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工业互联网时代,PLC或许该改个名字了……

人阅读 2024-07-12 05:40:59智慧工业

导 读: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。

这是我在【物女心经】专栏写的第236篇文章。

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。

1、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。

2、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,广东电信联合美的集团、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”。

3、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。

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