可編程邏輯控制器（PLC）技術(shù)已經(jīng)出現了近60年。隨著(zhù)新興技術(shù)的不斷發(fā)展，人們不禁要問(wèn)，現在的PLC是否已經(jīng)進(jìn)入老年狀態(tài)了？未來(lái)是否注定會(huì )被更先進(jìn)的技術(shù)替代？

考慮到計算硬件、軟件、智能測量、云可訪(fǎng)問(wèn)性和通信連接速度的提升（有時(shí)幾乎呈指數級），這一討論尤其重要。隨著(zhù)這些以及其它方面的進(jìn)步，信息技術(shù)（IT）已經(jīng)穩步滲透到以前孤立的運營(yíng)技術(shù)（OT）領(lǐng)域。鑒于智能控制領(lǐng)域的快速發(fā)展，以下是對未來(lái)十年PLC發(fā)展和工業(yè)自動(dòng)化應用的一些思考。

1. 以核心任務(wù)為導向

PLC的核心任務(wù)始終如一：即使在具有挑戰性的運營(yíng)環(huán)境下，也能對現場(chǎng)的物理設備實(shí)施確定的控制和可靠的監測。這是使用內置于平臺的專(zhuān)用處理器、操作系統和編程環(huán)境來(lái)實(shí)現的。然而，規模經(jīng)濟繼續推動(dòng)主流消費和商業(yè)技術(shù)在PLC中的應用，只要它是可行的。“更小、更快、更好”的趨勢一直適用，并將繼續如此，但主要是圍繞更快和更好的方面，因為進(jìn)一步小型化的趨勢在過(guò)去十年中已經(jīng)趨于平穩。

電子元件、處理器和固態(tài)存儲器進(jìn)步的許多好處——降低的成本、縮小的體積、最小化的功耗和提高的性能——已經(jīng)在PLC和其它工業(yè)電子產(chǎn)品中實(shí)現。雖然在尺寸、成本和功率等方面的改進(jìn)將繼續，但真正的進(jìn)步將圍繞功能展開(kāi)。

此時(shí)，平臺規模在很大程度上受到與PLC輸入/輸出（I/O）模塊接口的物理布線(xiàn)需求的限制。傳統的有線(xiàn)I/O仍然是必要的，但在許多情況下，與現場(chǎng)設備的連接正在轉向數字網(wǎng)絡(luò )，并使用IO-Link和無(wú)線(xiàn)等技術(shù)實(shí)現遠程分布。

采用多核處理器的PLC設計具有強大的計算和通信功能，從而可以實(shí)現確定性控制。20多年來(lái)，術(shù)語(yǔ)可編程自動(dòng)化控制器（PAC）一直被用來(lái)描述比經(jīng)典PLC具有更強功能的工業(yè)控制器。

盡管與PLC相比，PAC最初看起來(lái)可能是一種更獨特的產(chǎn)品，但時(shí)間已經(jīng)證明，自動(dòng)化工程師在選擇工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)品時(shí)，并不太關(guān)心術(shù)語(yǔ)，對性能和可用功能更感興趣。

雖然市場(chǎng)提供的產(chǎn)品從基本的PLC到復雜的PAC，但工業(yè)控制平臺的概念在很大程度上已經(jīng)融入一系列連續的功能中。展望未來(lái)，用戶(hù)將愿意把任何類(lèi)型的底層硬件平臺或操作系統視為自動(dòng)化平臺，如果它能提供經(jīng)過(guò)驗證的實(shí)時(shí)控制功能，同時(shí)還能提供其他所需的高級計算功能，那么它可能會(huì )繼續被稱(chēng)為 PLC，但實(shí)際上遠不止如此。

2. 兼顧靈活性和一致性

雖然基于Windows的系統在消費和商用PC領(lǐng)域占據主導地位，并在工業(yè)可視化領(lǐng)域表現突出，但在實(shí)時(shí)控制方面卻并非如此。PLC/PAC 平臺通常運行于專(zhuān)門(mén)的操作系統，盡管也有一些基于 Linux 的選擇。一般來(lái)說(shuō)，用戶(hù)必須在對開(kāi)放性的渴望（提供了極大的靈活性和較低的產(chǎn)品成本）和對工業(yè)級可靠性的要求（通常只有專(zhuān)有系統才能提供工業(yè)級可靠性）之間取得平衡。這些專(zhuān)有系統也具有相對較高的網(wǎng)絡(luò )安全性，盡管主要是通過(guò)隱蔽性和黑客對其不熟悉而實(shí)現的。

多年來(lái)，無(wú)論是在硬件平臺還是編程語(yǔ)言方面似乎都有一種趨勢，或者至少是人們對其更感興趣，那就是更開(kāi)放的工業(yè)系統。一些終端用戶(hù)已經(jīng)使用通用Raspberry Pi（樹(shù)莓派）和 Arduino（一種開(kāi)源電子原型平臺）硬件來(lái)實(shí)施自動(dòng)化和數據處理項目。出于對可靠性的擔憂(yōu)，其他人則避免以這種方式對消費級產(chǎn)品進(jìn)行實(shí)驗，但現在這些平臺的某些版本已經(jīng)將其固化為工業(yè)級設備（圖1）。用戶(hù)對將現代編程平臺與經(jīng)過(guò)驗證的工業(yè)I/O和硬件相結合的能力表現出極大的需求。

▲圖1：現在，當代開(kāi)源處理器平臺已經(jīng)有了工業(yè)級產(chǎn)品，最終用戶(hù)可以選擇將傳統的自動(dòng)化方法與更現代的基于IT的語(yǔ)言集成。

面對如此多的硬件選項，實(shí)現開(kāi)放性的下一個(gè)障礙是統一的編程環(huán)境。經(jīng)典PLC使用供應商特定的編程，很難移植到其它品牌。IEC 61131-3標準引入了有序的PLC編程語(yǔ)言和數據類(lèi)型，但供應商專(zhuān)有的實(shí)現方式，仍然阻礙了品牌之間的代碼可移植性。最終，CODESYS集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（IDE）提供了一種更一致的方法，可以使用標準語(yǔ)言創(chuàng )建代碼，以便在工業(yè)控制器上實(shí)現跨平臺部署。

不過(guò)，目前這些舉措都沒(méi)有解決這樣一個(gè)事實(shí)，即進(jìn)入職場(chǎng)的程序員通常更喜歡用更現代的、基于IT的語(yǔ)言（如C++或Python）來(lái)編寫(xiě)代碼。

盡管所有這些努力都朝著(zhù)開(kāi)放和現代編程語(yǔ)言的方向發(fā)展，但似乎可以肯定地說(shuō)，在可預見(jiàn)的未來(lái)，經(jīng)典的梯形邏輯將繼續存在。梯形邏輯擁有龐大的應用基礎，它仍然是許多電工、技術(shù)人員甚至開(kāi)發(fā)人員首選的簡(jiǎn)單編碼方法。它的圖形風(fēng)格適用于基本的故障排除和典型的工業(yè)自動(dòng)化功能，廣泛的應用基礎還具有其它優(yōu)勢。

如今，大多數硬件平臺都支持梯形邏輯，并且許多平臺還允許其它類(lèi)型的編碼方法，這些方法可以根據需要進(jìn)行混合和匹配。對于特定任務(wù)，各種編碼語(yǔ)言都有自己的優(yōu)缺點(diǎn)，大多數用戶(hù)在選擇解決問(wèn)題的最佳工具時(shí)，都喜歡依據自己的判斷，同時(shí)在靈活性和復雜性之間取得平衡。對用戶(hù)來(lái)說(shuō)，另一個(gè)好處是，他們能夠擺脫專(zhuān)有語(yǔ)言的束縛管理代碼庫，該代碼庫可以部署在任何類(lèi)型的目標硬件上，從而最大限度地減少返工。

當前和未來(lái)的重點(diǎn)是，用戶(hù)希望由值得信賴(lài)、經(jīng)驗豐富的工業(yè)供應商所提供和支持的自動(dòng)化平臺，能夠支持任何類(lèi)型的首選編程語(yǔ)言。

3. 與通信進(jìn)步緊密連接

在過(guò)去十年中，工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域取得的一些重大進(jìn)展都與通信技術(shù)的改進(jìn)有關(guān)，從而幫助制造企業(yè)實(shí)現了真正意義上的互聯(lián)工廠(chǎng)。與控制器硬件和編程一樣，這也是一個(gè)從專(zhuān)有轉向更開(kāi)放產(chǎn)品的故事。

傳統的以OT為中心的現場(chǎng)總線(xiàn)，如DeviceNet，長(cháng)期以來(lái)一直提供用戶(hù)所需的可靠性和安裝形式。但現在有線(xiàn)甚至無(wú)線(xiàn)以太網(wǎng)開(kāi)始占主導地位，有幾種領(lǐng)先的工業(yè)通信協(xié)議可供選擇。物理外形尺寸的改進(jìn)，如可沖洗和可連接的組件以及以太網(wǎng)供電（PoE），使以太網(wǎng)安裝適用于工業(yè)環(huán)境。

某些OT協(xié)議（如 EtherNet/IP、PROFINET 和 Modbus-TCP等）與現場(chǎng)設備的品牌和型號相關(guān)聯(lián)，而一些其他協(xié)議則針對自動(dòng)化任務(wù)的類(lèi)型（如用于運動(dòng)控制的 EtherCAT）進(jìn)行了優(yōu)化。雖然EtherCAT并不是什么新技術(shù)，但將該協(xié)議原生集成到功能更強大的PLC中，意味著(zhù)中低復雜程度的運動(dòng)應用可以原生集成到自動(dòng)化平臺中，而不需要單獨的運動(dòng)控制器。

Ethernet-APL（以太網(wǎng)先進(jìn)物理層）通過(guò)實(shí)現高帶寬，以及與現場(chǎng)設備建立無(wú)縫的以太網(wǎng)連接來(lái)改變過(guò)程自動(dòng)化領(lǐng)域。它解決了至今為止一直限制現場(chǎng)使用以太網(wǎng)的挑戰。這些挑戰包括功率、帶寬、布線(xiàn)、距離以及在危險場(chǎng)所的使用。IO-Link 作為一種簡(jiǎn)化的現場(chǎng)總線(xiàn)正在崛起，即使對于基本的離散自動(dòng)化設備也是如此，具有適用的通信功能和智能。

要在OT與IT之間架起橋梁，安全地實(shí)現IIoT 應用和數據傳輸，以支持遠程可視化和分析，需要采用不同類(lèi)型的通信協(xié)議。OPC UA和消息隊列遙測傳輸（MQTT）在這一領(lǐng)域占據主導地位。雖然它們的某些功能有重疊，但兩種協(xié)議都有最佳用例，用戶(hù)可以選擇同時(shí)實(shí)施。其他支持工具，如 Node-RED，作為一種處理數據并將數據推送到云端供其他應用程序使用的圖形化方法，已受到青睞。

從傳感器到控制器，到本地服務(wù)器，到基于云的資源，再到瀏覽器，這一切意味著(zhù)什么？以前，較小的控制器只有有限的功能集，因此需要較大的設備或多個(gè)集成層來(lái)實(shí)現完全連接?，F在，用戶(hù)甚至希望在非?；A和低成本的自動(dòng)化平臺上也提供這些選項（圖2）?，F在，即使在一些低成本PLC自動(dòng)化平臺上也配備了先進(jìn)的邏輯功能、基本的運動(dòng)控制、有線(xiàn)/無(wú)線(xiàn)連接、一系列IT/OT通信協(xié)議等。

▲圖2：現在，即使在一些低成本PLC自動(dòng)化平臺上也配備了先進(jìn)的邏輯功能、基本的運動(dòng)控制、有線(xiàn)/無(wú)線(xiàn)連接、一系列IT/OT通信協(xié)議等。

4. 為集成機器人做好準備

多年來(lái)，機器人技術(shù)在很大程度上是作為自動(dòng)化的一個(gè)專(zhuān)業(yè)子集存在的，需要定制集成到上、下游系統中。隨著(zhù)機器人技術(shù)的發(fā)展，特別是協(xié)作機器人技術(shù)（cobots），在未來(lái)5到10年內有望成為所有工業(yè)自動(dòng)化中增長(cháng)最大的領(lǐng)域之一，這種情況正在發(fā)生變化（圖3）。在相關(guān)發(fā)展中，視覺(jué)系統在過(guò)去十年中取得了巨大進(jìn)步，其中許多系統與機器人非常兼容，可以輕松集成到許多應用程序中。

▲圖3：機器人技術(shù)代表了工業(yè)設計中一個(gè)快速增長(cháng)的領(lǐng)域，隨著(zhù)用戶(hù)尋求將機器人技術(shù)徹底整合到他們的運營(yíng)中，對功能強大的自動(dòng)化平臺和相關(guān)傳感技術(shù)的需求將會(huì )增加。

現代自動(dòng)化平臺需要做好準備，通過(guò)提供必要的處理能力、編程指令和連接，與機器人和視覺(jué)無(wú)縫集成，以跟上這種不斷變化的環(huán)境。具有這些功能的現代PLC位于現場(chǎng)機器人附近，作為自動(dòng)化平臺具有明顯的優(yōu)勢。

5. AI在PLC發(fā)展中的作用

在2024年撰寫(xiě)的任何面向未來(lái)的工業(yè)自動(dòng)化文章中，都無(wú)法忽視人工智能（AI）和機器學(xué)習（ML）的潛在影響。然而，目前大部分討論都圍繞在實(shí)時(shí)“runtime”角色中使用AI/ML來(lái)分析和應對工況。作為一個(gè)自動(dòng)化平臺，PLC目前并不適合這項任務(wù)，但一些高級版本可能在未來(lái)能夠運行實(shí)時(shí)AI/ML算法。

相反，PLC非常適合作為高級AI/ML資源的現場(chǎng)接口，為用戶(hù)提供豐富、響應迅速和情境化的數據。它們還可以根據算法執行操作。

另一方面，從代碼創(chuàng )建的角度來(lái)看，未來(lái)幾年生成式人工智能（Gen-AI）將在PLC中發(fā)揮更大的作用。具有精心集成的AI支持工具的開(kāi)發(fā)環(huán)境可以幫助用戶(hù)，甚至是該領(lǐng)域的新手，基于庫和經(jīng)過(guò)驗證的代碼開(kāi)發(fā)有用的自動(dòng)化邏輯。作為一種開(kāi)發(fā)工具，AI可以幫助加快開(kāi)發(fā)速度，提高代碼可靠性，并最大限度地減少冗余或重復勞動(dòng)。

6. 未來(lái)的PLC是自動(dòng)化平臺的一部分

在接下來(lái)的十年里，我們所熟悉的PLC肯定不會(huì )消失，但它們有可能被稱(chēng)為PAC、邊緣控制器、自動(dòng)化平臺或其它名稱(chēng)。沒(méi)有一種控制器技術(shù)可以勝任所有價(jià)位的所有應用需求。

PLC將繼續根據可用技術(shù)和用戶(hù)需求而不斷發(fā)展，就像過(guò)去幾十年一樣。首要任務(wù)是提供實(shí)時(shí)控制和可靠監控，但它們將添加更好的編程和連接功能，以改善用戶(hù)體驗，實(shí)現更快速的項目交付。

本文來(lái)自于控制工程中文版雜志（CONTROL ENGINEERING China）2024年10月刊《技術(shù)文章》欄目：未來(lái)十年PLC的發(fā)展趨勢

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