工业互联网时代,PLC或许该改个名字了……

物联网智库·2021-10-20
最近几年,工业领域发生了很大的变化,工厂需要更扁平的架构、更简单的流程和更智能的分析。

从诞生至今,PLC出色的完成了衔接设备层与信息层的任务,承担了上传下达的职责,并收获了易用、可靠的美名。我们将工业领域的架构,分为现场层、控制层、信息层等多个层级“金字塔”的做法,也伴随PLC一起深入人心。但是在最近几年,工业领域发生了很大的变化,工厂需要更扁平的架构、更简单的流程和更智能的分析。这时如果依然沿用过去的分层架构思路,有些不合时宜。

随着工业互联网的发展,有些变化是不可避免的,有些趋势是不可逆转的。市场、需求和技术的迭代,推动产品的演进,一切只是时间问题。

作为跨越OT与IT的桥梁,PLC的作用不容小觑。PLC连接与控制多种设备,将数据分析、处理,并传递到上层的信息系统,成为工厂与车间的控制中枢。

从诞生至今,PLC出色的完成了衔接设备层与信息层的任务,承担了上传下达的职责,并收获了易用、可靠的美名。我们将工业领域的架构,分为现场层、控制层、信息层等多个层级“金字塔”的做法,也伴随PLC一起深入人心。

但是在最近几年,工业领域发生了很大的变化,工厂需要更扁平的架构、更简单的流程和更智能的分析。加之PLC的功能日益完善,具备了更强大的数据处理,被赋予了跳出原有层级束缚的能力。

这时如果依然沿用过去的分层架构思路,有些不合时宜。

伟大的冰球选手韦恩·格雷茨基,保持着40项常规赛纪录、15项季后赛纪录和6项全明星赛纪录,当他被问到如何在冰上跑位时,他说:“我滑向球下一步的位置,而不是它现在的位置。”对于PLC,我们也应该如此对待。

面向未来,突破“金字塔”的束缚逐渐成为一种必然,PLC的使命也有可能被重新定义。

跳出“金字塔”的架构,过去的一些基本假设需要被重置:

  • 数据不必被分层,不同层级之间的数据可以相对自由的流动

  • 数据的来源方和使用方,都更加丰富多样

  • 每个节点具备一定的智能,就近可以对数据进行初步分析和处理

5年之后,PLC会变成什么样子?思考这个问题,更易把握工业互联网的发展机遇。本文试图呈现一些PLC的未来演进路径和方向。

01 从PLC到工业智能控制器

第一种演进路径,由OT领域的传统巨头主导,他们均已推出了下一代PLC的雏形。

最早启动变革的是施耐德电气,不仅积极推动PLC直连到云,还大力推进开放自动化体系,采纳开放环境的编程语言IEC 61499,成为传统自动化巨头中的一股清流。

知名的事件要属在2019年汉诺威工业展上,施耐德电气推出了面相工业互联网的控制器M262。简单介绍,M262是一款集逻辑控制和运动控制于一体的PLC,能够直接连接到云平台,不需要中间加一个网关进行数据中转。

延续直连云端、开放易用的思路,菲尼克斯电气推出的下一代PLC,PLCnext,也值得关注。这款PLC基于Linux的操作系统,允许使用Node-Red等开源编程工具,它既可以用作边缘网关,也可以用作PLC。

PLCnext通过将操作系统、编程环境、通信接口和用户界面全面开放,将传统且稳定的PLC与现代软件工程的灵活性结合起来,在一个系统内既有实时控制的PLC,又有非实时的可直接链接IT(包括云、数据中心等)的系统,为OT与IT融合给出了一种解决方案。

西门子和罗克韦尔自动化则纷纷将人工智能引入了PLC。

西门子推出了一款S7-1500神经网络处理模块,使机器能够识别复杂模式。罗克韦尔自动化推出了LogixAI分析模块,为自动化系统提供了对异常情况进行预测性分析的能力。

两家企业的做法有些相似之处,这些轻量级的智能模块与原有PLC可以紧密集成。基于原有的控制系统,通过新增模块可以实现基础级的人工智能应用,不要求用户具备复杂繁琐的IT知识,无需部署IT网络,也无需切换控制平台。

从用户的使用习惯和心智认知出发,这些品牌挖掘了很深的护城河。

根据MIR睿工业的统计数据,PLC产品在国内市场的整体规模大约为130亿元人民币,其中大部分以国外品牌为主。西门子占据40%左右的市场份额,罗克韦尔自动化和施耐德电气紧随其后。他们对于PLC的演进路径具有较强的话语权。

依靠前期积累的品牌壁垒,这些知名企业一般采用循序渐进的方式,将PLC中嵌入更多的智能化功能,并成为连接到云的边缘设备。在这个过程中,可编程逻辑控制器这个名称已经不能涵盖PLC的全部能力,它逐渐变成了工业智能控制器。

这种循序渐进的方式充分迎合了用户的新使用习惯,不仅自动化系统可以承载更多的数据分析和处理能力,满足运算与控制的实时性、安全性要求,还能降低IT系统运营和部署的成本,分担管理系统的运转负荷。

02 从端到云,云化PLC

第二种演进路径,推动者来自CT领域,提出了云化PLC的概念。

云化PLC,是指在云端运行的可编程控制器。通过将物联接口标准化和应用云化,采用软件定义的PLC与工业互联网平台直接相通,实现PLC的远程控制,将APP和分析结果嵌入机器和云,实现智能化和自我感知,通过API和生态系统扩大工业互联网平台应用。

这种路径的顺利发展需要依靠一些前提条件。

首先,PLC的研发门槛已经被极大降低,标准化的硬件配合Codesys等工业领域的“安卓”平台,保证了新一代PLC开发的快捷性和易用性。

其次,通信技术的发展,让5G和TSN等技术融合成为可能,保证了数据传输的实时性和可靠性。

第三,云端应用和开发者生态的极大丰富,以及在B2C验证的成功实践,让新一代PLC的市场开拓可以探索更多的商业模式。

今年6月,华为携手紫金山实验室上海交通大学宝信软件正式发布了首个广域云化PLC的试验成果。试验基于新一代工业控制边缘计算架构和确定性广域网技术,实现了跨越600公里距离的广域云化PLC的部署和稳定运行。

实验中,云化PLC部署在上海,采用开放性架构实现,包括鲲鹏CPU、欧拉开源操作系统、面向IEC61499标准的PLC开发运行环境,远程控制部署在南京的执行端机械臂。在重度负载的背景流量冲击下,确定性广域网的平均时延小于4ms,时延抖动小于20us。

在此之前,已有云化PLC推出,运营商是重要的推动力量之一。

2020年11月,广东电信联美的集团、华为公司,发布了“云化PLC创新应用”。今年10月,中国联通和浙江中控联合发布基于5G MEC的云化PLC品牌“DeepControl”。

物联网、虚拟化和5G等技术发展,正在为PLC开启许多新的可能性。在未来,一些工业流程可能会通过云端进行控制。但是在大多数场景中,仍然需要现场硬件来处理和传输数据。即便将5G与TSN结合,创造前所未有的无线通信速度,也不足以完全虚拟化所有机器控制,将其迁移上云。

物理上距离实体设备较近、充分满足实时性和控制复杂度的要求,以及对数据隐私和安全性的考虑,位于边缘侧的PLC仍然具有更大的施展空间。

云化PLC的落地还有待时间的考验,有些朋友可能会认为这类产品是来自CT领域的企业在试图用自己擅长的产品以改造自己不擅长的场景,这种初始判断无可厚非。

云化PLC的更大意义在于,它带给我们思维模式上的突破。

5G用无线的方式解决了实时性的问题,云化让PLC不必再受到物理位置的束缚。既然PLC可以云化,其它设备也具备云化的可能性。云化与5G的结合,让分布式控制系统的规模化、扁平性和分散性,都达到了史无前例的量级。

多个云化PLC产品的落地,说明工业领域的软硬件解耦已经发生,通用性的硬件和开放式的软件正在变成“新常态”。

03 从外到内,植入型PLC

第三种路径,推动者来自于OT领域的创新型企业,他们逐渐将PLC内置于各种设备。

这一路径的发展也有三个前提条件。

第一,PLC的尺寸极大降低。

PLC诞生时,外形尺寸很大,比电机大得多,甚至比一些小型设备还大,因此当时的PLC安装在电气柜中,还配备了冷却装置。今非昔比,如今PLC的尺寸缩小了10倍,而且性能有很大提升。

第二,电子器件的可靠性得到验证。

从历史上看,电子部件比机器部件发生故障的概率更高,蓝屏、死机在过去是家常便饭。因此,那时有娇贵的电子部件的产品,一般都需要被放置于易于访问,可以触及的位置,容易重启、更换和维修。

时光如梭,来到2021年,谁手上都有几个掉地不易碎、泡水不易坏、开机永在线的“皮实”手机。电子部件的可靠性已经得到了很大改善,可以与机器部件平起平坐。

第三,PLC的成本遵从反摩尔定律,快速降低。

过去,电子部件的成本远高于DIN导轨、外壳和电缆等支撑组件。现在微型PLC的成本仅为20年前的十分之一,为这些PLC配备导轨、外壳和电缆,不再划算。

综合考虑以上种种因素,在万物皆有智能的时代,PLC不再有独立外置于电气柜中的必要,而是可以植入到机器内部,甚至以PCB板的形式,成为机器内部的一个“器官”。

有不少提供运动控制解决方案的企业,已经将PLC、PCB板、模组或者同等功能的器件,内置于机械臂、CNC机床、移动机器人等设备“体内”。

典型的比如倍福和贝加莱(已经被ABB收购),他们发展的后劲十足,采用基于PC的控制,实现PLC的功能,让用户品尝到PC在软件工程方面的灵活性和开放性的优势。倍福还通过提供软件开发套件的方式,支撑第三方厂家的深度定制需求。

在这个快鱼吃慢鱼,群鱼吃大鱼的时代,很多大型企业面临着创新者的窘境。中小创新型企业具有轻装上阵的优势,随着PLC的演进,软硬件充分解耦、基于Linux等开源操作系统、使用开源软件工具,不受物理位置和外形束缚的新一代“PLC”,将渐渐壮大。

写在最后

本文分析了PLC的三种演进路径:

第一,支持PLC直连云端,并嵌入人工智能模块,从PLC发展为工业智能控制器。

第二,从端到云,PLC在云端运行,通过将物联接口标准化和应用云化,采用软件定义的PLC与工业互联网平台直接相通,实现PLC的远程控制。

第三,从外到内,PLC不再有独立外置于电气柜中的必要,而是可以植入到机器内部,甚至以PCB板的形式,成为机器内部的一个“器官”。

当然,PLC的演进路径不仅限于以上几种,如果你有更多发现,欢迎留言。

PLC作为工厂中控制能力的源泉,位于工业互联网的核心位置,它的前世今生值得更多关注。无论未来如何发展,PLC可编程逻辑控制器这个名称似乎难以概括它的概念和定位,也许即将被赋予新的命名。

参考资料:

1. PLC江湖波澜不惊,自动化风云录,作者:彭瑜、林雪萍,来源:知识自动化

2. 如何理解罗家的LogixAI产品,作者:Mike Zheng,来源:智造商

3. Is There Life without the PLC? How to Build a Better Embedded Controller,来源:Design News

4. 全球首个广域云化PLC试验成果发布,加速下一代工业控制边缘计算架构升级,来源:边缘云

5. 基于5G和软件定义的工业控制技术(云化PLC)行业产生背景和应用场景,来源:中国联通

本文来自微信公众号“物联网智库”(ID:iot101),作者:彭昭,36氪经授权发布。

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