顺应智能新潮流 PLC已成智能制造产业“先行官”

　　【中国智能制造网 学术论文】PLC作为设备和装置的控制器，除了传统的逻辑控制、顺序控制、运动控制、安全控制功能之外，还承担着工业4.0和智能制造赋予的新任务，即满足工业大数据采集的需求，就地实时自治控制，编程的自动化和智能化，提升无缝的连通能力。　　根据Frorst&Sullivan发布的PLC市场报告，有足够的证据证明，PLC市场在所有范围内都呈正增长。在过去的十年中，PLC市场在经受了前些年显著的下降之后，目前又呈现强势反弹，估计到2018年市场将达到148.5亿美元，比前五年增长40%。令人感到兴奋的是，中小型PLC将在市场增长中起着至关重要的作用。
　　
　　近年来PLC的市场发展概况
　　
　　ARC在2015年8月发表有关PLC和PAC的市场发展报告，其要点是：PLC与PAC市场在2014年实现扩张。其中特别是中国和北美成为增长引擎。预计该市场在2015和2016年增长前景不容乐观，主要原因是金砖四国（巴西、俄罗斯、印度、中国）已不再是增长因素。估计目前PLC装机数量达5200万台，其中以微小型PLC占相当数量，预计到2019年将达到6500万台。其中很大数量在未来5年内都已经到了其生命周期的后阶段。现有装机PLC的更新换代，将是未来5年内PLC市场增长的一个重要因素。此外，软件和服务对PLC供应商和终用户越来越重要。终用户更多地会要求将硬件完成的功能需求利用软件来实现。PLC相关服务也变得更重要。为了更专注于自己的核心竞争力，更有效充分利用工程资源，一些终用户已经外包了许多PLC相关服务，如配置、培训和维护。有迹象表明越来越多的用户打算外包他们大部分的维护、培训或备件业务，已经成为趋势。
　　
　　据美国相关自动化人士在社交网络的讨论，比较集中的意见认为是终用户推动着市场。机械装备制造商偏爱PLC，是因为它使用简单可靠，性价比好。从技术人员的角度分析，则是掌握PLC的人群远多于掌握PC和PAC的人群。不过，也不能认为PLC会永远保持其传统的形态。在未来的5年时间内，由于工业物联网的快速普及，以及云服务逐渐进入工业市场，需要PLC提供直接与MES、ERP等上层管理软件信息系统的接口，PLC系统一定要从硬件和软件上适应新工业革命也即智能制造的需求，不然PLC制造厂商还会遭遇严峻的挑战。
　　
　　智能制造对PLC功能的新要求
　　
　　PLC作为设备和装置的控制器，除了传统的逻辑控制、顺序控制、运动控制、安全控制功能之外，还承担着工业4.0和智能制造赋予的以下任务：
　　
　　1、越来越多的传感器被用来监控环境、设备的健康状态和生产过程的各类参数，这些工业大数据的有效采集，迫使PLC的I/O由集中安装在机架上，必须转型为分布式I/O。
　　
　　2、各类智能部件普遍采用嵌入式PLC，或者微小型PLC，尽可能地在现场完成越来越复杂的控制任务。
　　
　　3、应用软件编程的平台化，进一步发展工程设计的自动化和智能化。
　　
　　4、大幅提升无缝连通能力，相关的控制参数和设备的状态可直接传输至上位的各个系统和应用软件，甚至送往云端。
　　
　　概括而言，即满足工业大数据采集的需求，就地实时自治控制，编程的自动化和智能化，提升无缝的连通能力。
　　
　　PLC系统作为工业控制主力军的地位会不会因为正在掀起的第四次工业革命而被逐步替代呢？回答是否定的。同时，这也取决于PLC软硬件技术能否快速的进行适应性的转型和升级。事实上，PLC的软件技术以PLCopen为先导，一直在为满足工业4.0和智能制造日益清晰的要求做准备。图1所表述的是PLCopen历年来所开发的各种规范在工业4.0参考架构模型（RAMI4.0）相应维度和层级中的位置,可以明显地看到，PLCopen组织长期以来为提高自动化效率所做的工作。
　　
　　PLC硬件如何适应智能制造的要求
　　
　　尽管人们较普遍的认识是PLC硬件技术进步是渐进的，但也不能否认，PLC的硬件技术一直在为满足工业4.0和智能制造日益清晰的要求积累经验。
　　
　　特别是微电子技术的飞跃进展，使得SoC芯片在主钟频率越来越高的同时而功耗却显著减小；多核SoC的发展，又促进了在PLC的逻辑和顺序控制处理的同时，可以进行高速的运动控制处理、视觉算法的处理等；而通信技术的进展使得分布式I/O运用越来越多，泛在的I/O运用也有了起步。
　　
　　为迎接工业4.0的挑战，PLC硬件设计应该在以下方面有一定的改善空间：
　　
　　1、极大改善能耗和减小空间。PCB板85%的空间被模拟芯片和离散元器件所占，需要采取将离散元器件的功能集中于单个芯片中，采用新型的流线模拟电路等措施。
　　
　　2、增加I/O模块的密度。
　　
　　3、进行良好的散热设计，降低热耗散。
　　
　　4、突破信息安全的瓶颈（如何防范黑客攻击、恶意软件和病毒）。
　　
　　概括起来说，PLC的硬件必须具备综合的性能，即更小的体积，更高的I/O密度，更多的功能。
　　
　　举例来说，选用新型的器件收效显著：为了减小I/O模块的体积，减少元器件的数量，采用多通道的并行/串行信号转换芯片（serializer），可以对传感器24V的输出信号进行转换、调理和滤波，并以5V的CMOS兼容电平输入PLC的MCU。这样可把必要的光电隔离器件减少至3个，来自多通道的并行/串行信号转换芯片（serializer）的信号，可共享相同的光电隔离资源。
　　
　　Maxim公司的模拟器件集成设计，简化了信号链，使10V的双极性输入可以多通道采样、放大、滤波和模/数变换，而且只需单路的5V电源。这种设计取消了15V的电源，减少了元器件的数量和系统成本，降低了功耗，缩小了元器件所占用的面积。