e-works在線學(xué)院邀請我再把2022年《PLC早已不是那個PLC》的課程升級，并和大家作在線分享，目前在線和回放已經(jīng)有2000人次，且有觀眾提出的20多個問題。我最關(guān)注的是觀眾提問，不管是在線的還是線下的，因為人們提出的問題往往會超越演講者思考的視角，這也讓我能夠重新審視和組織內(nèi)容，因此，本文將對這些問題進(jìn)行概要性的整理和分享，以期進(jìn)一步帶領(lǐng)大家思考PLC技術(shù)的發(fā)展趨勢。文章轉(zhuǎn)載自“說東道西”微信公眾號。

　　文/宋華振

　　1 PLC是做邏輯控制的嗎

　　即使到了2024年的今天，“PLC是做邏輯控制的”，這一概念似乎對于很多人而言仍是一種根深蒂固的認(rèn)識，以至于在立志改變世界的人眼里，PLC只能做邏輯控制、不能做高級算法，談及工業(yè)總線就是RS485、CAN、Modbus等古董級技術(shù)需要被改變……他們甚至認(rèn)為這意味著巨大的機(jī)會。幾年前我經(jīng)常聽到做工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的、來自IT的專家們總是強(qiáng)調(diào)這些，我就問他們何以如此執(zhí)念這些說辭——他們說自己也認(rèn)真學(xué)習(xí)了大學(xué)關(guān)于PLC的教材。一聲嘆息，我說：你們看的教材大部分都還停留在20年前。

　　其實，PLC執(zhí)行計算任務(wù)采用高級語言編程，這樣的控制器在30多年前就已經(jīng)有了。就拿貝加萊的PLC來說，早在80年代就運行OS9基于優(yōu)先級的一套操作系統(tǒng)，采用MC68000處理器，可以運行BASIC解釋器編寫算法;到了90年代，就已經(jīng)采用了pSOS+的定性分時多任務(wù)操作系統(tǒng)(該技術(shù)所在公司被WindRiver收購并融入VxWorks)，之后硬件從MC68K轉(zhuǎn)到Intel X86，其實這兩個CPU都有對應(yīng)的協(xié)處理器可以處理浮點運算。

　　圖1 貝加萊黑色系列與藍(lán)色系列PLC

　　還有就是另一個現(xiàn)在似乎已經(jīng)銷聲匿跡的公司叫SoftPLC，我記得2003年，和當(dāng)年的老搭檔Eric為昆山正新橡膠開發(fā)過一套超過100多臺硫化機(jī)的集群管理項目。當(dāng)時Eric就用Java編程——使用的CPU印象中是一個Pentium II 266MHz的處理器，這個CPU可以運行JVM(Java Virtual Machine-Java虛擬主機(jī))，想想也是20多年前的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)項目了。印象中這個公司的介紹還挺拗口的——SoftPLC是SoftPLC公司在SoftPLC平臺上開發(fā)的名為SoftPLC的SoftPLC……

　　所以，PLC局限于邏輯任務(wù)，從歷史來看，在30年前就已經(jīng)被改變了。

　　2 PLC的新概念意味著什么

　　世界總是這么有趣的兩極分化，一方面，很多人還認(rèn)為PLC僅能做邏輯控制，而另一方面，另一批人則開始為新的PLC概念而技術(shù)熱情高漲。比如SoftPLC、云PLC、AI PLC、虛擬PLC，甚至有人問有沒有GPT PLC……，這不是正在說明PLC與時俱進(jìn)地在改變嗎?

　　PLC新概念都在試圖告別傳統(tǒng)PLC，并一致將矛頭對準(zhǔn)了原有PLC的各種弊端，比如不能用開放的語言編程，不能進(jìn)行計算任務(wù)，充滿著要與PLC割裂的決心，但又很矛盾，因為他們還叫PLC，只是加了一些前綴。

　　SoftPLC區(qū)別于傳統(tǒng)硬PLC的直接硬件資源操作，它出現(xiàn)在CPU、RAM既快又便宜了——配上高精度時鐘，加載實時操作系統(tǒng)以及為系統(tǒng)配置高速高精度時鐘。一種是采用Windows+RT擴(kuò)展，或直接采用像VxWorks這樣的RTOS，這個架構(gòu)其實在機(jī)器人系統(tǒng)里也比較普遍。在新的CNC架構(gòu)里也是如此，將傳統(tǒng)的CNC專用型硬件拆解為通用PC+RTOS，如RT-Linux或Windows+RT擴(kuò)展的方式，代替?zhèn)鹘y(tǒng)專用的CNC系統(tǒng)。

　　云PLC將PLC部署在云端、虛擬PLC借助于今天高性能處理器的多核及軟件部署，可以把Runtime運行在多個核上——這兩者其實都是考慮了性價比的問題。因為云資源的確成本低，而把多個Runtime部署在一個多核處理器，本身也是一個好辦法——但是，這里主要考慮的還是可靠與穩(wěn)定性問題。關(guān)于這個問題，之前和e-works黃博士交流過虛擬PLC這一趨勢，我也向彭瑜老師請教過，他覺得技術(shù)上當(dāng)然是可行的，也具有經(jīng)濟(jì)性，但這又意味著把所有雞蛋放在同一個籃子里;而設(shè)計分布式系統(tǒng)時，就考慮過降低系統(tǒng)風(fēng)險而采用了分布式。因此，在計算任務(wù)上，這樣的處理方式可以被理解，但當(dāng)出現(xiàn)強(qiáng)實時性時，這種架構(gòu)就會變得有風(fēng)險。

　　圖2 虛擬PLC架構(gòu)

　　AI PLC其實也是同樣道理，增強(qiáng)PLC的AI能力，這個也是可以實現(xiàn)的——既然PLC都已經(jīng)并不局限于嵌入式本身，而可以將SoftPLC運行在PC的Windows+實時擴(kuò)展或RT-Linux上，那么，在這個架構(gòu)上增強(qiáng)AI能力——因為AI就其實現(xiàn)而言，就是軟件，也并不是不可以的。例如，把AI加速器部署在PCIe的插槽上，可以用Linux任務(wù)對其進(jìn)行處理——而實時任務(wù)與非實時任務(wù)結(jié)合，這個在底層硬件上可以通過CPU多核間的虛擬以太網(wǎng)來實時完成通信，調(diào)度機(jī)制則由操作系統(tǒng)來實現(xiàn)。

　　周期性任務(wù)與事件驅(qū)動型任務(wù)，在這里完全可以被耦合——這通過開發(fā)工具平臺的配置即可完成，也是工業(yè)軟件里的一個重要環(huán)節(jié)，包括像Portal、Automation Studio、TwinCAT、Logix等。

　　這些PLC的新概念主要還是聚焦了數(shù)據(jù)類任務(wù)的處理需求上，但是，這些與實時任務(wù)完全可以通過現(xiàn)有的架構(gòu)硬件擴(kuò)展或通信接口連接的軟方式來實現(xiàn)。對于傳統(tǒng)PLC廠商而言，這些都已經(jīng)在研發(fā)或?qū)嶋H應(yīng)用中。這里需要提醒的是，傳統(tǒng)PLC廠商從來沒有停下來發(fā)展的腳步，只不過似乎聲音沒有IT廠商那么大，因為，解決問題是第一要務(wù)。

　　3 IEC61499會取代61131嗎

　　盡管我對IEC61499不是那么了解，但在2018年，交大的戴老師作為這項IEC標(biāo)準(zhǔn)的制定專家之一，曾經(jīng)滔滔不絕地給我描述過IEC61499的好處，作為邊緣計算的一個實現(xiàn)方案，IEC61499的確在這個層級的業(yè)務(wù)編排方面有很大的優(yōu)勢。

　　IEC61499并非設(shè)計為取代IEC61131，IEC61499是一種面向事件驅(qū)動型任務(wù)的系統(tǒng)建模語言，側(cè)重于定義每個結(jié)構(gòu)組件中的語義。IEC61131更多在集中式控制的周期性任務(wù)編程語言方面。因此，這種“取代”在邏輯意義上無從談起——可以理解為IEC61131組成的機(jī)器，在構(gòu)成一個產(chǎn)線這一層的時候，標(biāo)準(zhǔn)語言是缺乏的，因此，才產(chǎn)生了IEC61499這樣的需求。任何技術(shù)都得看需求來源，IEC61499更多來自于集成后對全局性的協(xié)作任務(wù)處理的需求。而IEC61131主要由PLC作為集中控制中心，把單機(jī)內(nèi)部進(jìn)行了全局的控制協(xié)作，而機(jī)器之上的產(chǎn)線級又需要另一種編程語言來實現(xiàn)。

　　這兩者更多是互補(bǔ)的關(guān)系，IEC61499的協(xié)作用于調(diào)度任務(wù)的編排，然后有了協(xié)作的“結(jié)果”輸出，這些可以發(fā)送給下面的機(jī)器執(zhí)行，因此，IEC61499和IEC61131之間也可以通過OPC UA來交互任務(wù)，這樣可以實現(xiàn)計算任務(wù)和控制任務(wù)的融合——它們不是取代關(guān)系，而是更好的協(xié)作關(guān)系。

　　當(dāng)然了，無論是IEC61131-3，還是IEC61499，都不是唯一性的選擇。編程并非不是IEC61131、就是IEC61499，比如即使在IEC61131較多應(yīng)用的時候，還是有工程師更愿意用C/C++編程。這很正常，不用IEC61499，也可以用Java、Python……這種技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)，它是一個生態(tài)的問題，如果生態(tài)里大家都用這個規(guī)范，那對應(yīng)這方面的人才就比較多，支持的廠商也比較多，就會比較經(jīng)濟(jì)。當(dāng)然了，工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)都來自于工業(yè)領(lǐng)域的企業(yè)根據(jù)自身的特殊場景而設(shè)計的——對于適配性就會更好，但也不意味著對用戶而言，就是唯一的選擇。

　　4 PLC與DCS有哪些主要區(qū)別

　　其實，PLC與DCS不大容易被混淆——實際上，PLC是一套嵌入式系統(tǒng)，即，開發(fā)主機(jī)和運行對象并不是在一個平臺，而DCS的開發(fā)和運行其實是可以在一套系統(tǒng)里的(如開發(fā)在Linux，運行在Linux)。嵌入式系統(tǒng)自己就有操作系統(tǒng)，也有BIOS處理，以及自己的任務(wù)調(diào)度和處理機(jī)制。而DCS一般運行在Windows/Unix/Linux系統(tǒng)上，DCS更多的是指軟件層面，包括開發(fā)的工程服務(wù)器、數(shù)據(jù)服務(wù)器、操作員站、現(xiàn)場控制器——儀表采集、DCS的閉環(huán)處理、到現(xiàn)場的調(diào)節(jié)閥、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的執(zhí)行等。

　　DCS主要處理的是連續(xù)型任務(wù)的流程工業(yè)，它的Know-How包括工藝閉環(huán)控制，都在主機(jī)上，而且在多回路間的相互關(guān)系也在主機(jī)上進(jìn)行解耦……。DCS一樣需要針對具體的應(yīng)用場景做工藝的迭代，使得其能夠響應(yīng)環(huán)境變化，確保控制的精度、響應(yīng)。但是PLC實際上也可以在流程工業(yè)中被應(yīng)用，因為流程工業(yè)領(lǐng)域并不完全是流程處理，包括現(xiàn)場執(zhí)行器也有很多離散執(zhí)行的場景，還有很多前道流程、后道離散的場景。

　　4 如何看待開源PLC

　　有朋友問：如何看待開源PLC的現(xiàn)狀和前景?是否在可預(yù)見的未來以閉源為主?——開源的PLC主要指的是借助于開源社區(qū)資源來構(gòu)建PLC的技術(shù)架構(gòu)，這里包括以下幾個層面：

　　(1)開源硬件，比如Ardino、樹莓派這類開源硬件：是否可用，當(dāng)然對于IIoT非實時控制我想目前沒有問題，至于是否可以被應(yīng)用于控制器，那就滿足控制器在穩(wěn)定可靠方面的設(shè)計需求，認(rèn)證通過即可;

　　(2)開源RTOS，像RT-Linux，但這會需要根據(jù)實際需求來裁剪;

　　(3)開源的開發(fā)平臺，像Eclipse，可以作為一個開源的工程平臺來集成各種應(yīng)用;

　　(4)開源的應(yīng)用類軟件，如ROS、openCV視覺方面的庫，這方面繼承開源思想的主體IT企業(yè)可能在HMI設(shè)計、機(jī)器視覺方面會有開源的資源可用，但在垂直行業(yè)的應(yīng)用方面，仍然需要自己來封裝。

　　開源還是閉源，這里有個關(guān)鍵問題是“責(zé)任問題”，如果開源給你用，那代碼的提供者就不需要承擔(dān)因此造成的安全、穩(wěn)定性方面的風(fēng)險了。而自動化企業(yè)可以借助于開源技術(shù)，但當(dāng)你開發(fā)成為商業(yè)產(chǎn)品進(jìn)行銷售時，在法律意義上，你就需要承擔(dān)因此帶來的后果，例如造成宕機(jī)、故障所需的服務(wù)，總不能說我用了開源技術(shù)，所以，我不承擔(dān)這個后果——那你就別當(dāng)做產(chǎn)品銷售。

　　第二個問題是“商業(yè)保密”，如果工業(yè)Know-How都開源，那企業(yè)自身的商業(yè)價值是什么?因此，開源PLC，只是說它采用了開源技術(shù)，但不代表它的技術(shù)也是開源的。

　　5 PLC如何與5G技術(shù)結(jié)合

　　5G技術(shù)與PLC的融合方式，如果在PLC集成5G模塊，顯然會增加PLC的成本，因此，在IEEE的方案就是采用TSN作為前傳網(wǎng)絡(luò)。目前，在歐洲由3GPP和IEC等組織在進(jìn)行著5G與TSN網(wǎng)絡(luò)的融合方案，5G將作為TSN的虛擬橋進(jìn)行設(shè)備的連接。

　　圖3 5G與TSN網(wǎng)絡(luò)的時鐘同步計算架構(gòu)

　　圖3為5G/TSN的時鐘同步方案架構(gòu)，對于通信而言，5G需要解決包括帶寬、丟包率、抖動、時鐘同步及精度等一系列問題。因此，由ACIA組織來自移動通信、自動化領(lǐng)域、用戶端的廠商共同推進(jìn)5G的傳輸方案。移動網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢和缺點其實是一樣的明顯，因此，必須結(jié)合工業(yè)場景，在控制系統(tǒng)中集成5G，另外成本的經(jīng)濟(jì)性也是需要跨越的。

　　把5G集成到PLC上，還是說用一個盒子(交換機(jī))，將TSN有線和5G發(fā)射集成在一起，作為一個“橋”——可能更多的人還是愿意選擇一個盒子，畢竟很多個PLC作為終端節(jié)點匯集到TSN/5G交換機(jī)，這樣就一個車間一個5G節(jié)點，否則，每個PLC帶一個5G通信口，這樣成本還是有點高。

　　5 PLC可以與AI集成嗎

　　顯然，這是可以的，對于PLC來說，AI與PLC的集成，訓(xùn)練和推理是兩件事情，訓(xùn)練仍然需要較大的算力，但部署算法則并不需要較大的算力。

　　之前，個人認(rèn)為AI需要大算力，在工業(yè)里缺乏經(jīng)濟(jì)性，但是，記得幾年前在家附近園區(qū)里散步，晚上總看到一個在做測試的移動臺子，就很感興趣地和一個工程師聊，他說在做安防系統(tǒng)的夜間視覺測試，我想那些攝像頭才200塊錢，怎么就這么智能呢?他告訴我這個訓(xùn)練是要大數(shù)據(jù)訓(xùn)練，但形成的判斷模型則不需要較大的算力，普通攝像頭就可以了。這個事情讓我茅塞頓開，訓(xùn)練與推理自然是可以被分離的，當(dāng)然，這需要離線升級算法包。

　　那么，對于PLC與AI結(jié)合的算力考慮就可以放在本地推理上的算力需求上。而在實際的自動化系統(tǒng)里，目前視覺的數(shù)據(jù)量較大——那么AI的問題就簡化為對視覺的處理。這個處理方案有兩種，一種是基于PC的圖像處理，就是把PC的算力用來進(jìn)行信息處理。另一個就是直接在視覺上嵌入AI能力，以硬件方式來處理數(shù)據(jù)，采用FPGA或?qū)Ｓ玫腁I芯片——這里的問題就是視覺處理與自動化系統(tǒng)的集成問題。

　　在貝加萊的機(jī)器視覺中，即將推出的就是采用了26TOPS的AI處理器，內(nèi)置深度學(xué)習(xí)模型，以及快速的處理信號，并可以將分析結(jié)果與自動化系統(tǒng)通過實時通信來實現(xiàn)同步。

　　6 PLC與邊緣計算能夠集成嗎

　　邊緣計算的概念慢慢的火起來了——這里指的不僅僅是概念，而是現(xiàn)實應(yīng)用的需求真正出現(xiàn)了。

　　既然我們認(rèn)為PLC已經(jīng)可以做高級算法，又有大的數(shù)據(jù)處理能力——那么，作為一個嵌入式邊緣節(jié)點也是可以的。另外如果PC+PLC被集成在一起，那作為一個邊緣節(jié)點也可以。如果一個PC服務(wù)器作為邊緣計算節(jié)點，那它也需要與現(xiàn)場任務(wù)進(jìn)行交互，采集數(shù)據(jù)并下發(fā)指令。

　　因此，AI PLC、云PLC、虛擬PLC都是為了能夠?qū)I的計算任務(wù)與控制的實時任務(wù)相結(jié)合。由于AI、云PLC設(shè)計思想都是在邊緣側(cè)，通常邊緣計算主要處理全局性的協(xié)作類、優(yōu)化、調(diào)度、策略性任務(wù)，因此，以PLC、SoftPLC、云PLC、虛擬PLC作為一個邊緣計算的實現(xiàn)方案，也并非不可以。

　　7 PLC最新技術(shù)趨勢有哪些

　　PLC本身來自于需求的演變和橫向技術(shù)的融合——這也是系統(tǒng)創(chuàng)新的兩個“抓手”。要了解技術(shù)的趨勢，其實，關(guān)注市場的需求、橫向科技的發(fā)展則更為關(guān)鍵。

　　從需求側(cè)來說，未來控制器更為強(qiáng)調(diào)開放性，這在過去的數(shù)十年均是如此——它主要源于整個制造的集成度更高的發(fā)展需求。因此，必須打破縱向邊界，讓PLC融入到數(shù)字化的系統(tǒng)中，但是，PLC是一個非常關(guān)鍵的數(shù)據(jù)節(jié)點，它作為機(jī)器控制的中心，也是一個數(shù)字化系統(tǒng)架構(gòu)的數(shù)據(jù)節(jié)點。

　　(1)通信增強(qiáng)數(shù)字化融合能力

　　PLC本身的通信能力集成，使得分布式架構(gòu)更為通暢，OPC UA FX扮演了這個重要的角色，無論P(yáng)LC的控制部分被部署在嵌入式對象上，還是PC、云端、虛擬架構(gòu)下，那么，它對于通信的能力就會增強(qiáng)。OPC UA FX解決了同聲翻譯的問題，F(xiàn)X包括TSN/5G/WIFI-6，它解決的是“同聲”，而OPC UA則解決語義互操作中的“同語言”的問題。

　　圖4 OPC UA FX保障數(shù)據(jù)的高速傳輸

　　因為云PLC、虛擬PLC、AI PLC各種新概念的出現(xiàn)，它依然依賴于連接從底層傳感器到云端的鏈路，這時無論是采用有線的TSN，還是無線的WIFI6/7，或5G，都是需要通信提供連接支持的。而另一方面，為了在軟件層面實現(xiàn)數(shù)字化設(shè)計、運行、分析與決策系統(tǒng)的端到端連接，語義交互的規(guī)范接口也是必須的，因此，OPC UA FX正是為了這類場景而設(shè)計的。

　　(2)AI加持讓機(jī)器更“聰明”

　　AI的意義在于它會讓機(jī)器更“聰明”——這與基于規(guī)則和安全值的控制不同，傳統(tǒng)機(jī)器設(shè)計了簡單的控制規(guī)則，包括過去大規(guī)模生產(chǎn)下，對于工藝參數(shù)本身都是通過“試湊”的方式來進(jìn)行。但當(dāng)個性化需求越來越普遍、頻繁的更換作業(yè)時，就會遇到參數(shù)如何降低開機(jī)浪費的問題，那么就需要通過物理建模構(gòu)建整個控制策略，但對于模型的精度而言，需要數(shù)據(jù)來收斂，這就可以基于歷史數(shù)據(jù)來分析并做出收斂，來獲得參數(shù)的最優(yōu)組合。機(jī)器會不斷去訓(xùn)練，它會越來越“聰明”。

　　(3)編程語言的演進(jìn)

　　PLC作為一種設(shè)備，它的開發(fā)必須響應(yīng)快速的變化。因此，它本身作為一個設(shè)備，對它的應(yīng)用開發(fā)工具而言，越簡單越好，至于是用低代碼，還是生成式編程，都是可以作為選項去不斷發(fā)展成熟的。

　　在未來，可以想象，并不需要采用IEC61131，你可以采用更為靈活的編程語言，甚至自然語言的編程，也并非不可能——因此，這些需求結(jié)合橫向技術(shù)，為PLC賦予了更多的可能性——至于它是否還叫PLC，則并不重要。

　　8價值競爭，才是自動化的關(guān)鍵

　　歸根結(jié)底，自動化的價值并不在PLC本身，而是加載在PLC上的工程集成能力、工藝Know-How封裝，以及由此帶來的機(jī)器和產(chǎn)線的品質(zhì)、效率與快速交付能力。因此，討論P(yáng)LC本身孰優(yōu)孰劣本身的意義并不大，縱觀整個自動化業(yè)界的競爭力，在多年以來都已經(jīng)不在產(chǎn)品本身，而在于整體工程能力。

　　產(chǎn)品之外的價值更為重要，對于自動化廠商而言，競爭力來自以下幾個方面：

　　(1)平臺的能力

　　不管誰家的PLC，其實都是需要由平臺來對對象進(jìn)行集成，并根據(jù)機(jī)器的開發(fā)流程來進(jìn)行全流程的服務(wù)集成。這就需要平臺具有高的開放性，PLC向云、AI方向發(fā)展，是讓開放世界的更多資源能夠被高效地與控制相集成。

　　今天，人們討論工業(yè)軟件時，主要聚焦在CAD/CAE上，其實，集成開發(fā)平臺像Automation Studio、Portal、Logix、TwinCAT等，同樣是非常關(guān)鍵的工業(yè)軟件。只是這容易被忽視，但它關(guān)乎集成的難易度、深度(算法設(shè)計)、廣度(開放資源的集成度)等多個維度的考量。并且，作為一種持續(xù)的創(chuàng)新平臺工具，它會將歷史積累的知識以APP形式封裝，被調(diào)用——這是PLC真正的價值所在。工業(yè)軟件的本質(zhì)就是知識的復(fù)用，而這才是核心中的核心。

　　(2)工程能力

　　PLC廠商單純依靠銷售產(chǎn)品已經(jīng)不再能夠成為企業(yè)的競爭力。通過工程集成將機(jī)電對象組織為一個高效的機(jī)器，這種結(jié)合傳動、邏輯、工藝算法、AI的算法集成，其中包括從建模仿真、代碼開發(fā)、測試驗證、遠(yuǎn)程診斷與維護(hù)等，整個完整的工程服務(wù)能力，才是現(xiàn)在自動化廠商的核心競爭力。

　　(3)工程師的競爭

　　而在這些軟件、工程能力的背后，則是人才的競爭。無論前端的銷售，還是研發(fā)的工程師、應(yīng)用開發(fā)、現(xiàn)場調(diào)試、維護(hù)——工程師在其中的角色已經(jīng)不是過去PLC僅做邏輯年代那么簡單?？刂葡到y(tǒng)的復(fù)雜性來自于機(jī)器和制造本身的復(fù)雜性。工程師的認(rèn)知、規(guī)劃與設(shè)計、動手能力、協(xié)作、溝通能力，成為了項目實施的基礎(chǔ)保障。

　　因此，PLC早已不是那個PLC，自動化行業(yè)也早已不是大家理解中的自動化行業(yè)——它已成為了關(guān)乎整個產(chǎn)業(yè)高效發(fā)展的重要一環(huán)。