言

在風電、水電、石油、管網等國家關鍵基礎設施領域，以及電子設備、汽車、電器、食品、醫藥、專用設備制造、化學原料及制品等智能制造領域，PLC控制系統正得到大量應用，PLC控制系統成為工業自動化領域的“關鍵大腦”“神經中樞”。隨著工業互聯網、云計算、人工智能、大數據等新技術的發展和應用，工控系統從“相對封閉”加速走向“開放互聯”。

工控系統為五層結構，從底向上依次為現場設備層、控制層、監控層、管理層、決策層。設備層是執行層，具有通信和控制能力，一般不具備或只具備簡單的智能；控制層是一系列具有可編程能力的智能終端，包括PLC、DCS、FCS、RTU、運動控制器、HMI等，具有可編程、高可靠、強實時、多連接等特性；監控層部署工業軟件；管理層通過5G、OPC UA等通信技術，實現整個工業系統的縱向貫通，實現數據的互聯互通；決策層通過云計算、大數據、5G、AI等新技術融合，提供智能分析、協同管理等決策能力。本文重點分析控制層可編程終端的發展，未來發展進程中，PLC控制系統也會在智能制造時代中向著安全可信、自主自控、智能化方向發展[1]，通過與新技術的融合，PLC將發展成為新一代的可編程工業智能終端。

1 技術發展趨勢

細數工業控制系統發展過程，工業生產自1952年由傳統電氣控制轉為模擬信號為主的單PID控制，1985年進入現場總線為主的集散控制，發展到如今工業以太網為主的協同控制，已基本實現工業數據集成和數字化、信息化建設。在當前工業互聯網時代，工業生產面臨管控范圍擴大、接入點規模增加、智能總線信號比例提升、高級算法算力需求難以滿足等新挑戰。下一階段工業生產將建設面向多種控制需求的新型網絡架構以及工業數據復合應用平臺，最終實現智能控制。在智能控制中，因具備高性價比、高可靠性、高易用性特點，PLC通過加入分布式I/O、嵌入式智能、無縫通信等升級，得到了性能的提升和形態的改進。通過工業軟件賦能，PLC將以工業智能終端的形式繼續活躍在工業自動化領域中。

隨著IT技術的發展，PLC的性能指標從速度轉向安全性、可靠性、運動控制、實時通信、數據處理、流程優化、故障診斷等更加綜合的指標[2]。本文分析PLC在工業互聯網時代的發展趨勢，其技術發展特點總結為可編程、高可靠、強實時、多連接、高安全和智決策六個方面，如圖1所示。

圖1 PLC技術發展特點

1.1 可編程：協同處理能力、軟件定義能力

軟件是信息系統技術與工控系統技術快速融合發展的支撐，工業軟件分為兩個類型：嵌入式軟件和非嵌入式軟件。嵌入式軟件是嵌入在控制器等設備中的軟件，具有采集、控制、通信等功能；非嵌入式軟件是裝在通用計算機或者工業控制計算機之中的設計、編程、工藝、監控、管理等軟件[3]。工業互聯網和智能制造推動了工業軟件的快速發展，通過工業軟件實現PLC的軟件定義、增加多系統之間的協同處理能力，增強其靈活性，通過工業網絡采集到大量的現場數據，在云平臺集中強大的計算能力進行大數據分析，提升和優化生產效率，使得控制系統越來越智能化。

2020～2021年中國頻繁發布多項政策支持工業軟件方面的發展和應用，力爭盡快補齊工業軟件技術短板，可以預見工業軟件產業在“十四五”期間將迎來快速發展。根據“十四五”規劃和2035年遠景目標綱要，積極穩妥發展工業互聯網、加快補齊基礎軟件等瓶頸短板成為“十四五”時期的主要任務之一[4]。

1.2 高可靠：連續無故障穩定運行、適應復雜環境

工業控制系統對PLC的可靠性有較高的要求，一般PLC控制器的使用壽命在15～20年[5]，且在使用過程中基本不停機，其平均故障間隔時間長，故障修復時間短。隨著硬件技術的進步，PLC采用嚴格的工藝制造過程，在屏蔽措施、濾波、故障電路、光電隔離等方面都有很成熟的設計方法，PLC的電磁兼容性、環境適應性、可靠性等方面都能滿足復雜環境的應用需求，另外，在軟件設計方面，也增加了功能安全等機制，保障其可靠工作。

1.3 強實時：微秒級、高精度、低延遲、多任務協同

PLC控制系統的實時性要求體現網絡通信、數據采集、任務控制等方面，一般采用響應時間來描述實時性指標，以微秒(μs)、毫秒(ms)、秒(s)等為計量單位。響應時間越短，就標志著系統的實時性越好[6]。現代PLC選用嵌入式實時操作系統和工業以太網總線，可以實現微秒級任務控制、高精度低延遲、多任務協同并行處理能力，在運動控制尤其是大慣量設備控制領域應用較多。

1.4 強安全：數據安全和系統安全

隨著工業互聯網和智能制造的發展，PLC系統逐漸走向開放化，也引入了以前在工業領域從未面臨的安全問題，自從2010年震網病毒爆發之后，攻擊者對工控系統不斷深入研究，攻擊花樣越來越多，攻擊手段也更加復雜，PLC作為工業生產的重要基礎性設備，面臨的安全問題更加突出，也日益成為遭受攻擊的目標[7]。目前在工控系統中通過可信計算、密碼算法、身份認證、深入檢測等技術進行了安全防護，但由于增加防護帶來的延遲將會影響控制系統的實時性，因此如何解決安全性和實時性之間的矛盾也是當前研究的難點之一。

1.5 多連接：縱向通信、智能采集、異構通信

通過5G、OPC UA等通信技術的應用，實現PLC控制終端數據直接與決策層交互的縱向通信能力。在智能化方面，通過PLC連接AI、機器視覺等設備，將智能化引入到終端中。通過本地服務器機房部署云化控制器、現場部署多協議網關，可將現場傳統PLC接入云PLC，實現與工業互聯網和云計算結合，借助云PLC具備的實時任務處理能力和大算力，以5 ms的連鎖響應速度實現廠內多控制系統間的協同控制、協同調度以及協同管理，為PLC和控制系統實現大數據賦能。工信部于2019年底印發《“5G+工業互聯網”512工程推進方案》，文件要求到2022年，突破一批面向工業互聯網特定需求的5G關鍵技術，“5G+工業互聯網”的產業支撐能力顯著提升[8]。

1.6 智決策：智能控制、優化決策、大數據賦能、柔性生產

將人工智能應用到工業自動化控制系統的應用和發展中具有很強的可行性[9]。傳統工業控制系統在新型工業業態模式下存在以下問題：生產規模和工藝復雜度迅速提升，被控對象系統辨識和建模難度高；基于簡化機理模型的控制策略難以解決分布參數、非線性、時變、多變量耦合的復雜對象優化問題；工業現場調試完全依賴調試人員的知識和經驗。智能控制是一種模仿人類智能的控制方法，必須具有模擬人類學習和自適應能力。工業控制系統在人工智能、機器視覺、AR/VR、大數據、云計算等技術加持下，可以實現基于大數據的機器學習能力，系統通過訓練建立控制模型可以實現優化控制。更進一步，智能控制系統具備基于小數據集的知識遷移能力，使系統能在不確定情況下繼續工作。在大算力和大數據賦能下，實現軟測量、預測診斷、預測維護、實施優化探索和柔性生產。

2 市場發展趨勢

在工控自主市場方面，2019年中國工控行業控制系統市場規模為372.6億元，2020~2025年預計年增長率為10%~15%。自20世紀70年代引進PLC以來，PLC在我國的應用已有40多年的歷史，我國PLC本土品牌的發展卻一直步履維艱，國內PLC市場外資品牌整體占比達90%[10]，主要由西門子、三菱、歐姆龍、羅克韋爾等歐美和日系巨頭占據，西門子在國內PLC市場的綜合市占率超40%，第二大品牌三菱市占率14%，國產化率僅10%，而且國產品牌大都不是“國產芯”。面對新冠疫情對供應鏈的巨大沖擊以及國際形勢潛藏的安全威脅，工業控制系統國產化替代需求日益迫切。

對國內PLC市場進一步細分，可以明顯看出因技術難度與應用場景不同，大、中、小三型PLC市場呈現不同的競爭態勢，如表1所示。

表1 PLC市場特點比較

大型PLC市場頭部位置一直由羅克韋爾(Rockwell)占據，其產品主要應用在冶金、電力、交通等，產品需要具備強大的計算處理能力、控制能力和通信能力，用戶對其產品的安全性、可靠性和抗干擾性要求也比較高。另外，應用大型PLC的場合一般來說工藝比較復雜，需要多樣和靈活的通信方式以及較好的網絡拓展能力，所以對大型PLC的網絡通信能力要求較高[10]。因此大型PLC具有較高的技術壁壘，是廠商競爭難度最大的領域。憑借產品優勢羅克韋爾一度占有39.8%的國內大型PLC市場份額。在自主安全提升到國家戰略的背景下，國內品牌廠商陸續推出大型PLC產品，并在市場競爭中開始發力。以和利時公司為例，該公司2021年大型PLC市場份額增加0.4%，整體市場占比達4.9%，如圖2所示。

圖2 2021年大型PLC市場分布

中型PLC產品主要應用于項目型市場，因此該市場是競爭格局最為集中的領域，而西門子(Siemens)憑借S7系列PLC產品占據國內48.6%的市場份額，已成為中型PLC市場國內第一大品牌。中型PLC應用場景一般需要建立小規模的網絡，因此通信能力和組建網絡的便利性成為中型PLC的技術發展趨勢。另外在OEM應用中，由于采用中型PLC的應用在OEM應用中通常屬于高端應用，機器的復雜程度較高，在PLC的CPU指令處理速度、程序容量、運動控制精度、通信方式等方面有較高要求。這成為中型PLC技術發展的另一個趨勢[11]。國產中型PLC廠商方面，受益于電子、機床等行業國產化需求增長，匯川公司中型PLC市場份額增加0.6%，整體市場占比達2.8%，如圖3所示。

圖3 2021年中型PLC市場分布

小型PLC市場相對分散，國內市場主要由西門子、三菱(Mitsubishi)、歐姆龍(Omron)等國外廠商占據優勢地位，三家廠商合計占據國內57%的市場份額，其中西門子依靠產品突出的性價比優勢領先于三菱、歐姆龍，占有40.8%的市場份額。小型PLC產品主要應用于電力電子、機械制造、汽車生產、環保文娛等行業，要求產品集成度高、能耗低、經濟易用，因其技術難度小、競爭壁壘相對較低，如臺達、信捷、匯川、合信等國內品牌廠商近些年迅速崛起，已開始與國外廠商同臺競技，在市場上已占據一席之地。以信捷電氣公司為例，信捷的PLC業務從2011年的0.8億元提升到2021年5.16億元，年均復合增速達到20.49%，小型PLC市場份額達到6.6%，如圖4所示。

圖4 2021年小型PLC市場分布

國產自主安全PLC品牌以中國電子超御系列、浙江中控研究院、南大傲拓等公司為主，其市場主要面向軍工、高新電子和關鍵基礎設施等領域，在自主性、安全性方面獨具優勢，但這些品牌還處在發展初期，市場占有率較低。造成這些國內PLC企業在市場競爭中處于劣勢的主要原因有三個方面：其一，能力分散，無法形成競爭合力；其二，技術水平落后，僅能設計生產低端的硬件模塊，編程軟件大部分依靠國外成熟技術，處理器芯片大多“借用”國外嵌入式信息處理類CPU；其三，產業生態發展差，未形成可持續健康發展的產業生態[12]。

3 我國PLC未來發展思路

3.1 掌握核心技術

我國PLC向智能化發展應對復雜控制技術、智能控制技術、內置安全技術、通用編程編譯技術、面向泛在互聯的廣域控制技術進行攻關，掌握核心關鍵技術，形成可編程智能終端技術體系。

(1)復雜控制技術

針對風電、水力發電、新能源發電、核電等能源行業應用的大規模、高性能、高可靠需求，突破多重冗余控制、故障自診斷、事件分析、復雜環境適應等技術。

(2)智能控制技術

研制運動控制、AI接入、云邊融合、協同互聯等智能控制技術，實現系統通用性強、可拓展性強、抗干擾能力和開放性強，能夠滿足復雜制造的智能控制系統。

(3)內置安全技術

突破在運行空間隔離與保護、內置可信、動態防護等技術，解決單一加密保護機制無法實現動態防護、通用加密防護技術對工業控制系統資源分配和通信調度性能產生影響的問題，在保證安全性的同時，應該滿足計算速度、能耗等需求，實現保障安全的同時，滿足工控高可靠、高可用的要求。

(4)通用編程編譯技術

構建具有統一技術體系的工控系統編程環境，突破多語言編程、多平臺異構編譯、多終端同時開發、多總線異構接入等技術，建立國產工控系統通用開發平臺和工業級實時運行系統通用架構，形成一體化開發環境解決方案，可應用于多種可編程工業智能終端。

(5)面向泛在互聯的廣域控制技術

以分散控制、泛在互聯、廣域協同提升全域協同控制能力，以控制模型智能構建和智能前移提升末端智能水平，解決控制系統的快速部署、聯合決策、動態恢復難題，實現分散化控制部署、快速化動態重構、泛在化廣域互聯、集群化協同控制的目標。

3.2 實施先進制造

集中優勢力量，利用國內芯片企業如飛騰、龍芯、華大等，元器件供應商如安路、振華等企業，工業互聯網企業如中電互聯、東方國信、樹根互聯、航天云網、浪潮云、華為、工業富聯、阿里云、徐工等企業[13]的合作，在國內形成批量優勢，以先進制造的思路，在成本集中控制、供應鏈、產能保障、質量提升進行全方位的謀劃。應在三個方向上努力：(1)穩鏈強鏈，構建基于元器件、原材料供應鏈，確保供應鏈的健壯性和穩定性。(2)保供降本，建立基于元器件的集采平臺和相應的金融保障體系，最大幅度降低原材料的采購成本。(3)提質增效，對PLC產品實施PCBA及生產制造，確保產能與質量穩定可靠。

3.3 強化協同和擴大生態

行業上游負責提供生產PLC所需的電子元器件、電力電子器件、鈑金結構件等零部件[14]，用于運行環境的操作系統和計算機等軟硬件產品。行業下游廣泛分布于各個工業應用，包括高新電子、風電、水電、天然氣、石油、管網、智能制造、加工產線等領域。依托國內央企深化合作，加大規模化應用，形成技術、產品、應用等多方面的良好合作生態，如圖5所示。

圖5 PLC行業產業鏈

(1)加強與上游產品的技術交流和合作，聯合開發工控專用SoC處理器、微內核嵌入式操作系統等關鍵產品，雙向促進產品能力提升。加強相關企業技術聯動，形成一體化解決方案，加快應用推廣。

(2)基于國產元器件和軟硬件技術打造先進產品，研究具有內置安全的可信終端控制產品，在關鍵基礎設施領域進行應用，建立自主安全的關基控制系統。研究復雜控制終端、智能制造終端，應用于能源、軌道交通、智能制造等領域。

(3)基于PLC系統應用形成整體解決方案，依托例如“PKS”體系國產化全產業鏈信息系統生態環境，帶動國產計算機、交換機、服務器、操作系統、數據庫、云平臺等自主安全產品進行整體系統建設，進而推動國內工控行業整體發展。“PKS”是基于飛騰CPU和麒麟操作系統構建的一個開放的安全架構，體現了安全和可信，主要是要解決現有計算機先天缺乏免疫的問題及漏洞和效率問題。其中“P”為CPU、內存、網絡交換芯片內置可信核安全機制，內置密碼體系；“K”為操作系統、數據庫等基礎軟件內置白名單、訪問控制、未知漏洞防護等安全增強機制；“S”為可信策略管理、安全控制中心、安全軟件應用商店等立體防護和管控體系。

4 結論

工業互聯網、云計算、人工智能、大數據等技術蓬勃發展，第四次工業革命下形成了新型工業業態模式，作為物理世界與數字空間雙向實時連接的橋梁，PLC將會在工業互聯網、物聯網、智能工廠等發展大勢下，突破核心關鍵技術，形成可編程智能終端產業生態，在設備通信、控制、數據采集、信息安全等功能上進一步提升，通過與云計算、大數據、人工智能等新技術結合，實現PLC終端與“智能制造”的融合發展，推動工業控制系統的自動化，進而助推工業企業的信息化、數字化、智能化進程。