【中國智能制造網(wǎng) 學(xué)術(shù)論文】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(yùn)動(dòng)控制、安全控制功能之外，還承擔(dān)著工業(yè)4.0和智能制造賦予的新任務(wù)，即滿足工業(yè)大數(shù)據(jù)采集的需求，就地實(shí)時(shí)自治控制，編程的自動(dòng)化和智能化，提升無縫的連通能力。　　根據(jù)Frorst&Sullivan發(fā)布的PLC市場報(bào)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(qiáng)勢反彈，估計(jì)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。
　　
　　近年來PLC的市場發(fā)展概況
　　
　　ARC在2015年8月發(fā)表有關(guān)PLC和PAC的市場發(fā)展報(bào)告，其要點(diǎn)是：PLC與PAC市場在2014年實(shí)現(xiàn)擴(kuò)張。其中特別是中國和北美成為增長引擎。預(yù)計(jì)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(jì)目前PLC裝機(jī)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(jì)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)到了其生命周期的后階段?，F(xiàn)有裝機(jī)PLC的更新?lián)Q代，將是未來5年內(nèi)PLC市場增長的一個(gè)重要因素。此外，軟件和服務(wù)對PLC供應(yīng)商和終用戶越來越重要。終用戶更多地會(huì)要求將硬件完成的功能需求利用軟件來實(shí)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(hù)。有跡象表明越來越多的用戶打算外包他們大部分的維護(hù)、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(dòng)化人士在社交網(wǎng)絡(luò)的討論，比較集中的意見認(rèn)為是終用戶推動(dòng)著市場。機(jī)械裝備制造商偏愛PLC，是因?yàn)樗褂煤唵慰煽?，性價(jià)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(huì)永遠(yuǎn)保持其傳統(tǒng)的形態(tài)。在未來的5年時(shí)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(jìn)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(huì)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(yùn)動(dòng)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(jī)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(jìn)一步發(fā)展工程設(shè)計(jì)的自動(dòng)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(gè)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(shí)時(shí)自治控制，編程的自動(dòng)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(huì)不會(huì)因?yàn)檎谙破鸬牡谒拇喂I(yè)革命而被逐步替代呢？回答是否定的。同時(shí)，這也取決于PLC軟硬件技術(shù)能否快速的進(jìn)行適應(yīng)性的轉(zhuǎn)型和升級。事實(shí)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組織長期以來為提高自動(dòng)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(jìn)步是漸進(jìn)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(yàn)。
　　
　　特別是微電子技術(shù)的飛躍進(jìn)展，使得SoC芯片在主鐘頻率越來越高的同時(shí)而功耗卻顯著減??；多核SoC的發(fā)展，又促進(jìn)了在PLC的邏輯和順序控制處理的同時(shí)，可以進(jìn)行高速的運(yùn)動(dòng)控制處理、視覺算法的處理等；而通信技術(shù)的進(jìn)展使得分布式I/O運(yùn)用越來越多，泛在的I/O運(yùn)用也有了起步。
　　
　　為迎接工業(yè)4.0的挑戰(zhàn)，PLC硬件設(shè)計(jì)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(gè)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(jìn)行良好的散熱設(shè)計(jì)，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(jìn)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(gè)，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(jì)，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(jì)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。