新技术对PLC技术创新及产业发展的影响研究

□ 文 杨志伟 尹 静 麦彬承

1、引言

随着新一代信息通信技术的发展，以5G、工业互联网标识解析、大数据、人工智能等为代表的新技术逐步从下游的物流、销售及服务环节走向中上游的工业现场控制、协同设计与制造环节。与此同时，可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，简称PLC）作为一种被各行业广泛应用的工业控制系统，在可实现对各种类型机械或生产过程的高效控制的基础上，其兼容性差、部署灵活性差、技术不可控等问题也逐渐显现。

在我国工业控制技术受限的背景下，跨领域的集成创新是扬长避短、弯道超车振兴我国工业控制产业、强化工业自主安全可控能力的必然之路。新技术与传统工业控制技术（如PLC）的融合创新势必将成为工业控制领域下一个技术创新和产业发展的爆发点，成为推动我国工业和信息化深度融合发展的一个重要领域。

2、PLC发展机遇与挑战并存

PLC以其可靠性高、稳定性好、编程灵活、开发周期短等优点，以及在运行的过程当中能够有效抵抗各项信息和工业现场信号干扰的优势，广泛应用于工业控制的各个领域。但是其技术结构过于封闭、兼容性差、无法完全自主可控等问题，导致其无法满足现有工业领域对工业控制技术的要求，也极大地限制了我国从制造大国向制造强国的转变和参与国际竞争的优势。

2.1、PLC技术亟待优化与改进

PLC是专门为工业生产环境而设计的控制装置，导致其结构封闭和兼容性差。首先，PLC软硬件体系结构封闭，专用总线、专家通信、网络及协议、以及I/O模板各个品牌之间均不通用，甚至连机柜和电源模板也存在不通用的现象。其次，目前世界上PLC的生产厂商已有200多家，涉及各种型号产品几千种，各PLC厂家的硬件体系互不兼容，编程语言及指令系统也各异，当用户选择了一种PLC产品后，必须选择与其相应的控制规程，并且学习特定的编程语言。最后，由于核心技术掌握在国外厂商手中，我国只能自主开展小型PLC技术的优化与更新。现有PLC技术难以满足我国工控技术网络能力强化、处理功能高速化、软件集成化、控制器微型化等的发展趋势，也不能满足我国关键技术自主可控的要求。

2.2、现代工业向工控技术提出了更高的需求

随着全球经济竞争的不断激烈，未来的先进制造技术在柔性化、自动化、敏捷化、虚拟化等基础上，逐渐向网络化、集成化、绿色化、极端化（在高温、高压、高湿、强腐蚀等条件下工作，或有高硬度、大弹性要求的，或在几何形体上极大、极小、极厚、极薄的制造技术或产品）、智能化方向发展，向工业控制技术提出了更高的要求。

多任务执行的需要。是指在一个工业控制器系统中，可同时安装几个CPU模板，每个CPU模板执行各自的任务，控制与其执行任务相关的I/O模板，是未来的发展趋势，但目前PLC无法完全满足此项需求。

网络能力强化的需要。随着4G的普及、5G的商用，网络能力不断加强，使可编程序控制器已经突破了原有的使用范围，特别是引入现场总线、工业以太网、无线网络及Internet等技术后，可编程序控制器的应用已今非昔比。但传统的可编程序控制器的网络拓扑结构为设备控制层、过程控制层和信息管理层3个层次，目前，仍有较多的现场设备无法与信息管理层直接相连，难以通过信息管理层实现现场设备跨地区的编程、监控、诊断、管理和控制与信息管理的分割仍然明显。

处理高速化的要求。随着网络能力的强化，PLC实现的控制功能和控制范围都在扩大，这就要求PLC实现高速运行和实时通信功能。高速化包括运算速度的高速化、与外部设备交换数据的高速化、编程设备服务处理的高速化、外部设备响应的高速化。目前，许多传统的PLC没有通信功能，无法借助数据总线消除系统的瓶颈，无法提供高性能的分布式实时控制系统的解决方案。

软件集成化的要求。为解决传统PLC的制约问题，随着PC-Based控制技术的发展以及相关标准的实施，软PLC技术应运而生并得到广泛应用。即在PC机的平台上，用软件来实现PLC的功能，同时又具有PC环境的各种优点。但是，作为一项新的技术，一方面实时性和可靠性还无法完全满足要求，与此同时，现在的成套软件仍无法将可编程序控制器的编程、操作员界面、运动控制、程序调试、故障诊断和处理、通信等集成为一体，仍无法有效地集成到ERP系统。

控制器微型化的要求。随着PLC应用领域的不断扩大，为适应市场的需要，PLC会进一步向超小型和超大型两个方向发展。传统的微型可编程序控制器一般为8～64点数字量I/O，1～4点模拟量I/O，体积很小，可直接安装在机器内。但目前，微型可编程序控制器网络功能和人机接口功能上与中大型的可编程序控制器相比差距巨大，无法满足市场要求。

安全可靠及低成本的要求。随着PLC应用领域的扩大，对PLC的可靠性要求也越来越高，急需加强PLC的安全和可靠性。目前，具有冗余、相异、自检测的PLC已经出现，但是价格普遍昂贵，比普通的PLC高约50%，无法满足众多中小企业的需求。

2.3、我国产业升级和工业转型正向纵深发展

首先，产业数字化市场空间巨大。我国数字经济持续快速发展，据中国信通院发布的《中国数字经济发展与就业白皮书（2019年）》显示，2018年我国数字经济规模达到了31.3万亿元，占GDP比重为34.8%，并以平均每年约20%的速率增长。其中，产业数字化规模超过24.9万亿元，成为数字经济增长的核心驱动力。工业控制系统的网络化、数字化和智能化是未来产业升级和工业转型的必经之路，完全自主可控的工业控制是深化供给侧结构性改革，推动工业领域新旧动能接续转换，实现高质量发展的重要前提。

其次，自主安全可控是发展的重要前提。随着工业互联网和物联网的大力发展，工业领域的自主安全可控上升至国家战略层面，受到前所未有的重视。现在95%的国内市场由外国的PLC产品所占领，中、大型PLC中，几乎全部由国外几大公司垄断，随着我国使用PLC领域的不断扩大，市场越来越大，而我国在工业控制系统的核心技术比如芯片制造、信号接口、大型工控软件等方面又不具备自主知识产权，这对我们国家工业互联网的安全提出了新的挑战。

最后，工业控制系统亟需公平有序的市场秩序。我国巨大的工业控制系统市场长期被国外厂商所主导，国外供应商通过控制核心技术和低价无序市场竞争机制，让我国没有自主知识产权的工业控制产品在市场竞争中处于被动状态，位于产业链利润低、竞争激烈的分销和集成环节，极大限制了我国工业控制产品的技术水平及市场占有率的提升，降低了我国工业控制产品在国际上的竞争力。

3、新技术发展为PLC优化提供可能

党的十九大报告明确提出“不仅要有一个完善的现代产业体系，而且要使这个现代产业体系具有自主可控能力，具有国际竞争力”。目前，PLC的核心技术、市场均被国外厂商垄断，容易受制于人。5G、标识解析、人工智能等技术的发展，为新型工业控制设备“自主可控”“弯道超车”提供了强大的技术支持。

3.1、5G技术提供万物互联的可能

5G将采用大规模天线阵列、超密集组网、新型多址和全频谱接入四大核心关键技术，满足连续广域覆盖、热点高容量、低功耗大连接、低时延高可靠等多样化的应用场景需求，整个网络也将会更加灵活、智能、高效和开放。5G的特点可以使工业互联网平台更广泛地连接各种异构设备以及工控系统。而原本100～200ms的延迟降低到1～4ms，使得整个制造运营过程实现实时监控、实时报警、预警、远程实时控制。同时，5G的高可靠性以及网络切片等技术为确保工业控制安全提供了重要的技术支撑。

3.2、标识解析技术提供精准控制的可能

未来控制设备网络化、智能化的前提就是需要有唯一可识别的身份符号，便于在控制平台端、企业生产系统乃至全球供应链系统中可实现精准定位、信息查询和运维。借助标识编码资源和标识解析系统可以助力工业控制设备标识数据管理和跨企业、跨行业、跨地区、跨国家的数据共享共用。

3.3、人工智能技术提供智能控制的可能

随着深度学习在语音识别、图像识别等领域取得突破，本轮人工智能一些基础应用技术逐渐成熟，其在工业领域的应用也日趋广泛。可从以下三个方向与工业控制系统结合，实现工业控制的智能化：一是应用数据的可视化分析。通过收集设备运行的各项数据（如温度、转速、能耗情况、生产力状况等），及基于人工智能的二次分析，对生产线进行节能优化，提前检测出设备运行是否异常，同时提供降低能耗的措施。二是机器的自我诊断。根据对历史维护的记录或者维护标准的深度学习，增加机器自我诊断，自我排除问题、自我解决和自我修复的能力。三是预测性维护。通过人工智能技术让机器基于数据的预测及分析提前感知或者分析可能出现的问题。

图1 新技术赋能工业控制系统技术路线图

未来，无论是离散型企业PLC+SCADA，还是流程型企业的DCP（集散控制系统）最终将会走到CPS，通过集成先进的信息通信和自动控制等技术，构建了物理空间与信息空间中人、机、物、环境、信息等要素相互映射、适时交互、高效协同的复杂系统，实现系统内资源配置和运行的按需响应、快速迭代、动态优化。

本文创新性提出一种集5G、标识解析和人工智能技术为一体的最小单元控制单元（智能控制单元，简称IMCU），每个单元只控制一个点或者多点，逐步取代PLC，实现工业现场中真正意义上的万物相连，并打破传统的工业现场控制的五层结构，使数据在现场、车间、工厂和上下游有序的无障碍的流动，实现真正意义的智能柔性制造，具体技术路线图如图1所示。

4、新技术将推动工业控制产业化和工业数字化发展

从历次科技革命和产业革命的规律来看，都是以技术的集成创新为先导，引发相关领域群发性、系统性的突破，进而在强大的市场空间和社会需求下，带来传统产业不断升级和新兴产业快速发展，促使社会生产力实现新的飞跃。新技术对PLC及相关产业的影响也遵循了科技革命和产业革命的规律。

4.1、引发相关领域群发性、系统性突破

IT、CT和OT技术在工业控制领域融合创新，将带动IT、CT技术加速成熟与规模化应用。一方面，基于新技术的工业控制系统市场空间巨大，将转化为“需求”，推动5G、工业互联网、人工智能等新技术加速成熟和规模化生产，实现5G芯片等核心元器件量产，推动新技术引入成本的快速下降。另一方面，新产品的应用将打破现有的PLC“黑盒”，突破现有国外垄断的技术标准与网络架构，以更开放的系统架构、更高的集成度、模块化的功能以及智能化的硬件，组成新一代的工控产品IMCU，成为当前结构封闭和兼容性差PLC产品的最佳替代品，推动中国工业控制系统走向国产自主可控，实现弯道超车。

4.2、助力工业控制产业发展壮大

依托技术集成创新，将实现传统行业智能控制应用广度与深度同步提升。首先，基于新技术的工业控制系统可实现无线连接、灵活部署。传统的PLC多是采用工业以太网或者光纤进行通信，完全受限于有线的网络布局。基于5G的低时延、高可靠等优势，可实现IMCU之间、IMCU与控制平台间实现无线网络通信，将极大提升产业布局的灵活性，尤其更加适用于产品更新换代快、控制终端相对分散的传统产业。其次，可助力工业控制领域突破技术壁垒，打造开放完备的产业生态。依托5G等我国具有明显优势的技术和相对完善的生态伙伴，将有利于在开放合作的平台更快实现技术的突破和验证。最后，由于其灵活性，控制系统的控制范围可实现进一步拓展，不仅仅局限于一个车间，也可以是一间工厂，基于网络切片等新技术的支持，还可以实现异地智能控制。同时，在“瘦终端+大平台”架构下，平台层可更多地承担数据存储、数据计算与分析、人工智能判断与控制等功能，极大提升工业控制的智能性。

4.3、助力新技术产业蓬勃发展

首先，将带动5G芯片产业的规模化发展。5G芯片是IMCU的重要组成部分。新型智能控制单元巨大的市场需求将带动5G芯片产业的规模化发展。其次，将带动5G芯片系列化发展。新型智能控制单元的小型化、标准化和系列化将是更广泛适用各类工业环境的前提，因此，巨大的市场空间背后将带动5G芯片也朝着小型化、系列化、低成本方向发展，5G芯片也将形成高端到低端、复杂到简单等系列产品。最后，复杂工业控制场景在持续智能化的过程中，将出现大规模的单元联网，产生大量的数据，并对控制的智能化水平提供了更高的要求，势必将对人工智能、大数据、边缘计算、工业互联网等技术的应用提出更多更高的诉求，助力新兴技术实现产业化发展。

4.4、衍生出新模式、新业态

首先，将推动“5G+工业互联网”融合产品研发和产业化。加快工业级5G芯片和模组、网关，以及工业多接入边缘计算（MEC）等通信设备的研发与产业化，促进5G技术与可编程逻辑控制器（PLC）、分布式控制系统（DCS）等工业控制系统的融合创新，培育“5G+工业互联网”特色产业。

其次，将推动工业控制供应商从提供产品和服务向提供整体解决方案的转变。随着进入智能时代，在工业控制产品和技术迎来互联互通的升级时，IMCU在工业现场大量使用，将促使传统服务内容从只注重硬件转向软硬兼顾，传统服务模式由单一产品扩大到整体系统解决方案。

最后，工业网络安全将成为未来工业控制领域巨大的蓝海市场。随着携带5G功能的IMCU的大量使用，完全打通了生产控制系统和企业管理系统，实现了数据的实时交互，将导致工控设备直接与互联网相连，存在极大的网络病毒入侵风险。另一方面，随着企业更大规模换用自动化生产设备，基于5G的远程运行维护将成为设备供应商提升服务效率和质量的重要手段，设备的直接接入网络大大提升了病毒侵入的可能性。与此同时，国内工业控制领域市场仍被西门子、ABB等欧美巨头垄断，工业安全的国产化替代也将成为发展的重要领域。

5、结语

随着5G、人工智能、大数据等新一代信息技术的发展，核心元器件的加速迭代与升级，基于新技术下的由无数IMCU组成的工业控制系统将更多地体现出控制终端的标准化、网络化；控制平台的集成化、智能化以及应用领域的多元化、丰富化。工业领域对可靠性、安全性要求高，5G、标识解析和人工智能等新技术在工业OT领域的具体应用还需要试验和培育，在工业控制设备中植入5G、工业互联网标识、人工智能等新技术，还需要加快推进技术与产品研发进度、加大应用示范推进力度并建立完善的标准体系等，在真正完成验证和安全测试后，才可能规模复制和推广。■