智能制造大環(huán)境下PLC的發(fā)展趨勢和路徑

　　近年來PLC的市場發(fā)展概況

　　根據(jù)Frorst & Sullivan發(fā)布的全球PLC市場報告，有足夠的證據(jù)證明，PLC市場在所有范圍內(nèi)都呈正增長。在過去的十年中，PLC市場在經(jīng)受了前些年顯著的下降之后，目前又呈現(xiàn)強勢反彈，估計到2018年市場將達(dá)到148.5億美元，比前五年增長40%。令人感到興奮的是，中小型PLC將在市場增長中起著至關(guān)重要的作用。

　　ARC在2015年8月發(fā)表有關(guān)PLC和PAC的市場發(fā)展報告，其要點是：PLC與PAC市場在2014年實現(xiàn)擴張。其中特別是中國和北美成為增長引擎。預(yù)計該市場在2015和2016年增長前景不容樂觀，主要原因是金磚四國（巴西、俄羅斯、印度、中國）已不再是增長因素。估計目前PLC裝機數(shù)量達(dá)5200萬臺，其中以微小型PLC占相當(dāng)數(shù)量，預(yù)計到2019年將達(dá)到6500萬臺。其中很大數(shù)量在未來5年內(nèi)都已經(jīng)到了其生命周期的最后階段?，F(xiàn)有裝機PLC的更新?lián)Q代，將是未來5年內(nèi)PLC市場增長的一個重要因素。此外，軟件和服務(wù)對PLC供應(yīng)商和最終用戶越來越重要。最終用戶更多地會要求將硬件完成的功能需求利用軟件來實現(xiàn)。PLC相關(guān)服務(wù)也變得更重要。為了更專注于自己的核心競爭力，更有效充分利用工程資源，一些最終用戶已經(jīng)外包了許多PLC相關(guān)服務(wù)，如配置、培訓(xùn)和維護。有跡象表明越來越多的用戶打算外包他們大部分的維護、培訓(xùn)或備件業(yè)務(wù)，已經(jīng)成為趨勢。

　　據(jù)美國相關(guān)自動化人士在社交網(wǎng)絡(luò)的討論，比較集中的意見認(rèn)為是最終用戶推動著市場。機械裝備制造商偏愛PLC，是因為它使用簡單可靠，性價比好。從技術(shù)人員的角度分析，則是掌握PLC的人群遠(yuǎn)多于掌握PC和PAC的人群。不過，也不能認(rèn)為PLC會永遠(yuǎn)保持其傳統(tǒng)的形態(tài)。在未來的5年時間內(nèi)，由于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的快速普及，以及云服務(wù)逐漸進入工業(yè)市場，需要PLC提供直接與MES、ERP等上層管理軟件信息系統(tǒng)的接口，PLC系統(tǒng)一定要從硬件和軟件上適應(yīng)新工業(yè)革命也即智能制造的需求，不然PLC制造廠商還會遭遇嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

　　智能制造對PLC功能的新要求

　　PLC作為設(shè)備和裝置的控制器，除了傳統(tǒng)的邏輯控制、順序控制、運動控制、安全控制功能之外，還承擔(dān)著工業(yè)4.0和智能制造賦予的以下任務(wù)：

　　1、越來越多的傳感器被用來監(jiān)控環(huán)境、設(shè)備的健康狀態(tài)和生產(chǎn)過程的各類參數(shù)，這些工業(yè)大數(shù)據(jù)的有效采集，迫使PLC的I/O由集中安裝在機架上，必須轉(zhuǎn)型為分布式I/O。

　　2、各類智能部件普遍采用嵌入式PLC，或者微小型PLC，盡可能地在現(xiàn)場完成越來越復(fù)雜的控制任務(wù)。

　　3、應(yīng)用軟件編程的平臺化，進一步發(fā)展工程設(shè)計的自動化和智能化。

　　4、大幅提升無縫連通能力，相關(guān)的控制參數(shù)和設(shè)備的狀態(tài)可直接傳輸至上位的各個系統(tǒng)和應(yīng)用軟件，甚至送往云端。

　　概括而言，即滿足工業(yè)大數(shù)據(jù)采集的需求，就地實時自治控制，編程的自動化和智能化，提升無縫的連通能力。

　　PLC系統(tǒng)作為工業(yè)控制主力軍的地位會不會因為正在掀起的第四次工業(yè)革命而被逐步替代呢？回答是否定的。同時，這也取決于PLC軟硬件技術(shù)能否快速的進行適應(yīng)性的轉(zhuǎn)型和升級。事實上，PLC的軟件技術(shù)以PLCopen為先導(dǎo)，一直在為滿足工業(yè)4.0和智能制造日益清晰的要求做準(zhǔn)備。圖1所表述的是PLCopen歷年來所開發(fā)的各種規(guī)范在工業(yè)4.0參考架構(gòu)模型（RAMI4.0）相應(yīng)維度和層級中的位置，可以明顯地看到，PLCopen國際組織長期以來為提高自動化效率所做的工作。

　　PLC硬件如何適應(yīng)智能制造的要求

　　盡管人們較普遍的認(rèn)識是PLC硬件技術(shù)進步是漸進的，但也不能否認(rèn)，PLC的硬件技術(shù)一直在為滿足工業(yè)4.0和智能制造日益清晰的要求積累經(jīng)驗。

　　特別是微電子技術(shù)的飛躍進展，使得SoC芯片在主鐘頻率越來越高的同時而功耗卻顯著減??；多核SoC的發(fā)展，又促進了在PLC的邏輯和順序控制處理的同時，可以進行高速的運動控制處理、視覺算法的處理等；而通信技術(shù)的進展使得分布式I/O運用越來越多，泛在的I/O運用也有了起步。

　　為迎接工業(yè)4.0的挑戰(zhàn)，PLC硬件設(shè)計應(yīng)該在以下方面有一定的改善空間：

　　1、極大改善能耗和減小空間。PCB板85%的空間被模擬芯片和離散元器件所占，需要采取將離散元器件的功能集中于單個芯片中，采用新型的流線模擬電路等措施。

　　2、增加I/O模塊的密度。

　　3、進行良好的散熱設(shè)計，降低熱耗散。

　　4、突破信息安全的瓶頸（如何防范黑客攻擊、惡意軟件和病毒）。

　　概括起來說，PLC的硬件必須具備綜合的性能，即更小的體積，更高的I/O密度，更多的功能。

　　舉例來說，選用新型的器件收效顯著：為了減小I/O模塊的體積，減少元器件的數(shù)量，采用多通道的并行/串行信號轉(zhuǎn)換芯片（serializer），可以對傳感器24V的輸出信號進行轉(zhuǎn)換、調(diào)理和濾波，并以5V的CMOS兼容電平輸入PLC的MCU。這樣可把必要的光電隔離器件減少至3個，來自多通道的并行/串行信號轉(zhuǎn)換芯片（serializer）的信號，可共享相同的光電隔離資源。

　　Maxim公司的模擬器件集成設(shè)計，簡化了信號鏈，使10V的雙極性輸入可以多通道采樣、放大、濾波和模/數(shù)變換，而且只需單路的5V電源。這種設(shè)計取消了15V的電源，減少了元器件的數(shù)量和系統(tǒng)成本，降低了功耗，縮小了元器件所占用的面積。