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杭州電子科技大學計算機學院副院長、教授 鄔惠峰

可編程邏輯控制器（PLC）經過五十余年的發展，從最初的邏輯控制發展到了集運動、網絡、安全、智能等功能為一體的復雜控制系統，廣泛應用于高鐵、航空航天、核電、機器人、高端裝備等關系國家安全和經濟命脈的重要領域。長期以來，我國PLC核心市場被西門子、羅克韋爾、三菱電機等國外品牌壟斷。把握PLC未來發展的重要趨勢來指導攻克其中的核心技術，將是破除PLC“卡脖子”的關鍵，也是我國從工業大國向工業強國轉型不可或缺的基石。

1　硬件高性能異構化

PLC是第三次工業革命的典型代表之一。它由早期的繼電器邏輯電路、微處理器再到微控制器發展而來。1969年，美國MODICON公司研制出了世界上第一臺可編程邏輯控制器。早期的PLC為提高資源利用率都針對芯片定制運行時來執行PLC程序，并且運行時直接執行在硬件上。隨著芯片技術的發展，PLC系統逐漸引入了FPGA、DSP等高性能芯片^{[1] [2] [3]}，并開始將運行時執行在RT-Linux、VxWorks、WindowsCE等操作系統上。近年來，PLC開始趨向于使用類似手機的片上系統（SoC），例如高通的Snapdragon，英偉達的Tegra以及英特爾的Altera。典型的Altera SoC由英特爾聯合3S、EXOR、Barco-Silex公司專門針對PLC設計開發，該芯片集成了雙ARM核心和一個FPGA核心，原生嵌入了3S的支持IEC61131-3標準的運行時和EXOR的人機界面軟件，也實現了EtherCAT、CANopen等工業總線協議棧。

目前，智能制造、工業4.0等技術革命對PLC中圖像處理、人工智能等非實時算法有巨大需求，推動了PLC的發展。圖像處理方面，典型的有歐姆龍近年推出的FZ5系列^[4]和FH系列^[5]圖像處理系統，它們可通過總線方式和PLC相連并交互處理結果。人工智能方面，西門子在2018年12月首先推出了一款集成了人工智能（AI）芯片的全新模塊（TM NPU）^[6]。

2019年11月，羅克韋爾發布了支持機器學習的分析模塊LogixAI^[7]。該模塊可直接裝入控制器機架內，并通過背板總線以數據流形式傳輸控制器采集的數據，以便構建預測模型。目前LogixAI主要應用在異常檢測和軟傳感器領域。同年，歐姆龍推出了NX和NY兩個系列人工智能控制器^[8]。控制器在控制功能的基礎上搭載了特有的AI功能單元，該單元能夠通過運行Sysmac軟件功能庫中的AI模組，對與應用目標相關的對象數據進行采集和記錄，并基于預設的應用模型，支持設備行為的歷史趨勢分析、機器異常預測等。

這些通過總線擴展的圖形圖像和人工智能模塊，解決了PLC受限資源無法執行復雜算法的困境，極大拓展了PLC的應用領域。然而，現場操作技術（OT）工程師對這些基于信息技術（IT）開發的模塊接受困難，一時間難以在制造業廣泛使用。因此，PLC還需要繼續向高性能的超多核心以及更加廣泛和深入融合FPGA、GPU、NPU等的硬件架構形式發展，從而支撐復雜邏輯、運動、圖像處理、人工智能等相融合的應用，這是未來PLC發展的一個重要趨勢。

2　系統的統一開放架構

五十年前，硬接線繼電器邏輯被梯形圖取代。這種語言對于在繼電器邏輯中成長的技術人員和工程師來說，容易接受和使用，但它有一些限制，特別是在過程控制和數據處理方面。因此，1993年發布的第一版國際標準IEC61131-3^[9]中，就規定了三種圖語言：梯形圖（LD）、功能塊圖（FBD）、順序功能圖（SFC），以及兩種文本語言：指令表（IL）和結構化文本（ST）。其中，梯形圖由于其更接近繼電器邏輯，一直占據著邏輯控制的主流；順序功能圖更適用于過程控制；結構化文本適合數據操作和算法實現；指令表更接近機器指令，常作為編譯到二進制的過渡；而功能塊圖通過支持代碼圖形化封裝和嵌入達到減少了代碼量的目的，是統一化編程的重要形式。可見，從IEC61131標準開始，PLC就向著統一化方向發展，這給OT工程師提供了便利。

隨著Profinet、EtherCat、PowerLink等總線技術的不斷發展，在應用上PLC也從過去的邏輯控制，向著運動控制、人機界面（HMI）、遠端I/O，甚至是圖形圖像處理和人工智能算法等融合的方向發展。結合5G以及時間敏感網絡（TSN）、OPC/UA、MQTT等通信協議和技術的發展，為分布式控制、智能群體控制、云邊協同控制打開了大門。通用電氣的Predix、西門子的MindSphere、施耐德電氣的EcoStructure、ABB的Ability、航天科工的航天云網、海爾的COSMOPlat、三一集團的樹根互聯等工業互聯網平臺的蓬勃發展，已經使得制造業裝備網絡化初具規模，從下到上PLC、MES、ERP、工業互聯網平臺正在被全面打通。

進一步，各領域包括工業互聯網、大數據、智能運維、云計算、霧計算、邊緣計算、超5G、信息物理系統、數字孿生、元宇宙等新概念和技術每天都在產生和變革。這種發展趨勢下，PLC擁抱統一開放架構來高效地融入新技術將成為未來發展的必然趨勢。從國際上看，有兩大團體分別提出了統一開放架構的解決方案：

（1）美國開放流程自動化論壇（OPAF）倡導的開放自動化標準^[10]。它通過軟硬件解耦建立可互操作、內生信息安全的分布式控制節點（DCN）并打通其上層的HMI、SCADA和MES，最終融合PLC、DCS、HMI和MES等形成開放統一架構。

（2）德國NAMUR倡導的開放自動化主流是NOA（NAMUR Open Automation）^[11]。NOA以原有的PLC、DCS、HMI等作為核心，在盡量保留這些系統的基礎上，基于OPC/UA構建的數據通道建立一個可進行全局監控和優化（即M+O）的工業IT系統，來彌合IT和OT之間的鴻溝，拓寬和統一現有的控制系統。

PLC中統一開放架構的實踐主要體現在平臺軟件。這方面德國3S公司的Codesys占據了世界大部分市場，他們一直在工業4.0云平臺、工業物聯網、信號處理等開放支持方面進行探索^[12]。國內也齊頭并進，在前沿領域進行研究，杭州電子科技大學的CASS平臺已經形成了邊云協同開發、異構多任務同平臺開發、知識驅動的感知-接入-融合開發等方面的理論和功能^[13][14][15]。

3　新技術融合

由于PLC硬件向高性能異構化發展，軟件趨于統一開放架構，使得虛擬化技術、人工智能、5G、數字孿生、知識圖譜和區塊鏈等前沿技術在PLC中應用有了廣闊空間。

（1）虛擬化技術

虛擬化技術已經在云計算中廣泛使用。針對資源受限的邊緣節點，微軟Azure IoT Edge、Balena的BalenaOS和亞馬遜AWS IoT Greengrass等也提供了基于容器的解決方案。同時Docker的Docker Swarm、加州大學伯克利分校的Mesos和華為的KubeEdge都提供了容器的編排方法。這些虛擬化技術的運用使得對接入物聯網的資源形成了柔性化的管理方案，是物聯網發展的重要技術支撐。然而，出于實時性和可靠性的考慮，作為物聯網重要一員的PLC和一般物聯網中的節點還是有很大差別，因此研究PLC的虛擬化和編排是一個重要方向。

（2）人工智能

近年來人工智能技術呈現爆發式發展，無論是PLC商業化產品還是理論研究都大量融入了人工智能的應用。無疑，PLC對人工智能的支持會是智能制造變革的關鍵。然而，現有的成熟方案仍然以通過總線方式來擴展特殊功能模塊為主，失去了PLC化開發的便捷性和統一性。同時，由于人工智能大都采用IT技術，使得熟悉PLC的OT技術人員無法快速適應應用需求，這嚴重阻礙了PLC中智能應用的普及。因此，研究人工智能在PLC中的原生支持將是未來發展的重點。

（3）5G和6G

5G的普及已經有一段時間，然而主要還停留在移動通信中，在制造業中的推廣應用才剛起步。國際組織5G工業自動化聯盟（5GACIA）正聯合各家單位，致力于制定適合工業應用的標準以及產業化推廣方案。5G低延時高可靠、大覆蓋范圍和海量接入的特性，以及未來6G提升到空天地海一體、人機物靈充分聯合的能力，將是未來智能制造不可或缺的部分，而PLC在5G/6G支持下的大范圍的動態感知、協同控制、智能應用等將是其中重要的落地之舉。

（4）數字孿生

數字孿生（或者說制造業的元宇宙），為未來復雜應用提供了廣泛試錯、生產優化、故障預知等能力。作為制造業裝備控制的主流，如何提供PLC的數字孿生來映射實際生產的應用、運行時、環境等并結合5G、人工智能等技術形成實時在線/離線虛擬空間裝備控制，將是數字孿生的重要一環。

（5）知識圖譜

2019年，國際標準IEC61131-10頒布^[16]，標志著PLC經過30年發展，已經從對語言層面的關注上升到描述層面。IEC61131-10標準對PLC程序的交互進行了形式化描述，使得符合標準的平臺不但編程語言是一致的，連形成的程序也能跨平臺共享。在未來進一步開放統一的框架下，將描述層面上升到語義一致性規范會成為更為廣泛的需求。知識圖譜將在PLC應用語義一致性上大展身手。對5種語言以及在特定領域的特殊性、PLC框架、產生的數據、應用等的語義一致性描述，進而形成數據和代碼語義一致性交互、跨平臺代碼自動轉換、低代碼或者零代碼開發等技術，將是下一階段PLC關注的重要方向。

（6）區塊鏈

區塊鏈作為信息安全的前沿技術，已經在各個領域開展應用。然而，區塊鏈本身的大計算量、高存儲和能耗是和PLC資源受限相對立的，而分布式計算帶來的延時也無法滿足PLC對實時性的要求，然而隨著系統架構進一步向統一開放發展，PLC的工業互聯網接入、數據處理、控制等各個環節都需要安全保障。為解決這個沖突，以IoTA為代表的基于有向無環圖的輕量化區塊鏈技術^[17]，可能是PLC中區塊鏈應用的關注重點。

4　總結與展望

PLC廣泛用于裝備控制。硬件結構經過微處理器、微控制器發展， 已經開始趨向于融合GPU、FPGA、NPU等的高性能異構化。PLC系統架構隨著新技術的利好和沖擊，開始向著開放統一方向發展，典型的是以美國為主導的OPAF組織和德國為主導的NAMUR組織建議的兩大開放統一架構。隨著這些PLC軟硬件的發展，虛擬化技術、人工智能、5G、數字孿生、知識圖譜和區塊鏈等前沿技術和PLC的交叉研究將是未來PLC技術的制高點。

參考文獻：

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[3] Atalik T, Deniz M, Koc E, et al. Multi-DSP and-FPGA-based fully digital control system for cascaded multilevel converters used in FACTS applications[J]. IEEE transactions on Industrial Informatics, 2012, 8 (3) : 511 - 527.

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[6] SIEMENS. Siemens TM NPU [EB/OL]. https://cache.industry.siemens.com/dl/dl-media/877/109765877/att_980149/v6/139174211339/de-DE/index.html.

[7] ROCKWELL. FactoryTalk analytics LogixAI [EB/OL]. https://www.rockwellautomation.com/en-us/products/software/factorytalk/operationsuite/analytics-logixai.html.

[8] OMRON. Omron [EB/OL]. https://www.fa.omron.com.cn/data_pdf/cat/nx_ny_ai_controller_ds_c_1_2.pdf?id=3757.

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[16] IEC. IEC 61131-10 Standard – Programmable Controllers – Part 10: PLC open XML exchange format[S]. International Electrotechnical Commission: Geneva, Switzerland, 2019.

[17] IOTA. An Introduction to IOTA [EB/OL]. https://wiki.iota.org/learn/about-iota/an-introduction-to-iota.

作者簡介：

鄔惠峰（1978-），男，浙江平湖人，教授，博士生導師。現任杭州電子科技大學計算機學院（軟件學院）副院長，浙江省離散行業工業互聯網重點實驗室主任，工業互聯網智能控制系統浙江省工程研究中心主任，浙江省工業互聯網國際合作基地主任。百千萬人才工程國家級人選，國家有突出貢獻中青年專家，浙江省“萬人計劃”科技創新領軍人才。擔任國際電工協會（IEC）可編程系統工作組成員，全國工業自動化系統與集成標準化技術委員會（SAC/TC159）委員。其主要研究方向包括智能軟件、智能控制、嵌入式系統與可編程技術等。

摘自《自動化博覽》