□ 文 楊志偉 尹 靜 麥彬承

1、引言

隨著新一代信息通信技術(shù)的發(fā)展，以5G、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識解析、大數(shù)據(jù)、人工智能等為代表的新技術(shù)逐步從下游的物流、銷售及服務(wù)環(huán)節(jié)走向中上游的工業(yè)現(xiàn)場控制、協(xié)同設(shè)計與制造環(huán)節(jié)。與此同時，可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，簡稱PLC）作為一種被各行業(yè)廣泛應(yīng)用的工業(yè)控制系統(tǒng)，在可實現(xiàn)對各種類型機械或生產(chǎn)過程的高效控制的基礎(chǔ)上，其兼容性差、部署靈活性差、技術(shù)不可控等問題也逐漸顯現(xiàn)。

在我國工業(yè)控制技術(shù)受限的背景下，跨領(lǐng)域的集成創(chuàng)新是揚長避短、彎道超車振興我國工業(yè)控制產(chǎn)業(yè)、強化工業(yè)自主安全可控能力的必然之路。新技術(shù)與傳統(tǒng)工業(yè)控制技術(shù)（如PLC）的融合創(chuàng)新勢必將成為工業(yè)控制領(lǐng)域下一個技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的爆發(fā)點，成為推動我國工業(yè)和信息化深度融合發(fā)展的一個重要領(lǐng)域。

2、PLC發(fā)展機遇與挑戰(zhàn)并存

PLC以其可靠性高、穩(wěn)定性好、編程靈活、開發(fā)周期短等優(yōu)點，以及在運行的過程當(dāng)中能夠有效抵抗各項信息和工業(yè)現(xiàn)場信號干擾的優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制的各個領(lǐng)域。但是其技術(shù)結(jié)構(gòu)過于封閉、兼容性差、無法完全自主可控等問題，導(dǎo)致其無法滿足現(xiàn)有工業(yè)領(lǐng)域?qū)I(yè)控制技術(shù)的要求，也極大地限制了我國從制造大國向制造強國的轉(zhuǎn)變和參與國際競爭的優(yōu)勢。

2.1、PLC技術(shù)亟待優(yōu)化與改進

PLC是專門為工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境而設(shè)計的控制裝置，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)封閉和兼容性差。首先，PLC軟硬件體系結(jié)構(gòu)封閉，專用總線、專家通信、網(wǎng)絡(luò)及協(xié)議、以及I/O模板各個品牌之間均不通用，甚至連機柜和電源模板也存在不通用的現(xiàn)象。其次，目前世界上PLC的生產(chǎn)廠商已有200多家，涉及各種型號產(chǎn)品幾千種，各PLC廠家的硬件體系互不兼容，編程語言及指令系統(tǒng)也各異，當(dāng)用戶選擇了一種PLC產(chǎn)品后，必須選擇與其相應(yīng)的控制規(guī)程，并且學(xué)習(xí)特定的編程語言。最后，由于核心技術(shù)掌握在國外廠商手中，我國只能自主開展小型PLC技術(shù)的優(yōu)化與更新?，F(xiàn)有PLC技術(shù)難以滿足我國工控技術(shù)網(wǎng)絡(luò)能力強化、處理功能高速化、軟件集成化、控制器微型化等的發(fā)展趨勢，也不能滿足我國關(guān)鍵技術(shù)自主可控的要求。

2.2、現(xiàn)代工業(yè)向工控技術(shù)提出了更高的需求

隨著全球經(jīng)濟競爭的不斷激烈，未來的先進制造技術(shù)在柔性化、自動化、敏捷化、虛擬化等基礎(chǔ)上，逐漸向網(wǎng)絡(luò)化、集成化、綠色化、極端化（在高溫、高壓、高濕、強腐蝕等條件下工作，或有高硬度、大彈性要求的，或在幾何形體上極大、極小、極厚、極薄的制造技術(shù)或產(chǎn)品）、智能化方向發(fā)展，向工業(yè)控制技術(shù)提出了更高的要求。

多任務(wù)執(zhí)行的需要。是指在一個工業(yè)控制器系統(tǒng)中，可同時安裝幾個CPU模板，每個CPU模板執(zhí)行各自的任務(wù)，控制與其執(zhí)行任務(wù)相關(guān)的I/O模板，是未來的發(fā)展趨勢，但目前PLC無法完全滿足此項需求。

網(wǎng)絡(luò)能力強化的需要。隨著4G的普及、5G的商用，網(wǎng)絡(luò)能力不斷加強，使可編程序控制器已經(jīng)突破了原有的使用范圍，特別是引入現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)、無線網(wǎng)絡(luò)及Internet等技術(shù)后，可編程序控制器的應(yīng)用已今非昔比。但傳統(tǒng)的可編程序控制器的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)為設(shè)備控制層、過程控制層和信息管理層3個層次，目前，仍有較多的現(xiàn)場設(shè)備無法與信息管理層直接相連，難以通過信息管理層實現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備跨地區(qū)的編程、監(jiān)控、診斷、管理和控制與信息管理的分割仍然明顯。

處理高速化的要求。隨著網(wǎng)絡(luò)能力的強化，PLC實現(xiàn)的控制功能和控制范圍都在擴大，這就要求PLC實現(xiàn)高速運行和實時通信功能。高速化包括運算速度的高速化、與外部設(shè)備交換數(shù)據(jù)的高速化、編程設(shè)備服務(wù)處理的高速化、外部設(shè)備響應(yīng)的高速化。目前，許多傳統(tǒng)的PLC沒有通信功能，無法借助數(shù)據(jù)總線消除系統(tǒng)的瓶頸，無法提供高性能的分布式實時控制系統(tǒng)的解決方案。

軟件集成化的要求。為解決傳統(tǒng)PLC的制約問題，隨著PC-Based控制技術(shù)的發(fā)展以及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的實施，軟PLC技術(shù)應(yīng)運而生并得到廣泛應(yīng)用。即在PC機的平臺上，用軟件來實現(xiàn)PLC的功能，同時又具有PC環(huán)境的各種優(yōu)點。但是，作為一項新的技術(shù)，一方面實時性和可靠性還無法完全滿足要求，與此同時，現(xiàn)在的成套軟件仍無法將可編程序控制器的編程、操作員界面、運動控制、程序調(diào)試、故障診斷和處理、通信等集成為一體，仍無法有效地集成到ERP系統(tǒng)。

控制器微型化的要求。隨著PLC應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴大，為適應(yīng)市場的需要，PLC會進一步向超小型和超大型兩個方向發(fā)展。傳統(tǒng)的微型可編程序控制器一般為8～64點數(shù)字量I/O，1～4點模擬量I/O，體積很小，可直接安裝在機器內(nèi)。但目前，微型可編程序控制器網(wǎng)絡(luò)功能和人機接口功能上與中大型的可編程序控制器相比差距巨大，無法滿足市場要求。

安全可靠及低成本的要求。隨著PLC應(yīng)用領(lǐng)域的擴大，對PLC的可靠性要求也越來越高，急需加強PLC的安全和可靠性。目前，具有冗余、相異、自檢測的PLC已經(jīng)出現(xiàn)，但是價格普遍昂貴，比普通的PLC高約50%，無法滿足眾多中小企業(yè)的需求。

2.3、我國產(chǎn)業(yè)升級和工業(yè)轉(zhuǎn)型正向縱深發(fā)展

首先，產(chǎn)業(yè)數(shù)字化市場空間巨大。我國數(shù)字經(jīng)濟持續(xù)快速發(fā)展，據(jù)中國信通院發(fā)布的《中國數(shù)字經(jīng)濟發(fā)展與就業(yè)白皮書（2019年）》顯示，2018年我國數(shù)字經(jīng)濟規(guī)模達到了31.3萬億元，占GDP比重為34.8%，并以平均每年約20%的速率增長。其中，產(chǎn)業(yè)數(shù)字化規(guī)模超過24.9萬億元，成為數(shù)字經(jīng)濟增長的核心驅(qū)動力。工業(yè)控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化和智能化是未來產(chǎn)業(yè)升級和工業(yè)轉(zhuǎn)型的必經(jīng)之路，完全自主可控的工業(yè)控制是深化供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革，推動工業(yè)領(lǐng)域新舊動能接續(xù)轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)高質(zhì)量發(fā)展的重要前提。

其次，自主安全可控是發(fā)展的重要前提。隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的大力發(fā)展，工業(yè)領(lǐng)域的自主安全可控上升至國家戰(zhàn)略層面，受到前所未有的重視。現(xiàn)在95%的國內(nèi)市場由外國的PLC產(chǎn)品所占領(lǐng)，中、大型PLC中，幾乎全部由國外幾大公司壟斷，隨著我國使用PLC領(lǐng)域的不斷擴大，市場越來越大，而我國在工業(yè)控制系統(tǒng)的核心技術(shù)比如芯片制造、信號接口、大型工控軟件等方面又不具備自主知識產(chǎn)權(quán)，這對我們國家工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的安全提出了新的挑戰(zhàn)。

最后，工業(yè)控制系統(tǒng)亟需公平有序的市場秩序。我國巨大的工業(yè)控制系統(tǒng)市場長期被國外廠商所主導(dǎo)，國外供應(yīng)商通過控制核心技術(shù)和低價無序市場競爭機制，讓我國沒有自主知識產(chǎn)權(quán)的工業(yè)控制產(chǎn)品在市場競爭中處于被動狀態(tài)，位于產(chǎn)業(yè)鏈利潤低、競爭激烈的分銷和集成環(huán)節(jié)，極大限制了我國工業(yè)控制產(chǎn)品的技術(shù)水平及市場占有率的提升，降低了我國工業(yè)控制產(chǎn)品在國際上的競爭力。

3、新技術(shù)發(fā)展為PLC優(yōu)化提供可能

黨的十九大報告明確提出“不僅要有一個完善的現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)體系，而且要使這個現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)體系具有自主可控能力，具有國際競爭力”。目前，PLC的核心技術(shù)、市場均被國外廠商壟斷，容易受制于人。5G、標(biāo)識解析、人工智能等技術(shù)的發(fā)展，為新型工業(yè)控制設(shè)備“自主可控”“彎道超車”提供了強大的技術(shù)支持。

3.1、5G技術(shù)提供萬物互聯(lián)的可能

5G將采用大規(guī)模天線陣列、超密集組網(wǎng)、新型多址和全頻譜接入四大核心關(guān)鍵技術(shù)，滿足連續(xù)廣域覆蓋、熱點高容量、低功耗大連接、低時延高可靠等多樣化的應(yīng)用場景需求，整個網(wǎng)絡(luò)也將會更加靈活、智能、高效和開放。5G的特點可以使工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺更廣泛地連接各種異構(gòu)設(shè)備以及工控系統(tǒng)。而原本100～200ms的延遲降低到1～4ms，使得整個制造運營過程實現(xiàn)實時監(jiān)控、實時報警、預(yù)警、遠程實時控制。同時，5G的高可靠性以及網(wǎng)絡(luò)切片等技術(shù)為確保工業(yè)控制安全提供了重要的技術(shù)支撐。

3.2、標(biāo)識解析技術(shù)提供精準(zhǔn)控制的可能

未來控制設(shè)備網(wǎng)絡(luò)化、智能化的前提就是需要有唯一可識別的身份符號，便于在控制平臺端、企業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)乃至全球供應(yīng)鏈系統(tǒng)中可實現(xiàn)精準(zhǔn)定位、信息查詢和運維。借助標(biāo)識編碼資源和標(biāo)識解析系統(tǒng)可以助力工業(yè)控制設(shè)備標(biāo)識數(shù)據(jù)管理和跨企業(yè)、跨行業(yè)、跨地區(qū)、跨國家的數(shù)據(jù)共享共用。

3.3、人工智能技術(shù)提供智能控制的可能

隨著深度學(xué)習(xí)在語音識別、圖像識別等領(lǐng)域取得突破，本輪人工智能一些基礎(chǔ)應(yīng)用技術(shù)逐漸成熟，其在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用也日趨廣泛?？蓮囊韵氯齻€方向與工業(yè)控制系統(tǒng)結(jié)合，實現(xiàn)工業(yè)控制的智能化：一是應(yīng)用數(shù)據(jù)的可視化分析。通過收集設(shè)備運行的各項數(shù)據(jù)（如溫度、轉(zhuǎn)速、能耗情況、生產(chǎn)力狀況等），及基于人工智能的二次分析，對生產(chǎn)線進行節(jié)能優(yōu)化，提前檢測出設(shè)備運行是否異常，同時提供降低能耗的措施。二是機器的自我診斷。根據(jù)對歷史維護的記錄或者維護標(biāo)準(zhǔn)的深度學(xué)習(xí)，增加機器自我診斷，自我排除問題、自我解決和自我修復(fù)的能力。三是預(yù)測性維護。通過人工智能技術(shù)讓機器基于數(shù)據(jù)的預(yù)測及分析提前感知或者分析可能出現(xiàn)的問題。

圖1 新技術(shù)賦能工業(yè)控制系統(tǒng)技術(shù)路線圖

未來，無論是離散型企業(yè)PLC+SCADA，還是流程型企業(yè)的DCP（集散控制系統(tǒng)）最終將會走到CPS，通過集成先進的信息通信和自動控制等技術(shù)，構(gòu)建了物理空間與信息空間中人、機、物、環(huán)境、信息等要素相互映射、適時交互、高效協(xié)同的復(fù)雜系統(tǒng)，實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)資源配置和運行的按需響應(yīng)、快速迭代、動態(tài)優(yōu)化。

本文創(chuàng)新性提出一種集5G、標(biāo)識解析和人工智能技術(shù)為一體的最小單元控制單元（智能控制單元，簡稱IMCU），每個單元只控制一個點或者多點，逐步取代PLC，實現(xiàn)工業(yè)現(xiàn)場中真正意義上的萬物相連，并打破傳統(tǒng)的工業(yè)現(xiàn)場控制的五層結(jié)構(gòu)，使數(shù)據(jù)在現(xiàn)場、車間、工廠和上下游有序的無障礙的流動，實現(xiàn)真正意義的智能柔性制造，具體技術(shù)路線圖如圖1所示。

4、新技術(shù)將推動工業(yè)控制產(chǎn)業(yè)化和工業(yè)數(shù)字化發(fā)展

從歷次科技革命和產(chǎn)業(yè)革命的規(guī)律來看，都是以技術(shù)的集成創(chuàng)新為先導(dǎo)，引發(fā)相關(guān)領(lǐng)域群發(fā)性、系統(tǒng)性的突破，進而在強大的市場空間和社會需求下，帶來傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)不斷升級和新興產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，促使社會生產(chǎn)力實現(xiàn)新的飛躍。新技術(shù)對PLC及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的影響也遵循了科技革命和產(chǎn)業(yè)革命的規(guī)律。

4.1、引發(fā)相關(guān)領(lǐng)域群發(fā)性、系統(tǒng)性突破

IT、CT和OT技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域融合創(chuàng)新，將帶動IT、CT技術(shù)加速成熟與規(guī)?；瘧?yīng)用。一方面，基于新技術(shù)的工業(yè)控制系統(tǒng)市場空間巨大，將轉(zhuǎn)化為“需求”，推動5G、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新技術(shù)加速成熟和規(guī)?；a(chǎn)，實現(xiàn)5G芯片等核心元器件量產(chǎn)，推動新技術(shù)引入成本的快速下降。另一方面，新產(chǎn)品的應(yīng)用將打破現(xiàn)有的PLC“黑盒”，突破現(xiàn)有國外壟斷的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，以更開放的系統(tǒng)架構(gòu)、更高的集成度、模塊化的功能以及智能化的硬件，組成新一代的工控產(chǎn)品IMCU，成為當(dāng)前結(jié)構(gòu)封閉和兼容性差PLC產(chǎn)品的最佳替代品，推動中國工業(yè)控制系統(tǒng)走向國產(chǎn)自主可控，實現(xiàn)彎道超車。

4.2、助力工業(yè)控制產(chǎn)業(yè)發(fā)展壯大

依托技術(shù)集成創(chuàng)新，將實現(xiàn)傳統(tǒng)行業(yè)智能控制應(yīng)用廣度與深度同步提升。首先，基于新技術(shù)的工業(yè)控制系統(tǒng)可實現(xiàn)無線連接、靈活部署。傳統(tǒng)的PLC多是采用工業(yè)以太網(wǎng)或者光纖進行通信，完全受限于有線的網(wǎng)絡(luò)布局。基于5G的低時延、高可靠等優(yōu)勢，可實現(xiàn)IMCU之間、IMCU與控制平臺間實現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)通信，將極大提升產(chǎn)業(yè)布局的靈活性，尤其更加適用于產(chǎn)品更新?lián)Q代快、控制終端相對分散的傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)。其次，可助力工業(yè)控制領(lǐng)域突破技術(shù)壁壘，打造開放完備的產(chǎn)業(yè)生態(tài)。依托5G等我國具有明顯優(yōu)勢的技術(shù)和相對完善的生態(tài)伙伴，將有利于在開放合作的平臺更快實現(xiàn)技術(shù)的突破和驗證。最后，由于其靈活性，控制系統(tǒng)的控制范圍可實現(xiàn)進一步拓展，不僅僅局限于一個車間，也可以是一間工廠，基于網(wǎng)絡(luò)切片等新技術(shù)的支持，還可以實現(xiàn)異地智能控制。同時，在“瘦終端+大平臺”架構(gòu)下，平臺層可更多地承擔(dān)數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)計算與分析、人工智能判斷與控制等功能，極大提升工業(yè)控制的智能性。

4.3、助力新技術(shù)產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展

首先，將帶動5G芯片產(chǎn)業(yè)的規(guī)?；l(fā)展。5G芯片是IMCU的重要組成部分。新型智能控制單元巨大的市場需求將帶動5G芯片產(chǎn)業(yè)的規(guī)?；l(fā)展。其次，將帶動5G芯片系列化發(fā)展。新型智能控制單元的小型化、標(biāo)準(zhǔn)化和系列化將是更廣泛適用各類工業(yè)環(huán)境的前提，因此，巨大的市場空間背后將帶動5G芯片也朝著小型化、系列化、低成本方向發(fā)展，5G芯片也將形成高端到低端、復(fù)雜到簡單等系列產(chǎn)品。最后，復(fù)雜工業(yè)控制場景在持續(xù)智能化的過程中，將出現(xiàn)大規(guī)模的單元聯(lián)網(wǎng)，產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，并對控制的智能化水平提供了更高的要求，勢必將對人工智能、大數(shù)據(jù)、邊緣計算、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的應(yīng)用提出更多更高的訴求，助力新興技術(shù)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

4.4、衍生出新模式、新業(yè)態(tài)

首先，將推動“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”融合產(chǎn)品研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化。加快工業(yè)級5G芯片和模組、網(wǎng)關(guān)，以及工業(yè)多接入邊緣計算（MEC）等通信設(shè)備的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化，促進5G技術(shù)與可編程邏輯控制器（PLC）、分布式控制系統(tǒng)（DCS）等工業(yè)控制系統(tǒng)的融合創(chuàng)新，培育“5G+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”特色產(chǎn)業(yè)。

其次，將推動工業(yè)控制供應(yīng)商從提供產(chǎn)品和服務(wù)向提供整體解決方案的轉(zhuǎn)變。隨著進入智能時代，在工業(yè)控制產(chǎn)品和技術(shù)迎來互聯(lián)互通的升級時，IMCU在工業(yè)現(xiàn)場大量使用，將促使傳統(tǒng)服務(wù)內(nèi)容從只注重硬件轉(zhuǎn)向軟硬兼顧，傳統(tǒng)服務(wù)模式由單一產(chǎn)品擴大到整體系統(tǒng)解決方案。

最后，工業(yè)網(wǎng)絡(luò)安全將成為未來工業(yè)控制領(lǐng)域巨大的藍海市場。隨著攜帶5G功能的IMCU的大量使用，完全打通了生產(chǎn)控制系統(tǒng)和企業(yè)管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實時交互，將導(dǎo)致工控設(shè)備直接與互聯(lián)網(wǎng)相連，存在極大的網(wǎng)絡(luò)病毒入侵風(fēng)險。另一方面，隨著企業(yè)更大規(guī)模換用自動化生產(chǎn)設(shè)備，基于5G的遠程運行維護將成為設(shè)備供應(yīng)商提升服務(wù)效率和質(zhì)量的重要手段，設(shè)備的直接接入網(wǎng)絡(luò)大大提升了病毒侵入的可能性。與此同時，國內(nèi)工業(yè)控制領(lǐng)域市場仍被西門子、ABB等歐美巨頭壟斷，工業(yè)安全的國產(chǎn)化替代也將成為發(fā)展的重要領(lǐng)域。

5、結(jié)語

隨著5G、人工智能、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)的發(fā)展，核心元器件的加速迭代與升級，基于新技術(shù)下的由無數(shù)IMCU組成的工業(yè)控制系統(tǒng)將更多地體現(xiàn)出控制終端的標(biāo)準(zhǔn)化、網(wǎng)絡(luò)化；控制平臺的集成化、智能化以及應(yīng)用領(lǐng)域的多元化、豐富化。工業(yè)領(lǐng)域?qū)煽啃?、安全性要求高?G、標(biāo)識解析和人工智能等新技術(shù)在工業(yè)OT領(lǐng)域的具體應(yīng)用還需要試驗和培育，在工業(yè)控制設(shè)備中植入5G、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識、人工智能等新技術(shù)，還需要加快推進技術(shù)與產(chǎn)品研發(fā)進度、加大應(yīng)用示范推進力度并建立完善的標(biāo)準(zhǔn)體系等，在真正完成驗證和安全測試后，才可能規(guī)模復(fù)制和推廣。■