原崇蛟,郭肖旺,貢春燕
(中電智能科技有限公司,北京 102209)
在風(fēng)電、水電、石油、管網(wǎng)等國家關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域,以及電子設(shè)備、汽車、電器、食品、醫(yī)藥、專用設(shè)備制造、化學(xué)原料及制品等智能制造領(lǐng)域,PLC控制系統(tǒng)正得到大量應(yīng)用,PLC控制系統(tǒng)成為工業(yè)自動化領(lǐng)域的“關(guān)鍵大腦”“神經(jīng)中樞”。隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、云計算、人工智能、大數(shù)據(jù)等新技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用,工控系統(tǒng)從“相對封閉”加速走向“開放互聯(lián)”。
工控系統(tǒng)為五層結(jié)構(gòu),從底向上依次為現(xiàn)場設(shè)備層、控制層、監(jiān)控層、管理層、決策層。設(shè)備層是執(zhí)行層,具有通信和控制能力,一般不具備或只具備簡單的智能;控制層是一系列具有可編程能力的智能終端,包括PLC、DCS、FCS、RTU、運(yùn)動控制器、HMI等,具有可編程、高可靠、強(qiáng)實時、多連接等特性;監(jiān)控層部署工業(yè)軟件;管理層通過5G、OPC UA等通信技術(shù),實現(xiàn)整個工業(yè)系統(tǒng)的縱向貫通,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通;決策層通過云計算、大數(shù)據(jù)、5G、AI等新技術(shù)融合,提供智能分析、協(xié)同管理等決策能力。本文重點(diǎn)分析控制層可編程終端的發(fā)展,未來發(fā)展進(jìn)程中,PLC控制系統(tǒng)也會在智能制造時代中向著安全可信、自主自控、智能化方向發(fā)展[1],通過與新技術(shù)的融合,PLC將發(fā)展成為新一代的可編程工業(yè)智能終端。
細(xì)數(shù)工業(yè)控制系統(tǒng)發(fā)展過程,工業(yè)生產(chǎn)自1952年由傳統(tǒng)電氣控制轉(zhuǎn)為模擬信號為主的單PID控制,1985年進(jìn)入現(xiàn)場總線為主的集散控制,發(fā)展到如今工業(yè)以太網(wǎng)為主的協(xié)同控制,已基本實現(xiàn)工業(yè)數(shù)據(jù)集成和數(shù)字化、信息化建設(shè)。在當(dāng)前工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時代,工業(yè)生產(chǎn)面臨管控范圍擴(kuò)大、接入點(diǎn)規(guī)模增加、智能總線信號比例提升、高級算法算力需求難以滿足等新挑戰(zhàn)。下一階段工業(yè)生產(chǎn)將建設(shè)面向多種控制需求的新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)以及工業(yè)數(shù)據(jù)復(fù)合應(yīng)用平臺,最終實現(xiàn)智能控制。在智能控制中,因具備高性價比、高可靠性、高易用性特點(diǎn),PLC通過加入分布式I/O、嵌入式智能、無縫通信等升級,得到了性能的提升和形態(tài)的改進(jìn)。通過工業(yè)軟件賦能,PLC將以工業(yè)智能終端的形式繼續(xù)活躍在工業(yè)自動化領(lǐng)域中。
隨著IT技術(shù)的發(fā)展,PLC的性能指標(biāo)從速度轉(zhuǎn)向安全性、可靠性、運(yùn)動控制、實時通信、數(shù)據(jù)處理、流程優(yōu)化、故障診斷等更加綜合的指標(biāo)[2]。本文分析PLC在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時代的發(fā)展趨勢,其技術(shù)發(fā)展特點(diǎn)總結(jié)為可編程、高可靠、強(qiáng)實時、多連接、高安全和智決策六個方面,如圖1所示。
圖1 PLC技術(shù)發(fā)展特點(diǎn)
軟件是信息系統(tǒng)技術(shù)與工控系統(tǒng)技術(shù)快速融合發(fā)展的支撐,工業(yè)軟件分為兩個類型:嵌入式軟件和非嵌入式軟件。嵌入式軟件是嵌入在控制器等設(shè)備中的軟件,具有采集、控制、通信等功能;非嵌入式軟件是裝在通用計算機(jī)或者工業(yè)控制計算機(jī)之中的設(shè)計、編程、工藝、監(jiān)控、管理等軟件[3]。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和智能制造推動了工業(yè)軟件的快速發(fā)展,通過工業(yè)軟件實現(xiàn)PLC的軟件定義、增加多系統(tǒng)之間的協(xié)同處理能力,增強(qiáng)其靈活性,通過工業(yè)網(wǎng)絡(luò)采集到大量的現(xiàn)場數(shù)據(jù),在云平臺集中強(qiáng)大的計算能力進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析,提升和優(yōu)化生產(chǎn)效率,使得控制系統(tǒng)越來越智能化。
2020~2021年中國頻繁發(fā)布多項政策支持工業(yè)軟件方面的發(fā)展和應(yīng)用,力爭盡快補(bǔ)齊工業(yè)軟件技術(shù)短板,可以預(yù)見工業(yè)軟件產(chǎn)業(yè)在“十四五”期間將迎來快速發(fā)展。根據(jù)“十四五”規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要,積極穩(wěn)妥發(fā)展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、加快補(bǔ)齊基礎(chǔ)軟件等瓶頸短板成為“十四五”時期的主要任務(wù)之一[4]。
工業(yè)控制系統(tǒng)對PLC的可靠性有較高的要求,一般PLC控制器的使用壽命在15~20年[5],且在使用過程中基本不停機(jī),其平均故障間隔時間長,故障修復(fù)時間短。隨著硬件技術(shù)的進(jìn)步,PLC采用嚴(yán)格的工藝制造過程,在屏蔽措施、濾波、故障電路、光電隔離等方面都有很成熟的設(shè)計方法,PLC的電磁兼容性、環(huán)境適應(yīng)性、可靠性等方面都能滿足復(fù)雜環(huán)境的應(yīng)用需求,另外,在軟件設(shè)計方面,也增加了功能安全等機(jī)制,保障其可靠工作。
PLC控制系統(tǒng)的實時性要求體現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)據(jù)采集、任務(wù)控制等方面,一般采用響應(yīng)時間來描述實時性指標(biāo),以微秒(μs)、毫秒(ms)、秒(s)等為計量單位。響應(yīng)時間越短,就標(biāo)志著系統(tǒng)的實時性越好[6]?,F(xiàn)代PLC選用嵌入式實時操作系統(tǒng)和工業(yè)以太網(wǎng)總線,可以實現(xiàn)微秒級任務(wù)控制、高精度低延遲、多任務(wù)協(xié)同并行處理能力,在運(yùn)動控制尤其是大慣量設(shè)備控制領(lǐng)域應(yīng)用較多。
隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和智能制造的發(fā)展,PLC系統(tǒng)逐漸走向開放化,也引入了以前在工業(yè)領(lǐng)域從未面臨的安全問題,自從2010年震網(wǎng)病毒爆發(fā)之后,攻擊者對工控系統(tǒng)不斷深入研究,攻擊花樣越來越多,攻擊手段也更加復(fù)雜,PLC作為工業(yè)生產(chǎn)的重要基礎(chǔ)性設(shè)備,面臨的安全問題更加突出,也日益成為遭受攻擊的目標(biāo)[7]。目前在工控系統(tǒng)中通過可信計算、密碼算法、身份認(rèn)證、深入檢測等技術(shù)進(jìn)行了安全防護(hù),但由于增加防護(hù)帶來的延遲將會影響控制系統(tǒng)的實時性,因此如何解決安全性和實時性之間的矛盾也是當(dāng)前研究的難點(diǎn)之一。
通過5G、OPC UA等通信技術(shù)的應(yīng)用,實現(xiàn)PLC控制終端數(shù)據(jù)直接與決策層交互的縱向通信能力。在智能化方面,通過PLC連接AI、機(jī)器視覺等設(shè)備,將智能化引入到終端中。通過本地服務(wù)器機(jī)房部署云化控制器、現(xiàn)場部署多協(xié)議網(wǎng)關(guān),可將現(xiàn)場傳統(tǒng)PLC接入云PLC,實現(xiàn)與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和云計算結(jié)合,借助云PLC具備的實時任務(wù)處理能力和大算力,以5 ms的連鎖響應(yīng)速度實現(xiàn)廠內(nèi)多控制系統(tǒng)間的協(xié)同控制、協(xié)同調(diào)度以及協(xié)同管理,為PLC和控制系統(tǒng)實現(xiàn)大數(shù)據(jù)賦能。工信部于2019年底印發(fā)《“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”512工程推進(jìn)方案》,文件要求到2022年,突破一批面向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)特定需求的5G關(guān)鍵技術(shù),“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”的產(chǎn)業(yè)支撐能力顯著提升[8]。
將人工智能應(yīng)用到工業(yè)自動化控制系統(tǒng)的應(yīng)用和發(fā)展中具有很強(qiáng)的可行性[9]。傳統(tǒng)工業(yè)控制系統(tǒng)在新型工業(yè)業(yè)態(tài)模式下存在以下問題:生產(chǎn)規(guī)模和工藝復(fù)雜度迅速提升,被控對象系統(tǒng)辨識和建模難度高;基于簡化機(jī)理模型的控制策略難以解決分布參數(shù)、非線性、時變、多變量耦合的復(fù)雜對象優(yōu)化問題;工業(yè)現(xiàn)場調(diào)試完全依賴調(diào)試人員的知識和經(jīng)驗。智能控制是一種模仿人類智能的控制方法,必須具有模擬人類學(xué)習(xí)和自適應(yīng)能力。工業(yè)控制系統(tǒng)在人工智能、機(jī)器視覺、AR/VR、大數(shù)據(jù)、云計算等技術(shù)加持下,可以實現(xiàn)基于大數(shù)據(jù)的機(jī)器學(xué)習(xí)能力,系統(tǒng)通過訓(xùn)練建立控制模型可以實現(xiàn)優(yōu)化控制。更進(jìn)一步,智能控制系統(tǒng)具備基于小數(shù)據(jù)集的知識遷移能力,使系統(tǒng)能在不確定情況下繼續(xù)工作。在大算力和大數(shù)據(jù)賦能下,實現(xiàn)軟測量、預(yù)測診斷、預(yù)測維護(hù)、實施優(yōu)化探索和柔性生產(chǎn)。
在工控自主市場方面,2019年中國工控行業(yè)控制系統(tǒng)市場規(guī)模為372.6億元,2020~2025年預(yù)計年增長率為10%~15%。自20世紀(jì)70年代引進(jìn)PLC以來,PLC在我國的應(yīng)用已有40多年的歷史,我國PLC本土品牌的發(fā)展卻一直步履維艱,國內(nèi)PLC市場外資品牌整體占比達(dá)90%[10],主要由西門子、三菱、歐姆龍、羅克韋爾等歐美和日系巨頭占據(jù),西門子在國內(nèi)PLC市場的綜合市占率超40%,第二大品牌三菱市占率14%,國產(chǎn)化率僅10%,而且國產(chǎn)品牌大都不是“國產(chǎn)芯”。面對新冠疫情對供應(yīng)鏈的巨大沖擊以及國際形勢潛藏的安全威脅,工業(yè)控制系統(tǒng)國產(chǎn)化替代需求日益迫切。
對國內(nèi)PLC市場進(jìn)一步細(xì)分,可以明顯看出因技術(shù)難度與應(yīng)用場景不同,大、中、小三型PLC市場呈現(xiàn)不同的競爭態(tài)勢,如表1所示。
表1 PLC市場特點(diǎn)比較
大型PLC市場頭部位置一直由羅克韋爾(Rockwell)占據(jù),其產(chǎn)品主要應(yīng)用在冶金、電力、交通等,產(chǎn)品需要具備強(qiáng)大的計算處理能力、控制能力和通信能力,用戶對其產(chǎn)品的安全性、可靠性和抗干擾性要求也比較高。另外,應(yīng)用大型PLC的場合一般來說工藝比較復(fù)雜,需要多樣和靈活的通信方式以及較好的網(wǎng)絡(luò)拓展能力,所以對大型PLC的網(wǎng)絡(luò)通信能力要求較高[10]。因此大型PLC具有較高的技術(shù)壁壘,是廠商競爭難度最大的領(lǐng)域。憑借產(chǎn)品優(yōu)勢羅克韋爾一度占有39.8%的國內(nèi)大型PLC市場份額。在自主安全提升到國家戰(zhàn)略的背景下,國內(nèi)品牌廠商陸續(xù)推出大型PLC產(chǎn)品,并在市場競爭中開始發(fā)力。以和利時公司為例,該公司2021年大型PLC市場份額增加0.4%,整體市場占比達(dá)4.9%,如圖2所示。
圖2 2021年大型PLC市場分布
中型PLC產(chǎn)品主要應(yīng)用于項目型市場,因此該市場是競爭格局最為集中的領(lǐng)域,而西門子(Siemens)憑借S7系列PLC產(chǎn)品占據(jù)國內(nèi)48.6%的市場份額,已成為中型PLC市場國內(nèi)第一大品牌。中型PLC應(yīng)用場景一般需要建立小規(guī)模的網(wǎng)絡(luò),因此通信能力和組建網(wǎng)絡(luò)的便利性成為中型PLC的技術(shù)發(fā)展趨勢。另外在OEM應(yīng)用中,由于采用中型PLC的應(yīng)用在OEM應(yīng)用中通常屬于高端應(yīng)用,機(jī)器的復(fù)雜程度較高,在PLC的CPU指令處理速度、程序容量、運(yùn)動控制精度、通信方式等方面有較高要求。這成為中型PLC技術(shù)發(fā)展的另一個趨勢[11]。國產(chǎn)中型PLC廠商方面,受益于電子、機(jī)床等行業(yè)國產(chǎn)化需求增長,匯川公司中型PLC市場份額增加0.6%,整體市場占比達(dá)2.8%,如圖3所示。
圖3 2021年中型PLC市場分布
小型PLC市場相對分散,國內(nèi)市場主要由西門子、三菱(Mitsubishi)、歐姆龍(Omron)等國外廠商占據(jù)優(yōu)勢地位,三家廠商合計占據(jù)國內(nèi)57%的市場份額,其中西門子依靠產(chǎn)品突出的性價比優(yōu)勢領(lǐng)先于三菱、歐姆龍,占有40.8%的市場份額。小型PLC產(chǎn)品主要應(yīng)用于電力電子、機(jī)械制造、汽車生產(chǎn)、環(huán)保文娛等行業(yè),要求產(chǎn)品集成度高、能耗低、經(jīng)濟(jì)易用,因其技術(shù)難度小、競爭壁壘相對較低,如臺達(dá)、信捷、匯川、合信等國內(nèi)品牌廠商近些年迅速崛起,已開始與國外廠商同臺競技,在市場上已占據(jù)一席之地。以信捷電氣公司為例,信捷的PLC業(yè)務(wù)從2011年的0.8億元提升到2021年5.16億元,年均復(fù)合增速達(dá)到20.49%,小型PLC市場份額達(dá)到6.6%,如圖4所示。
圖4 2021年小型PLC市場分布
國產(chǎn)自主安全PLC品牌以中國電子超御系列、浙江中控研究院、南大傲拓等公司為主,其市場主要面向軍工、高新電子和關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施等領(lǐng)域,在自主性、安全性方面獨(dú)具優(yōu)勢,但這些品牌還處在發(fā)展初期,市場占有率較低。造成這些國內(nèi)PLC企業(yè)在市場競爭中處于劣勢的主要原因有三個方面:其一,能力分散,無法形成競爭合力;其二,技術(shù)水平落后,僅能設(shè)計生產(chǎn)低端的硬件模塊,編程軟件大部分依靠國外成熟技術(shù),處理器芯片大多“借用”國外嵌入式信息處理類CPU;其三,產(chǎn)業(yè)生態(tài)發(fā)展差,未形成可持續(xù)健康發(fā)展的產(chǎn)業(yè)生態(tài)[12]。
我國PLC向智能化發(fā)展應(yīng)對復(fù)雜控制技術(shù)、智能控制技術(shù)、內(nèi)置安全技術(shù)、通用編程編譯技術(shù)、面向泛在互聯(lián)的廣域控制技術(shù)進(jìn)行攻關(guān),掌握核心關(guān)鍵技術(shù),形成可編程智能終端技術(shù)體系。
(1)復(fù)雜控制技術(shù)
針對風(fēng)電、水力發(fā)電、新能源發(fā)電、核電等能源行業(yè)應(yīng)用的大規(guī)模、高性能、高可靠需求,突破多重冗余控制、故障自診斷、事件分析、復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)等技術(shù)。
(2)智能控制技術(shù)
研制運(yùn)動控制、AI接入、云邊融合、協(xié)同互聯(lián)等智能控制技術(shù),實現(xiàn)系統(tǒng)通用性強(qiáng)、可拓展性強(qiáng)、抗干擾能力和開放性強(qiáng),能夠滿足復(fù)雜制造的智能控制系統(tǒng)。
(3)內(nèi)置安全技術(shù)
突破在運(yùn)行空間隔離與保護(hù)、內(nèi)置可信、動態(tài)防護(hù)等技術(shù),解決單一加密保護(hù)機(jī)制無法實現(xiàn)動態(tài)防護(hù)、通用加密防護(hù)技術(shù)對工業(yè)控制系統(tǒng)資源分配和通信調(diào)度性能產(chǎn)生影響的問題,在保證安全性的同時,應(yīng)該滿足計算速度、能耗等需求,實現(xiàn)保障安全的同時,滿足工控高可靠、高可用的要求。
(4)通用編程編譯技術(shù)
構(gòu)建具有統(tǒng)一技術(shù)體系的工控系統(tǒng)編程環(huán)境,突破多語言編程、多平臺異構(gòu)編譯、多終端同時開發(fā)、多總線異構(gòu)接入等技術(shù),建立國產(chǎn)工控系統(tǒng)通用開發(fā)平臺和工業(yè)級實時運(yùn)行系統(tǒng)通用架構(gòu),形成一體化開發(fā)環(huán)境解決方案,可應(yīng)用于多種可編程工業(yè)智能終端。
(5)面向泛在互聯(lián)的廣域控制技術(shù)
以分散控制、泛在互聯(lián)、廣域協(xié)同提升全域協(xié)同控制能力,以控制模型智能構(gòu)建和智能前移提升末端智能水平,解決控制系統(tǒng)的快速部署、聯(lián)合決策、動態(tài)恢復(fù)難題,實現(xiàn)分散化控制部署、快速化動態(tài)重構(gòu)、泛在化廣域互聯(lián)、集群化協(xié)同控制的目標(biāo)。
集中優(yōu)勢力量,利用國內(nèi)芯片企業(yè)如飛騰、龍芯、華大等,元器件供應(yīng)商如安路、振華等企業(yè),工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)如中電互聯(lián)、東方國信、樹根互聯(lián)、航天云網(wǎng)、浪潮云、華為、工業(yè)富聯(lián)、阿里云、徐工等企業(yè)[13]的合作,在國內(nèi)形成批量優(yōu)勢,以先進(jìn)制造的思路,在成本集中控制、供應(yīng)鏈、產(chǎn)能保障、質(zhì)量提升進(jìn)行全方位的謀劃。應(yīng)在三個方向上努力:(1)穩(wěn)鏈強(qiáng)鏈,構(gòu)建基于元器件、原材料供應(yīng)鏈,確保供應(yīng)鏈的健壯性和穩(wěn)定性。(2)保供降本,建立基于元器件的集采平臺和相應(yīng)的金融保障體系,最大幅度降低原材料的采購成本。(3)提質(zhì)增效,對PLC產(chǎn)品實施PCBA及生產(chǎn)制造,確保產(chǎn)能與質(zhì)量穩(wěn)定可靠。
行業(yè)上游負(fù)責(zé)提供生產(chǎn)PLC所需的電子元器件、電力電子器件、鈑金結(jié)構(gòu)件等零部件[14],用于運(yùn)行環(huán)境的操作系統(tǒng)和計算機(jī)等軟硬件產(chǎn)品。行業(yè)下游廣泛分布于各個工業(yè)應(yīng)用,包括高新電子、風(fēng)電、水電、天然氣、石油、管網(wǎng)、智能制造、加工產(chǎn)線等領(lǐng)域。依托國內(nèi)央企深化合作,加大規(guī)?;瘧?yīng)用,形成技術(shù)、產(chǎn)品、應(yīng)用等多方面的良好合作生態(tài),如圖5所示。
圖5 PLC行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈
(1)加強(qiáng)與上游產(chǎn)品的技術(shù)交流和合作,聯(lián)合開發(fā)工控專用SoC處理器、微內(nèi)核嵌入式操作系統(tǒng)等關(guān)鍵產(chǎn)品,雙向促進(jìn)產(chǎn)品能力提升。加強(qiáng)相關(guān)企業(yè)技術(shù)聯(lián)動,形成一體化解決方案,加快應(yīng)用推廣。
(2)基于國產(chǎn)元器件和軟硬件技術(shù)打造先進(jìn)產(chǎn)品,研究具有內(nèi)置安全的可信終端控制產(chǎn)品,在關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用,建立自主安全的關(guān)基控制系統(tǒng)。研究復(fù)雜控制終端、智能制造終端,應(yīng)用于能源、軌道交通、智能制造等領(lǐng)域。
(3)基于PLC系統(tǒng)應(yīng)用形成整體解決方案,依托例如“PKS”體系國產(chǎn)化全產(chǎn)業(yè)鏈信息系統(tǒng)生態(tài)環(huán)境,帶動國產(chǎn)計算機(jī)、交換機(jī)、服務(wù)器、操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫、云平臺等自主安全產(chǎn)品進(jìn)行整體系統(tǒng)建設(shè),進(jìn)而推動國內(nèi)工控行業(yè)整體發(fā)展?!癙KS”是基于飛騰CPU和麒麟操作系統(tǒng)構(gòu)建的一個開放的安全架構(gòu),體現(xiàn)了安全和可信,主要是要解決現(xiàn)有計算機(jī)先天缺乏免疫的問題及漏洞和效率問題。其中“P”為CPU、內(nèi)存、網(wǎng)絡(luò)交換芯片內(nèi)置可信核安全機(jī)制,內(nèi)置密碼體系;“K”為操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫等基礎(chǔ)軟件內(nèi)置白名單、訪問控制、未知漏洞防護(hù)等安全增強(qiáng)機(jī)制;“S”為可信策略管理、安全控制中心、安全軟件應(yīng)用商店等立體防護(hù)和管控體系。
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、云計算、人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)蓬勃發(fā)展,第四次工業(yè)革命下形成了新型工業(yè)業(yè)態(tài)模式,作為物理世界與數(shù)字空間雙向?qū)崟r連接的橋梁,PLC將會在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、智能工廠等發(fā)展大勢下,突破核心關(guān)鍵技術(shù),形成可編程智能終端產(chǎn)業(yè)生態(tài),在設(shè)備通信、控制、數(shù)據(jù)采集、信息安全等功能上進(jìn)一步提升,通過與云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等新技術(shù)結(jié)合,實現(xiàn)PLC終端與“智能制造”的融合發(fā)展,推動工業(yè)控制系統(tǒng)的自動化,進(jìn)而助推工業(yè)企業(yè)的信息化、數(shù)字化、智能化進(jìn)程。