Под влиянием Индустрии 4.0 и интеллектуального производства сфера промышленного контроля претерпевает глубокие изменения.
Являясь основой систем управления промышленной автоматизацией, программируемые логические контроллеры (ПЛК) за более чем полвека развития превратились из простого устройства, заменяющего реле, в ключевую инфраструктуру, поддерживающую современное интеллектуальное производство.
ПЛК всегда занимал абсолютно доминирующее положение в области автоматизации производства (FA) и управления процессами (PA) благодаря своей высокой надежности, сильной помехоустойчивости и характеристикам гибкого программирования.
Технологическую эволюцию ПЛК можно разделить на несколько исторических этапов. На этапах запуска и замены он возник из потребностей американской автомобильной промышленности в замене сложных проводных систем релейного управления.
Ранние ПЛК имели одну функцию и имели только базовые логические операции, функции синхронизации и счета.
Язык программирования в основном представлял собой лестничную диаграмму (LAD), которая была интуитивно понятной и простой в использовании, что также заложило основу для его легкого принятия инженерами-электриками.
Затем он вступил в стадию совершенствования функций и интеграции коммуникаций. Внедрение микропроцессорной технологии значительно повысило вычислительную мощность ПЛК, добавив такие функции, как аналоговая обработка, расчет данных и ПИД-управление.
Популяризация технологии полевой шины знаменует собой переход ПЛК от автономного управления к управлению распределенной сетью, становясь центральным узлом системы.
Затем наступает этап открытости, стандартизации и высокой производительности. Широкое внедрение международного стандарта IEC 61131-3 объединяет несколько языков программирования, включая структурированный текст (ST) и функциональные блок-схемы (FBD), улучшая переносимость и возможность повторного использования программного обеспечения.
В то же время появилась технология программного ПЛК, были интегрированы функции управления движением и безопасности, а производительность ПЛК высокого класса приблизилась к производительности промышленных ПК (IPC).
На этапе интеграции и аналитики технология Ethernet стала основной промышленной сетью, а интеграция ИТ/ОТ ускоряется.
ПЛК начал интегрировать OPC UA (унифицированную архитектуру связи с открытой платформой) для достижения межуровневой совместимости данных и служить узлом периферийных вычислений для выполнения новых задач, таких как предварительная обработка данных и облегченные алгоритмы искусственного интеллекта (например, прогнозное обслуживание).
Основная архитектура и рыночная экология современных ПЛК также имеют свои уникальные характеристики. С точки зрения аппаратной архитектуры современные линейки продуктов ПЛК обычно имеют форму пирамиды. Нижний уровень представляет собой микро- и небольшой ПЛК, который подходит для автономного управления оборудованием;
средний уровень — это ПЛК среднего размера, который подходит для производственных линий или локальных систем;
верхний уровень представляет собой большой высокопроизводительный ПЛК/ПАК (программируемый контроллер автоматизации), который обладает мощными вычислительными возможностями и богатыми коммуникационными интерфейсами и подходит для сложного управления процессами и планирования всего предприятия.
Программная платформа интегрирована и может обеспечить интегрированную среду разработки (IDE) от программирования, моделирования, отладки до диагностики и управления данными.
Программные платформы превращаются из чисто инженерных инструментов в экосистемы, охватывающие цифровые двойники и облачные сервисы.
Структура рынка представляет собой характеристики конкуренции олигополии и сосуществования «длинного хвоста».
Ведущие производители полагаются на свои глубокие технологические накопления, полную матрицу продуктов и огромную существующую экосистему для создания барьеров.
Фокус конкуренции расширился от производительности и надежности оборудования до простоты использования, открытости программного обеспечения, возможностей анализа данных и услуг полного жизненного цикла.
В контексте глубокой интеграции ИТ/ОТ технология ПЛК демонстрирует множество тенденций.
Что касается протоколов связи, ожидается, что комбинация Time Sensitive Network (TSN) и OPC UA поверх TSN унифицирует нижний уровень промышленной связи, достигнет детерминированной передачи данных в реальном времени и семантической совместимости, а также сломает «дымоходные» барьеры традиционных полевых шин.
Что касается вычислительной архитектуры, проникновение технологий виртуализации в область промышленного управления привело к появлению решений на основе виртуальных ПЛК или контейнерных функций управления, улучшающих использование ресурсов и гибкость системы.
Парадигма безопасности также обновляется. По мере углубления степени взаимосвязи сетевая безопасность становится важным атрибутом продуктов ПЛК, переходя от физической изоляции к глубокоэшелонированной защите, охватывающей несколько уровней, таких как безопасный запуск, безопасная связь, контроль доступа и обновления безопасности.
Кроме того, ускоряется интеграция искусственного интеллекта. С другой стороны, ПЛК интегрирует специальные чипы или модули ускорения искусственного интеллекта для поддержки интеллектуальных приложений, таких как визуальный контроль в реальном времени, аудиоанализ и оптимизация параметров процесса, реализуя переход от «логического управления» к «интеллектуальному восприятию и принятию решений».
Однако развитие ПЛК также сталкивается с некоторыми проблемами. Основные проблемы включают баланс между наследием технологий и инновациями.
Огромная система запасов и существующие навыки инженеров приводят к тому, что революционные технологические инновации сталкиваются с огромной инерцией; противоречие между открытостью и экологической замкнутостью. Хотя производители продвигают открытые стандарты, они по-прежнему пытаются создать свои собственные рвы с помощью программного обеспечения и услуг; вечные требования безопасности и режима реального времени, при внедрении ИТ-технологий должна быть безоговорочно гарантирована функциональная безопасность и надежность работы систем промышленного контроля.
Глядя в будущее, PLC откроет новые разработки.
Его роль будет переопределена: он превратится из «контроллера» в «интеллектуальный пограничный узел» и станет пересечением потока управления, потока данных и потока разведки.
Модель развития также изменится. Проектирование на основе моделей и программирование с минимальным кодированием/без кода могут снизить порог разработки сложной логики управления и привлечь больше ИТ-разработчиков к выходу в область ОТ.
В то же время бизнес-модели на основе подписки и услуг станут более распространенными, стоимость программного обеспечения будет продолжать расти, аппаратное обеспечение может стать стандартизированным, а бизнес-модели с лицензированием программного обеспечения и услугами анализа данных в качестве ядра станут массовыми.
