PLC技术发展与市场趋势观察.docx

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1、PLC技术发展与市场趋势观察作为工厂、车间的底层控制核心，PLC从诞生之初就在自动化 控制系统中扮演着至关重要的角色。一方面，来自客户的实际应用 需求，促使PLC朝着控制任务的集中控制节点、制造系统的数据节 点以及具有边缘控制能力的融合计算节点多功能演进；另一方面， 从西门子、施耐德电气、罗克韦尔自动化等国际主流厂商到汇川技 术、和利时等国内领先厂商不断创新，使PLC从最初的分时多任务 能力，到能够兼顾RToS、软件开发平台和上层OPC-UA OVerTSN等 技术架构。这一 “推” 一 “拉”两股力量，如双螺旋DNA般交织着 推动PLC持续演进、升华。本文将全面盘点IT与OT技术融合浪潮下，

2、PLC产品的软硬件意 识形态发生了哪些变化，通过梳理国内外PLC代表厂商的典型产 品、应用现状和发展策略，探索PLC在智能制造热潮之下，如何持 续书写“不老”传奇。1向阳而生，PLC走向开放与备受瞩目的数字挛生、工业互联网相比较，PLC就如同一棵 “饱经沧桑”的松柏，深深扎根工厂、车间底层，平凡且坚定地支撑 各种控制系统。在贝加莱工业自动化（中国）有限公司技术传播经理宋 华振看来，在经历了半个多世纪的沉淀和发展后，PLC早已从最初 简单用来替代继电器、接触器等简易控制功能，发展到如今拥有强 大数据处理和计算能力，包括I/O扩展能力，模拟量处理能力，以 及各种控制和运动功能于一体的控制器。现代的

3、PLC包含CPU、I/O、电源、底板、外设以及通信联网等 模块，从传统的逻辑任务延伸到运动控制、机器人、机器视觉、高 速实时以太网通信等功能。从硬件参数看，PLC的算力和数据存储 能力都得到极大增强。从微处理器的诞生开始，PLC就随同CPU快 速迭代更新，如今哪怕是小型PLC的CPU处理能力都能够达到纳秒 (ns)级别，并且支持多核架构。这使得PLC在进行逻辑和顺序控制 处理的同时，可以进行高速运动控制和视觉算法处理。例如，面对 大量的计算和数据流，PLC可以将任务交给多个I/O核心与计算核心 并行完成工作。为了完成多核之间的任务协调，分核操作系统会将 特定任务分配给特定的计算核心，每个核心则

4、采用分时策略，确保 数据的高速传输与实时可靠。此外，在存储空间方面，部分大型PLC已达到百兆以上，并通 过磁泡存储器和硬盘不断拓展数据容量，大量的存储空间不仅提升 了 PLC的数据管理能力，也为边缘计算和控制提供了基础。依靠强 有力的OPC UA over TSN,使PLC获得通过以太网传输实时性数据 的能力，完成控制器、传感器、驱动器多个维度的数据集成。PLC的这些外在变化是显而易见的，而作为PLC “灵魂”的汇编 语言和软件开发平台，其“升华”之快却容易被人忽视。实际上， 从20世纪80年代，当RS232的串联通信技术广泛地运用在计算机 领域的时候，自动化领域的工程师们就马上对这种技术进行

5、了分 析、消化和吸收，针对工业通信传输安全和工业工况环境的可靠性 和抗干扰要求，创造性地采用了 RS485双工差分式双绞线的现场总 线传输通信（物理层）标准。1993年12月，国际电工委员会制定的IEC 61131-3规范，使得 PLC领域美国偏爱的梯形逻辑图语言、德国流行的功能图语言、法 国推崇的GRAFCET （SFC顺序功能图的前身）以及日本常用指令表语 言得到了统一。必须说明的是，在制定编程语言国际标准的过程 中，IEC 61131-3大量地吸取现代软件的结构化、模块化、可复用性 等概念，并汇聚了软件工程技术中统一开发过程、面向对象等方 法，有力地推动了 PLC标准编程语言的发展。IE

6、C61131-3不仅成为 工业领域唯一的工业控制编程语言标准，还被DCS、SCADA PC控 制等系统广泛采纳，成为事实上的工业控制编程语言通用标准。其中，也离不开工业自动化巨头多年来在上层软件平台的创新 发展和历史沉淀，包括西门子的TIA PortaK罗克韦尔自动化的Logi X、贝加莱的AUtC）mation StUdiO等都建立了自身模块化功能应用和 通信标准规范，方便用户开发、升级维护系统。此外，德国CODESY S （原名 3S, Smart Software Solutions GmbH）、PhoeniX 旗下的 kW- SoftWare、德国InfOteam等独立平台服务商，也为

7、中小型PLC厂商 提供了软件开发环境，让用户可以基于不同的硬件架构、RTOS实现 整个PLC的开发、编程、测试、运维。毫不夸张地说，PLC软硬件融合的发展史正是IT与OT深度融 合的缩影。PLCOPen中国组织名誉主席、上海工业自动化仪表研究 院技术顾问彭瑜教授认为，PLC正在迈向一个开放的自动化世界， 未来的PLC控制系统不仅仅要对生产制造的实时性控制数据进行处 理和分析，还要对大量具有分析、归纳、总结的非实时数据进行处 理。PLC将采用如Linux等开放的实时操作系统，自由度高的Pytho n、C、C+等软件编程语言，多功能开发平台和通信接口平台，在保 留传统PLe简单、易用的优势同时，扩

8、大编程语言、工具及开源功 能集成的自由度。例如，一台PLC集成了 OPC UA服务端功能和OPC UA客户端 功能，就能保证这台PLC通过VPN进行有安全保证的数据传输，使 PLC的相关信息都可以被采集，进而向上层MES系统传递。作为一 个数据通信协议规范，宋华振强调，OPC UA并不是一个技术，而是 一个框架，包含TCP、UDP、MQTT以及Web SerViCe多种协议传输 标准。在面对具体任务时，可以类比成打印机：当我们在打印文件 时，无需关心连接的是手机、电脑、USB哪种设备；或是WOrd、PP T、3D Max、AUtOCAD哪种文件形式，打印机只会要求你定义打印 格式是横向还是纵向

9、、字号是多少、是否重复打印等原数据信息。 同样的，OPC UA作为各种数据传输的指导规范，将各种通讯机制进 行汇聚使其互连互通互操作，IT人员只要根据标准接口进行驱动安 装，OPC UA自身会定义地址和属性，实现机制调用，并进行用户授 权和验证。可以看出，新一代的PLC在满足可靠、易用的同时，已经彻底 摆脱了封闭的标签，拥有数据互操作性、内生信息安全、软硬件解 耦和分布式控制能力，既满足自动化系统运行过程和控制相关的实 时数据处理，也可以服务非实时数据的分析、存储工运算等要求。 2巨头集结各擅胜场下的竞合之道随着PLC走向开放，自身拥有PLC产品线的工业自动化巨头们 也在保留PLC适应性强、性

10、能可靠、性价比高等原有特点上，不断 吸收新的IT技术，融会贯通到工业生产实践中，让工业互联网、大 数据、人工智能技术融入到PLC控制系统中，使企业生产全生命周 期的研发、服务和管理数据也能在PLC控制器上进行运算和分析。 面对愈加开放的PLC系统，西门子、施耐德电气、罗克韦尔自动 化、三菱电机、欧姆龙、菲尼克斯电气、贝加莱、ABB等厂商加快 自身PLC发展脚步，与下层传感器以及上层HMI、SCADA等系统协 作交互，致力于纵向数据生态链的深度融合。2.1 1、西门子西门子最早的PLC产品可以追溯到1975年投放市场的SlMATIC S3,它实际上是带有简单操作接口的二进制控制器。1979年伴随

11、着 微处理器的面世，西门子创新研发S5系列取代了 S3系列，该系列 广泛地使用了微处理器。1994年4月，享誉全球的西门子PLC S7 系列诞生，其代表机型为S7-200、300、400等，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。2012年底，西门子推出了集多种功能的旗舰产品S7-1500系 列PLC,并在此后一直围绕上述系列进行产品迭代与更新。S7200系列S7300系列S7400系列S7-1200系列S7T500系列超小型化的PLu适合于AS机控!切、型系统的控制,适用于存 行各业横埃化小SPlC系统,可用于对设斜迸行直接拴肉,可以对多个 下T

12、fi的5物?序控制题进行监校,帔满足中等性帔襄忒的应用.中小HPLc与S7- 300fl9区别主要在于照Ig动（W这一部 分，H他*一样SJSPLC. JSS7200的升级版,具有便蝶化、结恰桀溃、功 绕全面等特点，适用于多种应用，豚悌H现有投费的长期安 全大中型PlC,专为中JHaHS餐和工厂自动化设计，B供用户进行 超高速的运籁处理.同有点趣的系统忸屹并复成一系列功 舱，包括运动控帘、工业8息安全等图1西门子代表PLC产品系列及功能特点2010 年，西门子提出 J，TIA(Totally Integrated AUtOmation)概念，即全集成自动化系统。可以让用户组态多个设备并分别与上

13、层PLC进行程序设计，也可以在上下位之间共享变量，快速进行组态和PLC编程。通过TlA POrtal相连，西门子PLC用户不仅可集成基本软件功能(如 step7,wNcc,Sinamics startdrive,smocode ES 和 SlMOTION SCOUT TlA等），还可以在单一界面中执行多用户管理和能源管理等新功能，让用户面向已有的成熟SIMATIC控制器执行创新 的工程组态。从拓展性的角度，STEP 7包含了西门子S7-1200, S7-1 500系列PLC的编程功能，也继承了前身对S7-300和S7-400的支持。作为自动化市场的代表厂商，西门子PLC在国内中高端OEM和 大

14、型项目领域进展迅速，来自客户的反馈非常积极。其最新的SlMATIC S7-1500系列PLC拥有透明化编程方式、系统冗余的特点，并配有人工智能芯片，可以实现神经网络的高速处理，目前在西门子安 贝格工厂和成都数字化工厂都有大量的应用示范。2.2 2、施耐德电气施耐德电气初代PLe产品主要分为两大阵营，一个是凭借收购 全球PLC鼻祖Modicon公司后推出的“数字系列”。当初与DEC的P DP-14和3-1的PDQ-II竞争胜出后，Modicon公司在1973年将“08 4” PLC升级为“184” PLC重新推出,1975年推出了 “284” PLC, 1 979年推出了工业通信网络MOdbUs

15、, 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。另一个PLC产品阵营则以收购的TE公司为代表，旗下拥有 Premium Micro 系列 PLCoTWido系列dtsLC,可完成TSN自动化任务，蟀呈平台是TwidoSoftBnwidoSuitePremiUm 系列SPLCr可以对多个下Tfi9可翦程加/器遂行图5,国S新的*程平台是Unkry, 3SPL7 ProM340系列年PlC,与Premium系列性境相似，翊S平白是UnitryPLC, MWKS593ffU.全面支冏OoMWIS以网，QUantUmn系列能显快澧

16、it立热务冗余，支挎任念有点嵬板，请程平S是Unitry,原来衣OnCePt图2施耐德电气代表PLC产品系列及功能特点考虑到两个产品阵营有部分功能重叠，施耐德电气将Modicon 和TE的PLC产品进行了整合，将Unity Pro软件作为中高端PLC的 统一平台，支持Quantum Premium和IVI340三个系列。其小型PLC 以TWidO系列为代表，仍然使用TWidOSOft软件进行功能开发。虽然 施耐德电气的PLC编程软件很多，但是目前较为常用的以Unity PrOn SoMachine SoMachine BaSiC 为主。施耐德电气认为，数字浪潮下IT技术将不断融入到PLC产品之 中，设备、产线、工厂之间的互联互通互操作比以前任何时期都更 为重要。对此，施耐德电气在2017年正式推出了 Ee