2018-09-16 10:28:08 | 人围观 | 评论:
首先，有一点需要明确，现在讲的高端plc和10年以前甚至5年以前已经不一样了。不是说10年前是高端PLC，现在它还就还可以称之为高端PLC。因为社会在发展，更先进的东西出来了，所谓的高端，评判它的标准在不同的时期是不一样的。在当前智能制造时期，我认为以下五大特征已经成为高端PLC的必备条件：
1、带点能力不再是关键，通信能力更重要
现在大家都看到控制系统架构已经全面工业以太网化了。十几年前现场总线兴起的时候，我们说一个高端PLC，要具备分布式控制能力，要能带很多的分布式站点，具备现场总线的连接能力。那个时候评价一个控制器的性能指标，带点能力是最重要的一项。随着现场设备智能化的提升和控制系统为保障可靠稳定性和可用性的需要，CPU的带点能力不再是区分高端与否的关键，现在重点关注的应该是以太网通讯在现场的覆盖能力，这个直接决定了系统对现场工艺设备的控制水平。同时，因为现在处于一个承上启下的时期，比如现在现场总线还在用，不能说因为升级了，就和过去现场总线不再兼容了。但是未来的发展趋势是以太网的天下，对以太网的支持应该是更重要，而对已有现场总线协议的兼容也是不容忽视的一方面。
以前以太网是在PLC与上位管理机软件之间通讯才采用的一种通讯手段，它的优势是可以传输更大的数据量，可以有更多的控制站点能连在这个网络上去。但是对于现场控制来说，现场I/O站即使再多、设备即使再多，其实它的通讯量并没有那么大，它不会像PLC与上位机之间通讯量那么大。但是它对实时性、可靠性要求更高，丢包率很重要，实时性和数据传递可验证性的很重要。
现在随着工厂精益化管理的发展，越来越多的工厂开始使用像MES系统、资产管理系统等上位运维管理软件，当然也有人把它叫成智能制造或者是数字化工厂。这是由于越来越多的工艺客户开始为了追求更精益化的控制，要寄希望于通过PLC系统向下取一些现场的数据，来直接使用，提高效率和实时性，从而提升整体运营的效率、管理的能力。
对于全面以太网化，无论是PLC厂商还是用户都已成共识。在最近施耐德发布的昆腾+上也得到了很好的印证。
施耐德的昆腾+和之前发布的M580 PLC统称Modicon ePAC，是全球首款全以太网的可编程自动化控制器。全以太网是什么意思呢？从外表看，我们可以看到其CPU集成了3个以太网接口，可以连接很多现场的以太网设备，其实在它的CPU内部是采用了最先进技术定制化的一款双核微处理器芯片，可以在这个高大上的芯片中直接处理以太网报文。还有是其采用了以太网背板，它其实是把一个以太网交换机芯片集成在背板里头，其他公司的背板跑的是数据总线，说白了就是两个安装在同一个背板上的模块之间物理连接起来了，就相当于把两个模块连在一块了，实现数据通讯简单的一个桥路。而昆腾+背板里头是有一个交换机芯片，所有插在以太网背板上的通讯模块或者是第三方的功能模块，可以借这个交换机模块的协调，来跟CPU、或者直接跟上位系统、或者是跟其他的系统做通讯，相当于一个智能化的“通信指挥站”。
2、PLC的信息安全成为不可或缺
在“一网到底”这种情况下就涉及一个问题：这个网被连通了以后，现场生产工艺设备和上面的管理软件甚至云端连在一起以后，它把一些管理和数据分析的系统和我们工业控制的专用系统通道打开了，那么它的信息安全的保障要求就更高了。一旦从现场设备做数据交互的时候，意味着整个通讯网络被打通，打通过程中如果信息安全在任何一个节点出现问题，都有可能造成相互之间的影响。如果上层软件信息安全没做好，它有可能从这个地方侵入然后延续下来，如果控制网络与管理网络之间衔接的地方信息安全部署没做好，就有可能从把上面的或者下面的侵入，会造成一系列连锁。
那么PLC这一侧也一样需要做好信息安全。过去的PLC在研发时在信息安全这部分是没做任何的考虑的，因为主流的高端PLC都是20年前的技术研发的，那时候没有信息安全，后面想去补这块就只能外面加罩子，要么有厂商通过底层操作系统更新打补丁，或者就是现在很多信息安全公司和所谓的信息安全小组在做的事，加防火墙，加一些网络安全的交换机。但这个治标不治本，就像人一样，你很虚了，一身的病，天天吃补药，你看着好像是好了，但是一旦出现新问题你是抗不住的。纵深防御可以起到层层隔离防护的作用，但真正安全还是需要各控制层级自身就做好，这个也是一大问题，新一代的高端控制器必须要考虑的，自身开始，不管你别的地方部署好了没有，最起码PLC自身不要受到侵害，具备本体的安全防护能力。
在这方面，不妨可以通过施耐德昆腾+来看看怎么实现的。与其他PLC的以太网不同，比如像有些公司的CPU也集成了以太网接口，但是接口进来的数据到了CPU母板上以后，它是通过通讯协处理器把数据报文拆开，将数据放到缓存区，CPU处理的还是数据，它的CPU电路板上是两个芯片，一个是CPU的核心芯片，另一个是通讯协处理器芯片，所以它有时候也自己称为多核控制器。这样的设计带来的问题是什么呢？当大量的数据从通信协处理器核传到主处理器核的时候，所有的工作都需要主核去控制和读取，当通信数据量大的时候的不但会造成数据瓶颈，而且在传递过程中，没有办法检查这个数据的完整性，同时也会影响CPU对过程控制的执行效率。此外，如果遇到信息安全问题，任何一个核被攻破了，另一个核是不知道的，是很难控制的安全风险。
对于M580、昆腾+来说，其母板上面只有一个核心处理芯片，但这芯片本身是双核的，这双核里头有一个核专门做系统控制程序的管控，另一个核则专门负责通信的管理，但它是一个芯片，也就是它的固件是一个。双核分工合作来完成现场工艺控制和通信控制，这样即便有再大量的通信数据需要处理，只要是与本地控制无关的，都不需要通过程序管理核而是直接由通信核发给目标。同时，因为所有通过以太网接口或者外部通信模块进行交互的通信数据都是在RAM里头以以太网报文的形式存储，然后以太网报文直接可以被内核调用。这样的话数据是可以校验的，可以判断完整性的，在这种情况下，从外面的现场过来的数据，从上位机过来的数据、管理软件过来的数据、背板过来的数据，到核心芯片处理的数据，全都是以太网报文的，它的安全可靠性就更好，再加上采用先进的IPsec防护手段，也是真正实现了基于原生安全的一网到底。
3、不再单纯追求有多快而是要求有多稳定多可靠
生产工艺在过去进入工业时代以后，已经逐步成熟起来了，到现在我们去改变一个工艺是很难的，因为能改变的我们基本都改变了，就是说工艺上对控制系统的处理速度很难有大的变化。对于用户最关心的工艺流程的效率或者精细度提升而言，其实从两方面可以去优化它，一个是它的整个的生产流程管理、整个的物料这方面的精细化管理。另一个就是对设备的精细化管理。但是在这一块来看，其实我们设备在过去20年上一代高端控制器的能力控制下，它的处理速度是没有任何问题的，可以完全满足工艺需求的，更快的控制系统对于改善和提升工厂的运营收益已经很难体现价值了。就像在高速公路上跑，你跑到500迈没有意义，因为对于稳定可靠性来说，我们制造一个车能跑到200多迈就达到期望了，就够用了，你再快的速度也用不上，反而带来潜在危害。在这种情况下，我们一味的再去像过去的时候，去追求比一个高端处理器多快，这个已经没有意义了。但有一点跟以前一样，它的稳定可靠性，就像我为什么要开轿车，不去骑摩托车呢？它毕竟安全可靠性要好。
高端控制器现在来看，不是说看能带多少点，处理速度快到什么程度，因为这些发展到上一代的时候已经不是事了，现在随便拿一个中小型控制器，说带点能力和处理速度达到大型控制器的水平也都没太大差距。但是核心的东西就是它的安全性、稳定可靠性，它的系统的通讯能力，因为过去大型PLC主要是做大系统，大系统一定是有相互之间通讯，有协同的管理能力，与上位机通讯的能力、支持能力，这些能力都是判断这个系统是高端控制系统，还是中小型控制系统。
施耐德昆腾+在稳定性可靠性方面其实也有很独具匠心之处。首先是昆腾+的冗余同步也是采用以太网报文的方式做同步数据的传递，不但可以提高到千兆，而且除了用光纤连以外，还可以支持短距离的电缆连接，这样系统更简单了。同时，要知道，用光纤的时候在两个端口需要有光电转换，因为CPU本身处理的是电信号，中间如果直接用电缆来连，意味着去掉光电转换环节，整个系统的可靠性和稳定性也大大提高了。
另外提高可靠性的变化是，昆腾+、M580系统已经不需要配备后备电池或者是储能单元。我们知道，高端控制器大部分使用在连续运行的过程控制行业，在万一发生停机以后，不允许关键数据丢失。这样在有故障的时候，应该可以查询到是什么原因造成的这个故障；在上电后可以实现对工艺控制程序的延续执行。所以对于运行和后期系统的运营监管来说，要求一些关键数据，即使出现掉电也不能丢失，所以大型控制器一版都有一个微弱的后备电流，来维持芯片里面数据不丢失。但这样带来一个问题是什么呢？电池或者储能器件的电容是有寿命的，这个寿命什么时候到期与使用环境有关系是不可预知的，万一在没电的时候出现一次系统掉电，那数据就全没了，这个对维护来说是很大的一个风险。为了解决这个问题，昆腾+里面加了一个额外的存储区，它使用的是最新的一种磁感应方式的存储芯片，这种芯片即使掉电以后，也不会因为没有维持电流而丢失里头的存储数据。也就是说只要存在里面的关键数据存在这个区以后，哪怕放几十年这些数据都在里面。
经过一系列的优化，包括芯片，包括相关新的技术，昆腾+的控制器模块在功能大幅提升的情况下平均无故障运行时间却可以达到60多年，这是相当优异的稳定可靠表现。
4、尺寸小型化、使用简单化是趋势
过去咱们说个头大就好，过去是没有办法，因为当时做不小了，其实它已经做得尽量小了。电子类产品一定是同等性能下，做得越小，它的技术含量就越高。另外，我们知道现在有个大的趋势，因为工业产品越来越被大家接受，开始向民用领域进发，尤其是这些年各个国家工业发展到一定程度了以后，有大量的民生工程，比如很多的大型楼宇里面都开始用PLC在控制了，过去都用的是嵌入式控制器，但是它通用性、扩展能力有限，维护起来需要专业的人维护，而PLC各方面原因使得它受欢迎程度开始体现。而未来分布式要求越来越广了，即使是过去传统的这些重工业，它对于控制系统的分布式安装要求越来越高，过去说我们有专门的控制站，尤其是传统产业，所有的PLC都放在一个主控站里头。但有个问题，这些模块联到现场设备的时候，连接接线很多、施工复杂、维护复杂、成本也高，所以有分布式I/O。未来所有的设备都向智能化发展，未来现场的电机，现场的一些检测仪表，可能都是以太网接口，它通过以太网直接连到控制系统里来，主控室里可能一个柜子里头全是控制器，然后一堆的交换机连了一堆的网线过来。在这种情况下，你觉得PLC是做大，还是做小？控制理念变了，工厂的设计也就会变，将来监控系统的屏幕会做得很大，但是设备就要尽量用小的地方了，提高舒适度，从而来提高效率。这么考虑的话，如果按现在控制一个3000点，得需要十个柜子，未来越来越不可能了。
如何在更小的电路板上面，放上原来功能高端的芯片，或者说将比原来功能更强大的芯片集成到一个更小的电路板上，这需要专业的设计和制造的能力，不是谁都能做得很小，把电控系统做大了容易，做小了比较难，因为更小的尺寸里面解决EMC干扰、解决散热问题、解决电路排布的问题，来实现一个比原来更强大的一个控制器，这就是高端的一个体现。
相比以前的昆腾，以及市面上同等级的高端PLC，昆腾+显然在个头上已经算是做到了极致。
5、经验传承和专业品质必不可少
高端控制器不是说某一天突然冒出来一个产品就可以实现高端控制器，它和民用设备不一样，可以说我原来做显示器、做电脑的，突然冒出来我做个手机，它很快就成为行业的核心玩家了。但是工业控制领域不具备这个条件，因为手机坏一下、出一下问题不会影响大事，用户对于稳定运行的关注度不像工业设备，现场控制如果停一下、出一点问题，那就是大事了，所以传承特别重要。为什么这么多的PLC厂商里头，只有这么寥寥可数的几家可以提供高端控制器，不是所有人都能做，就是因为经验的传承。你没有经验，突然进来了，就像搞软件似的突然找几个高手过来编编就行，不是那么回事，里头涉及到所有的芯片、所有的布局、EMC抗干扰，各方面都是经验的一个总结，通过多少年不断的积累，不断优化，再优化做出来的。
另外一个是专业，为什么要有专业品质呢？现在能够做出来控制器的人特别多，尤其是利用PC-base这些芯片做的话，都是现成的芯片和操作系统。而现在的PLC行业，它的标准，不管编程的标准还是系统架构等都有标准可遵循的。在有可遵循的情况下，做一个模仿出来的东西是很容易的，但模仿出来的东西，它的专业度就很重要了，没有经验积累，没有这些专业的领域知识，很难做出来一个很专业的东西，这也是好多厂家只能做低端控制器。越往高端的越难，就是这个原因，很多公司做了这么多年了，想往高端冲，但一直冲不上来，就是这个问题。
这个联系到昆腾+你就可以看到，原来在昆腾PLC上首次出现的液晶显示屏不见了。这个变化是一个传承的体现，也是专业的一个表现。当年在PLC上加上显示屏，业界哗然，所有用过的人都觉得好，为什么？因为在十几、二十年前的时候，大家别说手持设备，连笔记本都配的少，都是台式机或者是专用的编程器，携带起来很不方便，而且价格很昂贵。在这种情况下，去做现场故障诊断的时候，光靠CPU上那几个小的指示灯是很难判断故障的，还得抱着手册去查。有了一个液晶屏之后，看起来信息更直观全面，很方便，大家觉得真的是很便利。但液晶屏带来的问题是什么呢？首先液晶屏本身寿命比CPU要短，另外液晶屏是要耗电的，它的电源供电和CPU同样的供电回路，而供电回路是PLC里面相对比较薄弱的环节。电源增加的负荷越大，它损坏的机率越多，这也就造成一个对控制系统稳定性的负面影响。所以发展到今天，维护工程师都有笔记本，甚至拿个iPad或者手机通过WIFI的方式都可以直接查看，而且更加详实、更直观，显示屏对大部分人来说已经失去了存在的价值了，考虑到更加稳定可靠，当然就可以去掉了。同时昆腾+增加了网页发布功能，不管是单机还是冗余控制器都可以做网页发布，CPU里本身集成了网页服务器，所以这是一个传承加专业的一个体现。
另外一个说传承加专业的体现，现在昆腾+上面没有开关按纽这些东西了，你见不到任何拨码开关和按钮，这样的话避免了任何对核心的、大脑的这个位置有意的或者无意的损害，造成系统扰动。
从专业创新的角度看，昆腾+控制器采用新型存储芯片用于关键系统和过程数据的掉电保持，把运维大型PLC系统最让人头痛的备份电池或储能器件维护的问题解决了。就是这些已经成熟的新技术的专业使用，令昆腾+系统的使用和维护变得更加简捷方便。
其实从昆腾+上我们还可以发现更多高端PLC的特征，但是我想这五个方面是比较典型和重要的，虽然难免有以偏概全之嫌，不过至少可以给大家带来一些较清晰的高端PLC未来的发展脉络。不妥之处，请大家提出不同意见，相信真理会越辩越明。
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