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翻开PLC演进史:探索自动化领域的常青树

2022-09-28e-works 王聪

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本文将详细梳理PLC的发展历程,总结其演进规律,揭示其为何能长盛不衰、历久弥新,成为自动化领域的常青树。
       “一人踏织自成,不用提花之人,闲住花楼,亦不设衢盘与衢脚也。”这段《天工开物》中对提花机的描述,记载了我国最早通过程序实现自动控制,能够储存花纹信息的织机。对于生产制造而言,自动控制永远是工厂里的焦点。而PLC作为工厂、车间的底层控制核心,从1969年诞生之初便在自动控制系统中占据着牢不可破的地位。在超过半个世纪的发展历程中,PLC不仅没有被竞争者PC-based、PAC替代,还在与时俱进,不断演进发展,囊括了工业生产所需的逻辑控制、顺序控制和运动控制(以及三者的复合应用)功能,并向过程控制领域不断延伸。它所代表的简易、可控、稳定、高效时至今日都是企业生产作业的基本要求。本文将详细梳理PLC的发展历程,总结其演进规律,揭示其为何能长盛不衰、历久弥新,成为自动化领域的常青树。

从PLC的诞生谈起

       与大部分来自实验室或军用转化民用产品不同,PLC的诞生契机来自于美国通用汽车(General Motors Company,GM)的一个实际项目需求。在20世纪60年代,全球半导体产业的快速发展拉开了信息时代的序幕,领先的汽车企业已经采取了流水线生产模式。以通用汽车为例,到1967年已经下线了1亿辆汽车。当时通用汽车有一个位于美国密歇根州Ypsilanti名为Hydra-Matic的部门,该部门每年生产超过200万个变速器。作为闻名全美国的技术领导部门,Hydra-Matic部门设计了诸多长而复杂的生产线用于加工和组装零件,例如一条将生铸件变为汽车成品变速箱的生产线长420英尺,其中包括58个工作站和329个切削工具。

       在每次针对不同车型进行产线调整时,Hydra-Matic部门都饱受继电器、接触器控制系统修改难、体积大、维护不方便以及可靠性差等困扰,忍无可忍的Hydra-Matic部门在1968年6月对外界发布了一份仅有4页纸的设计规范招标书,希望通过一个全新的控制系统取代继电气工作,这份招标要求就是后来被人们所熟知的“通用十条”。

图1
图1 通用汽车发布的设计规范招标书
(图片来源于Randall Brodzik,控制工程网)

       一石激起千层浪,通用汽车的这份“香饽饽”很快吸引了7家公司应标,但最后只有3家公司提供了实际原型机进行项目测试,它们分别是数字设备公司(DEC)、信息仪表公司(3-I)和贝德福德协会(Bedford Associates),这些原型机也被认为是可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller,PLC)的雏形。

       最被看好的第一位竞争者DEC公司成立于1957年,专注于开发小型计算机系统,因此在控制计算方面有着更多的技术优势。针对通用汽车的要求,DEC公司不负众望在1969年6月率先开发并交付了第一台原型机PDP-14,由一个控制单元和几个外部接口盒组成。其控制单元包括一个可调节大小的ROM,最多容纳4k的12位指令用于输出控制。然而令人遗憾的是,当Hydra-Matic部门修改PDP-14程序时,不仅需要将应用程序发回DEC公司,还需要将修改好的的内存板发还给工厂,这个往返处理过程需要消耗约一周的时间,这个缺点也成为PDP-14后来被通用汽车替换掉的主要原因。此外,DEC还有另外一个减分项,它是三位竞争者中唯一一个不提供布线程序列表的公司。(当时提供布线程序列表可以加速机器安装和检修)
 
图2
图2 PDP-14原型机
(图片来源于“《PLCNext谈古道今系列之PLC诞生记》”,菲尼克斯电气)

       第二位竞争者3-I一直和Hydra-Matic的计算机部门保持着业务往来,其推出的控制设备PDQ-II具有高级逻辑运算功能的明显优势。然而与当时的其他计算机一样,当PDQ-II重新编写程序,用户必须借助一个布尔程序,然后使用微型计算机接口以电传打字机打孔纸带方式,使用特殊的加载器加载处理。虽然这种方式相比DEC的PDP-14“打回原厂”效率高很多,但当时除了计算部门可以高效完成指令修改,Hydra-Matic其他电气部门照样难以修改程序,因此PDQ-II同样无法被通用汽车接受。
 
图3
图3 PDQ-II原型机
(图片来源于“《PLCNext谈古道今系列之PLC诞生记》”,菲尼克斯电气)

       最后一位竞争者Bedford Associates则是由Dick Morley和George Schwenk于1964年联合成立的一家新英格兰控制系统工程公司。早在之前还身为操作工时,Dick Morley就对机床操作中的重复性工作不厌其烦,一直构思发明一个将所有功能都集于一个编辑器的一劳永逸“神器”。面对通用汽车的招标文件,Dick Morley和George Schwenk成立了Bedford Associates的第七家控制公司,命名为Modicon(Modular Digital Controller的首字母缩写),并在1969年底研发推出了“084”型号PLC,因为它是Bedford的第84个项目。
 
图4
图4 Dick Morley先生被誉为PLC之父
(图片来源于“The father of invention: Dick Morley looks back on the 40th anniversary of the PLC”Alison Dunn)

       由于Modicon 084编程相对简单,用户只要插入编程单元并选择适当的软件模块,然后键入梯形图即可快速进行编程,并且梯形图中关于逻辑编程的相关符号,基本来源于电气工程中描述顺序操作的功能指令,这使广大的电气工程师和电工能够非常快速的上手,因此Modicon 084获得了Hydra-Matic部门电路系统小组的青睐。此外,Modicon 084安装在硬质外壳内,提高了安全等级,这也是DEC的PDP-14、3-I的PDQ-II所无法比拟的,很快Modicon 084就替代PDP-14和PDQ-II,成为了通用汽车的唯一选择,并在后续服役了超过10年时间。
 
图5
图5  Modicon 084原型机
(图片来源于“The father of invention: Dick Morley looks back on the 40th anniversary of the PLC”Alison Dunn)

       可以看到,DEC的PDP-14作为第一台用于现场测试的原型机,一直被业界公认为世界上第一台PLC,而3-I的PDQ-II虽然速度和运算能力很强,但还是与DEC类似,在编程转换方面存在明显缺陷。Modicon 084虽然不是第一个安装的测试原型机,但另辟蹊径推出了梯形图的编程方式,俘获了当时一众电气工程师的芳心,成功替代前两者取得竞标胜利,也牢牢地奠定了其在自动化界的地位。
 
图6
图6 1970年6月通用汽车发布针对三家竞争者的设计要素比较文件
(图片来源于Randall Brodzik,控制工程网)

       对于当时的自动化控制市场而言,PLC的出现是一个划时代的产品,如果按照德国工业4.0的演进路径,PLC的应用是工业3.0启动的标志。从功能上看,无论是PDP-14、PDQ-II还是Modicon 084,开发的初衷主要还是继电器控制装置的替代物,用于实现原先由继电器完成的顺序控制、定时、计数等功能,其优点是简单易懂、便于安装、体积小、能耗低、能重复使用等。虽然在硬件形态上当时PLC仍被归类于“计算机家族”,但在材质和I/O接口等方面做了改进以适应工控现场要求。在软件编程上,当时的PLC首创了特有编程语言——梯形图语言,并一直沿用至今。

百舸争流,PLC迎来高速发展期

       正所谓“一枝独秀不是春,百花齐放春满园。”Modicon 084的胜出使这一场持续两年的招标竞争落下了帷幕,而属于PLC的高速发展时代才刚刚开始。其后Modicon一直在自动化行业不断突破,1973年“084”PLC被升级为“184”PLC重新推出,1975年推出了“284”PLC,1979年推出了工业通信网络Modbus,1994年推出了Quantum(昆腾)系列PLC,1997被施耐德电气公司收购后,成为旗下第4个主要品牌。

       当初竞争失利的3-I则意识到自身缺少增强核心竞争力的资源,于是投靠了当时以变阻器、继电器和电机控制而闻名的Allen-Bradley(A-B),开始转向生产固态控制设备,推出了基于AMD芯片的PLC-3等产品。1985年,A-B被罗克韦尔国际集团(Rockwell International)收购,随之推出了基于摩托罗拉MC68000芯片的PLC-5等产品,MC68000是当时一款经典的复杂指令集处理器(CISC),其协处理器可以支持浮点运算,可访问16MB存储空间。最终罗克韦尔自动化形成了针对不同I/O点数的MicroLogix、CompactLogix和ControlLogix系列PLC产品。值得一提的是,可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller,PLC)的命名方式最早是被A-B采用,并将“PLC”作为其产品的注册商标。

       作为一个新兴产物,当时美国市场除了Modicon(施耐德电气)、A-B(罗克韦尔自动化)外,还有SquareD(实快电力,后被施耐德电气收购)以及后来的TI(德州仪器)等投身PLC市场中。这股浪潮很快就刮向了日本,1970年后正是日本企业机械大发展的时代,机械与电子的融合应用成为了日本自动化市场快速发展的导火索,以加强自身生产控制为契机,包括日本欧姆龙、富士、三菱电机、日立等自动化厂商都推出了PLC产品。

       例如欧姆龙在20世纪80年代初期,推出了C系列、H系列PLC,相比同类产品具有明显缩小体积、结构紧凑的特点,风靡当时的小型机市场。90年代初期,欧姆龙在小型机市场推出了无底板模块式结构的COM1产品,此时的执行指令已超过100种,基本指令执行时间可低于0.5微秒,并包括A/D(模拟信号与数字信号)转换、温度控制等特殊控制单元和基本通信模块。

       放眼德国品牌,PLC市场被西门子独占鳌头,而路斯特(LTI-Motion)、菲尼克斯电气(Phoenix Contact)等竞争者则紧随其后。西门子最早一代PLC产品是1975年投放市场的SIMATIC S3,它实际上是带有简单操作接口的二进制控制器。1979年微处理器技术被应用到可编程序控制器中,西门子研发创新了PLC S5取代了S3系列,该系统广泛地使用了微处理器。1994年4月,享誉世界的西门子PLC S7系列诞生,它具有高度的兼容性、更高性能等级、更小安装空间和更友好的Windows用户界面等优势,深受广大用户喜爱,其机型包括S7-200、300、400、1200等。

       菲尼克斯电气在收购KW-Software(科维软件,2015年更名为菲尼克斯电气软件有限公司)后,开始着重发展基于IEC 61131的PLC控制软件编程语言和IEC 61508安全技术。其推出的第一款用于小型控制任务的紧凑型PLC被称之为ILC 130 ETH,后向中、大型领域延伸推出了ILC 200、350、370、430系列产品。菲尼克斯电气另外一个PLC产品型号为RFC系列,两者共同组成了Class 100到Class 400产品组合。近年来菲尼克斯电气提出打造PLCnext Technology生态,除依照IEC 61131-3标准对PLC系统进行标准编程外,用户还可通过PLCnext Control实现并行编程,实时组合使用C、C++和MATLAB  Simulink等编程语言进行PLC程序开发。

       作为奥地利自动化厂商的代表,贝加莱(Bernecker & Rainer)在80年代推出了“黑色系列”PLC,也被称之为“PCC(可编程计算机控制器)”。它采用了计算机的硬件架构,同样使用了摩托罗拉MC68000芯片组。通过采用了分时多任务操作系统OS9,这使得贝加莱PLC可集成解释器,能够采用BASIC高级语言编程,实现复杂算法。在1994年前后,贝加莱又推出了“蓝色系列”PLC,采用了pSOS+的定性分时多任务操作系统,进一步增强了编程能力,pSOS+的开发企业后来被WindRiver收购成为了VxWorks的核心架构。
 
图7
图7 贝加莱“黑色系列”PLC(图片来源于贝加莱)

       其它国家诸如瑞士的ABB也推出了PLC产品并获得市场认可。根据I/O点数不同,当时不同自动化厂商在小型机(小于256个I/O点数)、中型机(256~2048个I/O点数)和大型机(超过2048个I/O点数)不同市场占有率虽偶有交替起伏,但当时微型、小型PLC应用仍占据市场的绝对主流。这也促使西门子、施耐德电气、罗克韦尔自动化、欧姆龙等在小型机市场具有先发优势和代表产品的玩家成为无可争议的行业巨头,其中西门子、罗克韦尔自动化、施耐德电气更是长期把持全球前三的位置。
 
图8
图8 小型PLC结构示意图(图片来源工业软件行业研究报告)

       回顾1971年到1991年的20年发展历程,可以看到整个PLC市场百花齐放,由于微处理器的出现PLC在功能性方面大大增强,被快速应用到钢铁、石油、化工、电力、建材、机械制造、汽车、制药、食品饮料、轻纺、交通运输等各个领域。在硬件方面,除了保持原有的开关模块以外,还增加了模拟量模块、远程I/O模块、各种特殊功能模块,并扩大了存储器的容量,提供一定数量的数据寄存器。在软件方面,除了保持原有的逻缉运算、计时计数外,还增加了算术运算、过程控制、数据处理、网络通信等功能,适用包括IEC 61131-3规范(国际电工委员会于1993年12月所制定)的梯形图、顺序功能图、功能块图、结构文本语言和指令表五种汇编语言。

       例如各厂商在后续推出的中、大型PLC中均配备了PID控制模块,可进行闭环过程控制。当生产控制过程中的某一个变量出现偏差时,PLC可以按照PID算法计算出正确的输出,进而控制调整生产过程,把变量保持在整定值上,确保生产业务的稳定性和连续性。

       值得一提的是,这20年间PLC市场的激烈竞争一方面刺激了各家厂商PLC产品的快速迭代升级。另一方面为了构筑“护城河”,各家厂商所采用的PLC编程和通讯交互方式也不尽相同,衍生出不同类型的通讯协议,并在后期推出了不同的现场总线,目前在IEC的现场总线标准里已经达到了28个,虽然极大的增强了自身PLC向上层的数据传输能力,但彼此之间却并不兼容。

生产实践检验,以“高可靠”奠定“常青树”地位

       1991年后,PLC在处理速度、控制功能、通信能力等方面均有新的突破,并向电气控制、仪表控制、计算机控制一体化方向发展,性价比不断提高,不知不觉中成为了工业自动化的支柱之一。此时PLC向下可以连接各类型传感器、数控设备和仪器仪表,完成逻辑判断、定时、计数、记忆和算术运算、数据处理等动作,实现自动控制与数据采集;向上可与SCADA等系统互联互通,将采集的数据进一步向上层生产执行层传递,担当了衔接设备层与信息层的重任,成为工厂与车间的控制中枢。

       特别是伴随着各种各样的特殊功能单元、各种人机界面单元、通信单元的融合应用,使PLC的工业控制设备配套也变得更加容易。在迈向21世纪的交替过程中,PLC已从开关量逻辑控制扩展到数字控制等领域,并逐渐进入运动控制、过程控制领域,在某些应用上取代了过程控制领域中处于主导地位的DCS(Distributed Control System,集散控制系统)

       要知道在早期的大部分流程型行业,PLC和DCS的泾渭还很分明。当时如石油、化工等生产过程中,一台计算机控制着几十个或数百个控制电路,控制的高度集中也增加了安全风险。为了集中管理、分散控制,即尽量将控制所造成的危险性分散,而将管理和显示功能集中,企业多采用DCS系统实现过程控制与管理。而伴随着PLC功能的不断完善,其基于PLC的控制功能与DCS控制系统基本相似,两者之间的边界也逐渐模糊,在部分小型的DCS控制场景中通过PLC+SCADA的替代方式正在崭露头角。

       但从平台和功能性上看,PLC和DCS在数据源、控制方式、程序修改方式上仍存在着较大区别。由于PLC属于嵌入式系统,其运行的目标机和工程开发环境是分离的;而DCS通常的开发环境、运行环境都在Unix、Windows或Linux上。虽然在现场执行层,原本属于DCS回路调节器的任务可以被PLC取代,但DCS在工程开发、数据库等方面的功能和应用积累都是PLC无法企及的。例如DCS的双机热备、CPU冗余、网络冗余和I/O冗余等功能,都不是PLC所擅长的。对于DCS厂商而言,行业Know-how是建立壁垒的关键,这与PLC厂商在细分市场的应用集成是一个概念。简单而言,DCS更适合复杂流程型行业生产过程,如石化、造纸、化纤、制药等工业领域,PLC则适用于离散型生产的场合,如汽车制造、钢铁、包装等生产线控制。

       此外,PLC的边界也在扩展,随着芯片技术的进一步发展,PLC存储能力、浮点运算能力等也在不断的增强。同时,对于复杂任务的处理,先进的机器开始有一些如高速温度闭环、压力闭环的回路调节任务,以及在运动控制、通信任务方面的处理需求。当然,在PLC功能模块不断拓展,应用范围不断提升,挤占DCS市场份额的同时,自身也受到了来自PC-based和PAC等竞争者的挑战。

       由于传统狭义的PC指的是硬件+Windows操作系统,这种情况下可以将PC-based看成一种基于PC技术的控制系统。
最早的PC-based控制系统是以工控机为核心,通过扩展带PCI接口的专用板卡组成。例如1986年倍福自动化(Beckhoff)推出首款PC-based设备控制器,完成了对于木材加工设备的实时自动控制。相较于PLC而言,PC-based借助于IT技术在运算、存储、组网和软件开放性等方面具有优势。但自身较为“敏感”的硬件条件使其难以适应当时恶劣的生产环境,并且抗干扰性差,稳定性不足,这对于某些要求高可靠的生产现场是难以继任的,因此PC-based最初更多地用于设备运行状态的监控,并没有完全融入底层生产控制环境中。
 
图9
图9 倍福自动化在1986年推出了首款PC-based控制器
(图片来源于倍福自动化)

       PAC(可编程自动化控制系统)则是2001年美国自动化咨询公司提出来的全新概念,它是一个基于PLC控制和PC控制的混合体。意在通过开放的自动化控制标准,既有PLC编程简单成本低廉的特点,又有PC强大的计算能力。但“杂交基因优于父母双亲”的定律在这里却并不适用。由于PAC的出现本身更倾向于复杂和大规模的自动化架构,因此从价格上难以做到PLC般的“亲民”。而在提供的应用软件集成方面,PAC的开发企业主要聚焦在流程领域的测量、分析、回路任务,与PLC聚焦的离散制造业对于实时性、高速响应任务并不相同。面对早已成熟的PLC应用环境,以PAC进行替代的价值难以体现,对于大部分用户而言PAC难免有种阳春白雪,曲高而和寡的感觉。

       如今,PLC在经过多年的发展创新之后,已经深深扎根于生产车间现场,并与下层传感器、上层SCADA等其他系统协作完成了整个生态的数据融合,虽然从功能性的角度来看,PC-based和PAC可以实现PLC替代,但实际生产的高可靠性要求并不允许企业冒险一试,更何况从性价比的角度而言,PLC一直是最具有成本效益的选择。

       可以看到,迈入21世纪后,以PLC为代表的自动化行业发展主要是在两个维度融合创新。首先是用户需求,这是产生行业发展拉动力的主要因素。随着机器变得越来越复杂,更多的对象被集成到系统,使PLC需要处理更多的任务,因此PLC需要更强的处理能力和信息集成能力。其次站在横向科技发展的角度,即技术推动力的维度,包括处理器的算力提升,实时操作系统、传感器、软件等快速发展都带来了自动化领域的推力。如何有效的结合两者的力量,深耕用户场景解决行业问题,是所有PLC厂商技术创新的重中之重。

从模仿到替代,国产PLC的破冰之旅

       如果将PLC半个多世纪的发展史分为上下半场,那整个上半场几乎找不到国产PLC厂商的踪影。从1974年开始,我国才开始仿制美国第二代PLC产品,但因质量和技术问题等原因并未推广。在随后的“七五”和“八五”期间,国内部分研究机构在PLC研发上进行了科技攻关,取得了一定的成果,也基本具备了自主研发PLC的能力,但由于缺乏持续研发和产品化能力,最终并没有形成规模化生产经营。

       国产PLC真正的入局者,要数在下半场的汇川技术、和利时、中控技术、信捷电气等。汇川技术创立于2003年,通过在工控变频器和伺服系统积累的优势,以轴承的运动控制入手,汇川技术确定了“一轴一网一生态”的发展战略,开发了Easy系列全场景小型PLC、多种H系列多功能小型PLC以及率先应用EtherCAT总线的小型PLC。可以看到汇川技术专注在高功能的中小型及微型PLC市场领域,产品采用了CoDeSys的通用编程方式,具有组合灵活、功能强大的特点。根据汇川技术发布的2022年半年度报告显示,其小型PLC产品在中国市场的份额约10.7%,排名第二。

       凭借在过程自动化控制市场的积累,和利时在进行DCS研发之时一并完成了PLC的技术储备。2000年,和利时正式开展了PLC业务,并在2004年推出了具有自主知识产权的LM系列小型机。2006年,和利时推出了LK系列大型PLC,并获得当时国家四部委联合颁发的“国家重点新产品”证书。面对“外强”环绕的PLC市场,和利时采取的策略是将小型PLC销售瞄准中、高端市场应用,而对于简单开关量应用的低端市场则增强了如运动控制功能。在推广LK系列大型PLC方面,和利时主要以自身项目实践为主,继而带动销售。

       与和利时相同,中控技术也选择了从DCS逐渐向PLC市场进行渗透的发展路径。成立于1993年的中控技术通过自身研发创新占据了国内DCS市场领导地位后,以自身经验丰富的流程行业控制需求为切入点,推出了WebField G3/G5系列PLC产品,其中G5主要应用于中大型混合控制场所,G3系列主要应用于分布式控制场景。由于G3/G5系列产品在设计之初就秉承DCS的冗余控制理念,包含了高速逻辑运算和联锁控制功能,更易于方便用户进行连续生产过程控制。

       信捷电气也属于较早进入PLC市场的国产厂商之一,其前身是信捷科技,成立于2000年。在2008年正式创立信捷电气后,开始以PLC为基础积极向伺服驱动、机器视觉等领域拓展。信捷电气在初期开发了FC系列小型PLC,后又陆续推出了功能更强大的XC系列PLC、集PLC和TP功能于一体的XP系列PLC,并在2016年推出了XG系列中型PLC,完成了从小型PLC向中、大型PLC拓展的布局。从营收结构看,PLC是信捷电气的核心和优势产品,尤其是在小型PLC市场占比逐年提升,其发布的数据显示信捷电气2013年~2020年PLC营收规模复合增速约20%。

       此外,国产PLC品牌还有禾川、南大傲拓、英威腾、宝信、欧辰等,台湾由于在自动化市场起步较早,如台达、永宏等PLC产品也得到了国内外市场的广泛认可,其中台达曾一度杀进全球PLC排行榜前20。但从整体表现看,虽然国产PLC在中小型产品方面已经占有一席之地,尤其是某些单一、细分应用市场甚至超越了国外品牌,但在高端产品方面则严重不足,国内整体PLC市场份额国产PLC占比仅约10%。(数据来源于睿工业)

       这是因为PLC之所以能够在自动化控制领域诸多产品中长盛不衰,最主要还是满足生产环境的高可靠、高稳定性要求。与国外历经几十年的PLC迭代周期相比,国内PLC普遍缺乏市场使用-检验-反馈-功能不断优化的迭代过程,这也导致了大部分用户对国产PLC的可靠性持有怀疑态度。尤其是极少数国产PLC为赢得市场,一开始就想着采取价格优势的策略,但过低的价格势必压缩利润空间影响PLC品质,并导致自身最终陷入同质化严重的价格战。

       要知道PLC发展和应用中非常重要的一环是“软硬结合”。别看PLC是个硬件产品,但要想发展的好,软件已成为了决定性因素。因为用户需要采用PLC来实现机器的控制,那么如何应对复杂的逻辑、工艺(温度、压力、张力等控制)、运动控制、CNC、机器人、液压等控制;以及在选型、配置、编程、仿真测试、运营维护整个生命周期里对项目进行管理,都需要强大的软件平台支持。包括像对IEC61131-3的编程支持、对OPC UA通信的支持能力等,这方面像西门子的Portal、罗克韦尔自动化的Logix 5000、贝加莱的Automation Studio等都是积累了超过20年底蕴的平台,方便用户开发、升级维护系统,这些软件平台构建了PLC的壁垒。当然,并不是说国内PLC厂商必须把汇编语言和软件开发平台这条路再重新演进一遍,对于上述其他PLC厂商而言,可以采用如3S的CodeSys、Phoenix收购的KW-Software、德国Infoteam等独立平台服务商,为PLC厂商提供软件开发环境,在不同的硬件架构、RTOS上实现整个PLC的开发、编程、测试、运维等。

       但不可否认的是这个领域,也是国内工业软件领域欠缺的一环。近几年,北京奥特思技术的AnyControl平台是国内团队自主开发的IEC61131-3集成开发平台,包括PLCopen Motion的支持能力。这是一个艰苦的过程,但是也相信国产力量会很快的发展起来。

       再者,国内中、大型PLC市场不如小型PLC市场发展态势,是因为小型PLC侧重于单一对象的控制,相对比较独立。但中、大型PLC多伴随着项目主要面对复杂控制场景,不仅具有较高的技术实现难度,还涉及应用端、数据端和控制端的生态协同,需要将PLC与SCADA、HMI、CNC、机器人、网络通讯、上层软件进行联动,部分国产PLC厂商并不具备这种完整解决方案的能力。
 
图10
图10 大型PLC强调一体化的能力
(图片来源工业软件行业研究报告)

       最后,在用户和生态培养方面,许多国外头部PLC厂商采取校企联合的方式,提前一步将触手延伸至各大院校,通过免费修建实验室、开展培训课程和知识竞赛等方式,吸引大量在校学生使用旗下的PLC品牌,例如西门子、罗克韦尔、欧姆龙、贝加莱等编写了大量PLC教材并建立了相关应用场景的实验室。这也导致了国外PLC从源头就拥有了大量“粉丝”,完成了潜在用户的提前布局。

以史为镜,翻开PLC新发展篇章

       自动化是数字化、智能化发展的前期阶段,是企业推进智能制造的前提和基础。在2021年底国家八部委联合印发的《“十四五”智能制造发展规划》中,专门制定了智能制造示范工厂建设行动计划,提出推进设备联网和生产环节数字化连接,强化标准作业、可视管控、精准配送、最优库存,致力于打造一批智能车间。PLC基于其稳定性、可靠性、工作精度、性能一致性等优越性,对于企业来说,在产线自动化改造、生产效率提升、产品质量改进和资源利用率提高等方面发挥着重要作用。

       随着国内企业下游领域的多样化发展,与下游行业深度适配的PLC应用范围和深度也大幅拓展。例如近年来新能源汽车、3C产业和半导体等行业转型升级幅度加快,PLC在整个OEM市场应用中的占比也在持续提升。根据ReportLinker的数据显示。2020年全球PLC市场约为120亿美元,预计到2027年将达到158亿美元,年复合增长率为4.56%。睿工业的数据预测,2023年中国PLC市场规模约为165.4亿元人民币。回顾PLC超过半个世纪的发展和应用历程,我们可以得到以下启示:

       1.PLC在最初代替继电器执行逻辑、计时、计数等顺序控制功能的基础上,逐渐引入了微电子技术、计算机技术、自动控制技术和通讯技术,形成了新一代的智能编程控制器。除了高可靠性和适应满足多种生产控制需求外,PLC还具有性价比高、编程简单和易于拓展等特点,这些优势也奠定了其半个多世纪在自动化领域的长盛不衰地位。目前PLC与许多智能设备相同,包括 CPU、I/O、电源、底板、外设以及通信联网等模块,采用了可编程的存储器对逻辑运算、顺序控制、计时计数和算数运算进行存储,通过数字的、模拟的输入输出指令控制各种类型的工业生产过程。目前PLC可处理任务从传统的逻辑任务,延伸到了运动控制、机器人、机器视觉、高速实时以太网通信。

       2.在超过半个世纪的PLC发展历程中,国外自动化头部厂商如西门子、施耐德电气、罗克韦尔自动化、欧姆龙、三菱电机具有先发优势,通过在自动化领域的积累进行PLC产品的不断更新迭代,这些国外自动化巨头形成覆盖小、中、大型机市场的完整产品线,通过“品牌+技术+应用开发生态”的方式构成了较高的“护城河”,占据市场的主导地位。国内PLC厂商如汇川技术、和利时、中控技术、信捷电气等虽奋起直追,但多集中于中、小型机的行业应用,整体市场份额不高

       3.目前中、大型PLC侧重于复杂场景的应用,包括重资产设备、整条产线乃至整个工厂的过程自动化控制,强调软硬件结合。在项目应用中涉及应用端、数据端和控制端的协同运作,因此在数据采集与分析、通信和网络安全等方面相比小型PLC要求更高、覆盖面更广。中、大型PLC不仅需要发挥硬件端的技术和功能优势,还需要丰富的软件生态以及协同SCADA、HMI等信息系统发挥聚合效应,深耕行业know-how-尤其是在垂直的装备领域,每个细分领域都有其独特的工艺Know-How需求,这种以软件形式存在的工艺Know-How封装为模块,给用户调用,简化了机器开发过程,提升效率以应对快速变化的市场。

       4.伴随着云计算、大数据等信息技术的深化应用,PLC的概念和形态也得到了进一步拓展,主要方向是融合IT技术增强PLC的数据处理和控制功能。例如最新的云PLC是通过物联接口标准化,如OPC UA +TSN,以及应用云化,采用软件定义的方式,使PLC与工业互联网平台直接相通,实现PLC的远程控制,并将APP和分析结果嵌入机器和云,实现自我感知、自决策、自执行。目前,国内外许多PLC厂商也在积极行动与布局,如施耐德电气推出了集逻辑控制和运动控制于一体的PLC M262;菲尼克斯电气倡导基于Linux操作系统的PLCnext理念,允许使用Node-Red等开源工具进行编程;西门子S7-1500系列推出了专用于神经网络处理的模块,使PLC融入AI技术能够识别复杂模式;贝加莱推出了exOS系统,使基于Linux生态的应用软件如Python、JavaScript、Docker开发可以与PLC的实时任务进行高效协同,将Linux/Windows和RTOS融合。

小结

       经过半个多世纪的发展,PLC从一颗破土而出的幼苗已经成长为参天大树,其应用范围越来越广,智能化程度越来越高,并且整体PLC市场也进入稳定的发展期,市场增长趋缓,用户需求逐渐成熟,各个行业和领域的细分市场竞争格局相对稳定。一直以来,PLC坚持稳定可靠作为繁衍生息的根基,加上适配多种生产环境的简单务实风格,相信这也是为何PLC能够长盛不衰、历久弥新,被称之为自动化领域“常青树”的重要原因。

       本文撰写过程引用和参考了以下文章和资料,一并感谢:
       1.《PLC江湖波澜不惊 自动化风云录》  作者:彭瑜 林雪萍
       2.《PLC编程语言和平台的演变发展》 作者:彭瑜
       3.《揭秘第一台PLC之争》 作者:Randall Brodzik   来源:控制工程网
       4.《PLCNext谈古道今系列之PLC诞生记》  来源:菲尼克斯电气
       5.《工业软件行业研究报告:国产PLC厂商迎来历史性发展机遇》  作者:缪欣君、罗戴熠
       6.《国产PLC新的征程》  来源:和利时
       7.《PLC之父Dick Morley谈PLC》  作者:Alison Dunn  来源:工业4.0研究院编译
责任编辑:杨培
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