用户中心

资讯 > 市场分析

近年来国内PLC技术的进展和市场发展展望

作者:www.cechina.cn2023.07.06阅读 16867

  PLCDCS、SCADA并列为工业控制领域的三大支柱。为摆脱基本依赖进口的局面,改革开放以来,国内许多企业、高校和研究单位前赴后继,投入了这三大系统的开发研制。比较而言,最有成效的应该是DCS,以中控、和利时等为代表的科技企业引领了我国DCS技术和市场应用的方向,占领了相当部分的市场份额。尽管芯片等基础元器件还不得不部分依赖进口,但在软件方面已经立足于自行开发,积累了相当的经验和诀窍。SCADA也有像亚控这样的企业持续深耕,积累了相当多的客户,技术上也形成了一些特色,正在向融合性平台方面发展。那么,PLC的状况如何,是不是很乐观呢?本文试图在这一方面进行探讨,可能挂一漏万,诚恳地希望各位读者指正和补充。
  总的来说,这些年来我国PLC的技术也有了长足的进步,在硬件和软件两个方向已经很少看到仿造的痕迹,独立开发、自行设计已经成为主流。特别是近几年,龙芯致力于国产芯片在工业领域的应用开发,帮助一些企业走出了PLC系统独立发展的新路;再加上众多的PLC中小型企业锲而不舍地辛勤耕耘,在硬件和软件方面都呈现了若干亮点。目前国产的PLC在国内市场的份额可能还没有突破10%,但从发展的趋势来说完全可能加速。
 PLC基础软件在我国发展的多元化展现 
  当上世纪80年代PLC进入我国的时候,PLC编程语言的国际标准IEC 61131-3(那时被命名为IEC 1131-3)尚处于开发起步的阶段。在国内市场活跃的是随成套火力发电装备引进而来的美国MODICON的中大型PLC,还有就是日本三菱电机、OMRON、富士电机等厂家的小型PLC。当时国内缺乏这方面的开发人员,软件基本上照抄照搬。到了1993年正式颁布了PLC编程语言国际标准之后,国际上陆续出现了基于IEC 61131-3标准的商品化的编程软件平台,并在大约2000年前后进入了国内的工控市场。国内企业经过几年的熟悉和应用,摸到了一些门道,于是在引进的基础上开始寻找自主开发的方法。又过了十几二十年,国内终于形成了目前的相当斑斓的局面和多元化的特色。这一条路走得有点长,一个重要原因是这类应用场景相对专一的技术难入国家科学技术发展规划的法眼,都是根据市场的发展和需求,各个有志于此的单位和人员在自行摸索和投入。
  目前在PLC基础编程软件方面,呈现在我们面前的大约可以概括为4种形态:
  1. 从自行开发的基于国际标准的PLC内核发展为综合集成的开发环境IDE,但并非把商品化作为目标,只为自身的控制系统服务,或为定制化的控制系统服务。这种形态的典型例子是杭州电子科技大学计算机学院严义团队的CAS S系统,还有和利时、中控、杭州优稳等,以服务自身的DCS产品为主。
  2. 也是从自行开发的基于国际标准的PLC内核发展为综合集成的开发环境IDE,主要特色是已经产品化,可以为社会上任何有需求的单位提供商品化的软件套件。以有15年IEC 61131-3可编程系统研发经验的团队为基础的北京奥特斯技术是目前国内此类商品化平台最具代表性的公司。
  3. 与国外的公司合作控制工程网版权所有,在他们的PLC内核基础上开发适合于国内工控市场需求的的综合开发环境,包括为国产化嵌入式芯片提供完整的软件环境和开发路径。典型的例子是上海翌控科技。
  4. 完全立足于自行开发并运用IT业界最新技术所形成的软件平台。其特点是既能满足传统PLC编程的各种要求,又能适应现代PLC运用于工业互联网环境的要求,以及方便地将人工智能引入。浙江清捷智能科技正在沿着这个方向做开创性的工作,而且已经取得了很好的成效。
  如果从前瞻性和执行力来评价一个科技机构的发展状况,这四个典型可以说各有专注,呈现出服务对象的差异化和技术特色的差异化。基本可以满足当下国内PLC市场对软件开发平台不同的需求,又在数字化转型时代具有不同的发展前景和方向,对今后PLC系统运用AI服务所必须的数据治理,如何方便采用开源的AI基础算法库等都有合适的解决路径和实现方案。
  杭州电子科技大学计算机学院严义教授、邬惠峰教授团队是一支自主开发IEC 61131-3编程系统平台的有生力量。他们的IDE开发环境CASS,配备了逻辑控制、顺序控制、过程控制、机械安全控制、多轴协调的运动控制、视觉检测和控制、现场总线和工业以太网通信等综合功能,还创造性地将装备数据库的概念和实现引入PLC系统,智能装备的运行数据都可以以规定的数据格式实时输入的时序数据库,为人工智能、视觉等算法所用。其编程功能在2017年获得PLCopen国际组织的认证。CASS平台具有宽泛的适应性,功能配置和裁剪自如,既可为复杂的智能装备提供应用软件集成开发、调试和运行维护,也可为国内外各种型号的MCU提供嵌入式PLC系统的软件开发环境。它们提供的系统已在工业机器人、数控绕线机、数控弹簧机、全电动注塑机、木材加工生产线、定制嵌入式PLC等获得广泛应用。
 
  北京奥特思技术有限公司提供国产化IEC61131-3可编程系统AnyControl。该软件产品适用于PLC、DCS、运动控制器、机器人控制器、边缘控制器、工控机、人机界面等,为用户提供先进的逻辑控制、运动控制和现场总线协议转换的自动化软件解决方案。公司对标全球先进的IEC61131-3可编程系统提供商,填补了中国自动化控制底层核心技术的空白,为广大用户提供自主可控且标准化程度高、易用性好的产品及服务。公司产品和服务具有以下特点:自主开发安全可控(系统基于开源工具链自主开发,不包含第三方不可控组件);适配国产生态环境(可以运行于并不限于国产操作系统和国产处理器芯片);支持的指令平台有:X86/64、ARMv7 Cortex-M/A 、ARMv8 Cortex-A 、龙芯(MIPS和LoongArch) 。支持处理器多核任务分配,支持基于优先级的多任务调度;系统支持IEC61131-3规范的五种编程语言LD、FBD、ST、SFC和IL,并支持高级语言程序扩展,用户可编写C/C++代码集成到运行时系统;采用执行效率高的编译型(非解释运行)技术,将用户逻辑直接编译成可执行的机器码;支持主流的现场总线和OPC UA协议,并可根据用户需求快速增加总线协议;集成运动控制功能,支持PLCopen运动控制规范;程序调试手段丰富,提供多种程序调试方法,包括断点调试、调用栈、交叉引用、变量读写、强制、监视列表、趋势图等。
  典型应用案例有:中科院自动化研究所 机器人控制器;某核电集团 核电DCS控制系统;某电网集团 风电PLC和通用PLC;中国华电集团 风电PLC和水电PLC;南京科唯信关键行业控制系统;深圳雷赛 PLC和运动控制器;仪综所 边缘控制网关;中国移动研究院 边缘控制网关;上海商飞网关控制一体机;四川某自动化公司 通用PLC ;某航天自动化 通用PLC。
  上海翌控科技有限公司专注于IEC61131-3 标准的工业控制系统软件解决方案,为国内研发PLC控制器公司提供核心软件平台,其中包括:IEC61131-3标准的开发环境、运行系统、主流现场总线等技术。采用高效的编译型技术以及组件化轻量级内核设计,对8/16/32位资源受限单片机或者Cortex-A以及x86平台均有较好支持。通过组件化开放式SDK接口,客户可集成任意C/C++组件至运行系统中(通讯协议、现场总线、专业算法函数与功能块等)。同时IEC61131-3标准的开发环境可以支持基于HTML/C++/C#技术的扩展开发、品牌定制。 
  翌控科技核心团队具备十多年行业经验,在IEC61131-3标准的控制器研发上具有较深入的理解,并坚定本土化研发理念控制工程网版权所有,围绕研发IEC61131-3标准的控制系统可提供从处理器芯片选型、基础驱动优化、操作系统选型、嵌入式中间件、控制器运行系统集成,以及IEC61131-3标准的开发环境二次开发OEM定制等相关服务;同时攻克了多个关键技术点,如操作系统实时性优化,Linux平台EtherCAT驱动瓶颈优化等www.cechina.cn,其提供的基础平台协助客户产品达到全球领先级别。
  
  主要特点是:
  1. 采用更先进的核心技术。用WebAssembly标准和技术作为PLC/CNC引擎,支持更多的开发语言生态(IEC61131-3, C/C++, Rust, TypeScript..),提供更好的运行性能、隔离性、安全性和可靠性。
  2. 开放的软件生态。使用跨平台技术,支持开放应用生态与应用商店, 促进控制算法市场化。
  3. 云定义控制,即云开发、云控制、云连接、云管理、云运维、云数据;兼顾本地和云端两种模式闭环工作。 
  4. 开放边缘计算平台,实时Linux,实时虚拟化容器(Docker)与微容器( Wasm ) 。
  5. 分布式现场网络,优先使能5G。
  6. 人工智能的深度支持。
  7. 基于Web的IDE技术,更好的开发体验;Web可视化应用。
 
 国产自主高端PLC系统发展概况 
  以往从芯片、操作系统再到应用,IT领域已经形成了Wintel(Windows+Intel)和AA(ARM+Androids)两大生态。基于传统指令集的全封闭结构的PLC在工控市场中占据主流。即使是国内开发的工业控制系统,也基本采用进口的芯片。经过三年的联合攻关和深度嵌合,2022年11月深圳华龙讯达和龙芯中科成功推出了以JIC PLC命名的完全自主的高速高端的大中型工业控制系统,采用龙芯100%自研LoongArch指令集和基础操作系统,龙芯3A5000芯片,其程序执行扫描时间低于1ms,非常适合于高速高生产节拍场景的应用。这一成果的取得得益于龙芯开放了底层的芯片指令集,而华龙迅达则将其融合在高速高动态响应的各种工业场景中。在国内这种开放指令集的动作,对于在行业占主导地位的Intel或者ARM来说是根本不可能的。而现在有了芯片、控制器和用户的三方信任和联动,控制器开发的进展速度就很快。作者曾在上海家中通过互联网观察到安装在云南玉溪烟厂现场运行的JIC PLC,并可以远程改变伺服电机的运行参数。   
  
 华龙讯达的自动化平台将各种工业软件系统(包括控制软件、数字孪生、标识解析等)进行原生的融合,例如在底层,龙芯指令集与华龙讯达工业控制系统指令集进行了融合与汇编。基于此,在控制器进行编译时,才可以实现原生的HMI和SCADA,实现各个机台之间无差别的交互操作。按照他们的理念,工业控制才是工业互联网平台的核心能力。而工业互联网平台的实施往往费时费力,难点在于OT与IT的融合,在于如何将控制系统的数据与其他源数据进行同步分析与处理。芯片级的指令交互,是整个工业互联网大厦的根基。新的工业自动化平台可以实现平台级的编译,实现每个传感器、每个工位,以及每个设备、生产线、车间、工厂的真正连接。通过平台,向上可以与ERP、MES、物流、WMS等整个信息系统共享数据,向下可以和机器数据共享。这些只有在华龙讯达和龙芯的通力合作下才能实现,成为控制系统上通企业管理、下通现场设备的全栈式连通。
  
  深圳市矩控新辰科技公司是一家有着十几年PLC整机制造生产经验的创新企业。最近几年来围绕工业边缘计算和控制推出了边缘智能可编程控制器、边缘智能I/O、边缘智能工作站、边缘服务器和边缘智能软件平台,为云-边-端架构下的智能制造提供了成套解决方案,包括数字化矩阵式工作岛群、边缘计算数据中心、智能仓储和物流调度、边缘计算分析等已经应用于芯片制造、节能玻璃智能工厂,新能源汽车的焊接、冲压、涂装和总装等车间,还有电子制造、机械装备和能源等行业的边缘智能系统。
  智能制造完整的解决方案是由以下各系统构建。边缘智能可编程控制器是一类近年出现的PLC新品种,便于在工业现场部署实时控制、网络通讯、实时/非实时的数据处理计算及存储等功能,将这些功能融合为一体,不但能够满足工业实时控制的需求,同时也能提供智能边缘服务并与云端协同工作,满足制造业对设备互联互通、实时数据处理及业务分析、设备安全运营维护等方面的关键需求,协助制造业突破数字化和网络化的瓶颈,有助于工业数字化转型升级。边缘智能I/O是一种实时工业以太网I/O系统,高达100μs响应时间www.cechina.cn,采用模块化设计和高密度集成,便于灵活配置。 数字化矩阵式工作岛群是一种智能边缘计算工作站,集成了逻辑控制、运动控制、机器视觉、机器人控制、数据处理和传输功能;作为智能化制造单元的边缘智能工作站主要用于运营分析和预测维护,便利高端装备智能控制、设备健康管理、产线级的人机交互等应用。 边缘智能服务器内预装Matrix Factory边缘计算系统,可快速部署于工业现场的边缘智能数据中心;能够适应严苛的工业环境,满足车间级的海量实时数据采集解析、存储、分析、建模等需求;可为客户提供模块化、个性化、可扩展的IT/OT融合的软硬件平台。边缘智能软件平台是本公司开发的工厂设备现场数据管理的专用软件平台——Matrix Factory边缘智能软件平台,适合在工业现场实现边缘层的应用,其中包含工业物联网开箱即用的核心基础功能,具备多源实时数据接入、多维数据呈现、设备仿真与调试、数据管理优化。以上的各种系统和部件构成实时数据驱动的智能工厂架构,在很大程度上为实现OT与IT互操作提供了便利,为处于边缘层的工作岛群OT和处于信息层IT管理提供了统一的、标准化的数据接口。所产生的海量数据在传输到信息层之前,已经在被所部署边缘计算控制系统完成了数据清洗、压缩、格式化、标注、加密等处理,使海量的生产运营数据可以方便的与处在同一边缘层的其它系统进行集成。
 
  基于IEC61131-3标准的Matrix Logic是MatriBOX系列边缘智能控制器的编程和综合开发平台。支持五种编程语言(指令表、功能块图、梯形图、结构化文本、顺序功能图),以及支持C/C++高级语言编程。结构先进、易于掌握。配备丰富的功能库文件,供编程直接调用。集成了人机界面的编写,用户可以通过功能来实现上位监控程序、报警处理程序、软件示波器等。支持运程维护和访问,异常报警实时显示,远程查看设备日志,可配置短信、邮件功能。支持OPC UA通信以及MQTT、Sparkplug、RESTful等协议。多重加密功能,有效的保护用户知识产权。另外,还具有一定的运动控制功能,点位控制、编码器反馈、JOG\电子齿轮、电子凸轮等。
  此外像专注于PLC开发和产业化的蓝普锋科技有限公司,如今已经成系列地提供大、中、小各型PLC。其大型PLC RPC3000具有CPU冗余、电源冗余、通信冗余等多重冗余功能,I/O容量可从数千点扩展到4万点。
 开拓国内PLC市场生态的一点粗浅意见
  尽管这些年国内在PLC的开发技术和应用技术都有长足进步,但生产制造环节的质量控制尤其是批量生产的质量控制仍然有待提高。PLC市场在上世纪八九十年代涌现的快速推广和增长、拼产品、拼质量、拼营销规模的方式已时过境迁,西门子、罗克韦尔自动化和三菱电机三巨头雄踞市场前列几十年不变的局面短时间也难以改变,但他们试图全面垄断市场也不可能。原因也很清楚,技术在不断进步,工业市场新需求层出不穷,特别是工业互联网和智能制造的迅速发展为PLC的更新换代、功能扩展构筑了很大的空间;在大宗PLC市场的周边还有许多细分市场需要深耕和提供完整的解决方案。因此要建立我国国产PLC市场的生态控制工程网版权所有,必须从策略、思路和方法上进行研讨和实践。
  进口PLC占据国内大多数的PLC市场,是有历史原因的。在国内还没有能力提供PLC的八九十年代,PLC应用市场是由美、德、日、法等PLC厂家推动起来的。到了具有一定市场规模,而且客户对其已经形成依赖惯性之后,技术支持能力、应用人员的培养和积蓄就成了重要的竞争方式。从上世纪九十年代开始,西门子、罗克韦尔、三菱电机等纷纷向相关专业的工科大学成批地捐赠或低价提供PLC实验装备,寻找和培育撰写相关机型的PLC专业教材的大学教师,并和有关出版社合作出版大量的PLC书籍。这种策略的根本动因就是希冀国内形成只会使用、不会设计制造PLC的市场局面。从短期来看这种方式对双方都有利可图,从长期来看就为国产PLC发展设置了人才、应用习惯和偏好等重重门槛。尽管国内的有识之士和PLCopen中国组织多年来一直呼吁和推动以PLC编程语言国际标准IEC 61131-3为基础的通识教育,获得了一定成效;不过,让广大的工科学生和在职技术人员掌握PLC的基础理论知识,改变以机型为核心的PLC课程设置,并没有大面积地突破,尚未从根本上解决问题。打破对进口PLC的长期依赖惯性,需要从PLC应用工程师的后备队伍抓起,需要系统性的方法或者说形成良性循环的生态系统,需要长期不懈的努力。
  市场扩展不妨从PLC的OEM市场寻求突破口。总体来讲,对于中小型PLC OEM需求占比超过60%以上,赢得市场份额的因素在于从配置的合理性和经济性、响应的快速性、质量、价格等多方面满足OEM厂家配套的要求。应该说,灵活性是国内PLC厂家的优势,以嵌入式定制PLC作为应对方法是一种很合适的选项;与此同时,稳定的质量是国内厂家必须保证的目标。这些年国内诸多的PLC厂家还能生存和发展,经验就是开拓和服务于细分行业和市场。像新冠病毒肆虐期间对口罩生产线或装备的需求一下子增加许多,而进口PLC因芯片等原因交货期延迟,这类相对简单的PLC系统国内大可满足,给了国产PLC一些机会,但显而易见此类机会性需求是不会持久的。
  从开发的角度看,市场并不需要很多的PLC软件IDE供应商,但需要他们保持持久稳定和高质量的服务以及与时俱进的技术进步。只要看目前全世界的PLC软件供应商也就区区的几个(如3S、KW、ISaGRAF、Axel、COPA-DATA等),便可明白这个道理。目前国内涌现的这个小行当还是有相当活力的,不需要在数量上有大的扩展,重要的是有足够的行业支持,保证其长期持续高质量发展的动力。从供应链的角度看,PLC厂商是PLC软件开发商的下游。PLC软件开发商对其客户(即PLC厂商)过去一般是销售IDE软件授权,可以针对客户的MCU品种和实时操作系统再提供相关的运行时系统。最近几年根据国内的市场需求,国内有的PLC软件开发商另辟蹊径,为客户提供基于ARM或X86(包括国产芯片)的PLC控制系统、I/O模块、实时工业以太网主站和从站等的硬件设计参考模板。由于PLC软件开发商在软件上的优势,可以在更小型化的MCU平台上支持其它公司需要使用更高性能处理器才能完成的更多功能,而且还可保证更好的实时性和更低的硬件成本。当然,作为具有工业质量的硬件模板还需要有环境适应性和电磁兼容性的保证。这种软硬一体Design house的营销方式的潜力在于可以让下游客户、PLC集成商或终端用户在短时间内(譬如三个月或半年)拥有符合工业质量的自有品牌产品。由PLC平台软件研发公司来把控PLC各种模块的硬件选型及供货渠道的确认,无疑会为PLC产品质量提供基本保证;PLC厂商应该做的是批量生产时的质量控制和如何把自己的知识诀窍通过软件模块集成到自己的系统中。这样,一方面PLC软件平台供应商就进化为PLC ODM供应商;另一方面在PLC的软硬件设计开发和PLC产品的生产制造之间形成了良性发展的生态。
 结束语
  综上所述,我们高兴地看到我国目前的PLC技术已经有了质的飞跃,其显著的特点是不仅从硬件、软件和系统,还是从应用来看都没有所谓被“卡脖子”的软肋,而且正在根据我国工业市场的多样化需求走自主可控的发展之路。这种状态完全与往昔不可同日而语。为了今后更好地有序发展,必须建立良好的开发、生产、销售、使用和服务各方合作的生态,推进提高国产PLC的市场占有率。同时要继续努力学习工业发达国家的质量控制经验,例如西门子的PLC生产制造的质量控制人员其数量和质量都不弱于开发人员,日本三菱电机的小型PLC生产的零库存供应链管理和质检方法,等等。在这些方面我们还任重道远,还有许多工程技术问题要一一攻克。
版权声明:版权归控制工程网所有,转载请注明出处!

频道推荐

关于我们

控制工程网 & CONTROL ENGINEERING China 全球工业控制、自动化和仪器仪表领域的先锋媒体

CE全球

联系我们

商务及广告合作
任小姐(北京)                 夏小姐(上海)
电话:010-82053688      电话:18616877918
rendongxue@cechina.cn      xiashuxian@cechina.cn
新闻投稿:王小姐

关注我们的微信

关于我们 | 网站地图 | 联系我们
© 2003-2020    经营许可编号:京ICP证120335号
公安机关备案号:110102002318  服务热线:010-82053688