工业控制器：过去、现在和未来

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发表时间：2021-01-04

早期的PAC 依靠PC 技术提供更广泛的功能集，包括离散、模拟和串行通信以及高级编程语言.

作者 | Josh Eastburn

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不断增强的技术集成、相互融合和连通性，塑造了工业控制器的发展和未来：PLC、PAC和边缘可编程控制器。

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自可编程逻辑控制器（PLC）问世以来，各种自动化控制器已迁移到工业应用中，包括可编程自动化控制器（PAC）和当今的边缘可编程工业控制器（EPIC）。在成本、占地面积、输入/ 输出（I/O）密度、现场总线兼容性、通信、编程功能和处理速度等方面，用户有更多选择，领先的控制器供应商之间的竞争也愈演愈烈。

对于市场来说，多样性通常是有益的，但它也可能会使工程师和最终用户感到沮丧。选择某个控制平台是一项长期投资，随之会带来相关开销，例如培训和支持合同。决策者希望他们投入的资金能物有所值。

但在对该问题表示支持之前，不如先看看这个行业是如何发展的。不同控制解决方案发展趋势，背后的推动力是什么？目前这些趋势如何发挥作用？未来，用户如何对自动化进行投资，才能确保获得成功？

工业控制器的演进模式

研究过去几十年自动化控制领域的进步，能够清晰的看到一些特定技术的迭代是如何推动新的I/O 和控制功能发展的。

例如，在开发第一个I/O 系统时，现场控制和传感设备还依赖于电磁和气动组件，这些组件受到物理性能的限制，它们的使用寿命会受到影响。固态继电器等紧凑的低压组件，推动用户提出更多选择需求，以将I/O 直接集成到他们的系统中。这导致了第一个模块化I/O的出现，与此同时，电子公司将高科技计算带入主流。这些系统中的敏感电子设备，需要通过外部I/O 才能与现实世界交互。这就是第一个可串行寻址的I/O 机架，该机架是PLC 中基于机架的I/O 的替代方案。

▎图1 ：得益于数十年的技术集成，当今的边缘控制器，可以提供多种I/O 功能、多个通信接口以及嵌入式HMI 和编程功能。图片来源：Opto22

从专用的、独立的I/O 设备到模块化I/O，再到总线I/O，都体现了工业控制中的复用理念。下一代控制平台结合了嵌入式I/O 处理电路。模块从1 个I/O 通道扩展到32 个通道，到现在将I/O 内置到PLC 和其它单体设备中。在某些情况下，经过适当的组态，每个I/O 通道都可以接受各种不同的信号类型。

这种模式展示了创新是如何在整个行业中传播的：随着时间的推移，单个创新变得模块化，与其他技术合作，然后嵌入到这些技术中，成为新的创新周期的一部分。

对于PLC 和PAC，这种模式提供了体积更小的控制器和I/O 模块。由于数学和编程处理器功能已直接集成到控制板以及其它设备（例如I/O、变送器和网络网关）中，因此在“每平方英寸”上实现了更大的计算能力。随着时间的推移，相同的模式，也体现在新嵌入式通信接口和协议标准向控制器迁移的过程中。

不同技术的相互融合

相互融合的趋势与集成周期交织在一起，工业控制市场之外的技术创新，也逐渐进入了控制器。从总线I/O 的历史上看，可以看到这种趋势是如何导致了新控制器功能的开发。

从串行总线I/O，延伸出并行I/O 总线和其它解决方案，这些解决方案使迷你和微型计算机可以与I/O 进行交互。这也激发了开发独立I/O 通信处理器的想法，该处理器将I/O 与计算机分离，允许具有通信端口的任何计算机与之交互。

随着I/O 模块和处理器的改进，早期的混合控制器也能提供模拟信号处理功能，当时只有在分布式控制系统（DCS）中才有这种功能。由于梯形逻辑程序（一种PLC 编程语言）的最初目的不是处理模拟数据格式，因此导致了用于混合控制器的新编程语言的诞生。

▎图3 ：现代工业控制系统继续朝着连接性更高的方向发展，例如直接连到云端的I/O。

然后，低成本的IBM PC 替代产品开始涌入市场。由于PC 是混合系统的主要控制功能，因此引发了对可靠性的担忧。供应商开发经过工业强化的替代方案意义重大，该替代方案将早期混合解决方案的I/O、网络和编程组件整合为一个系统，这就是后来的PAC 系统。PAC 使用与PC 相同的处理器，并且可以提供一种功能集，填补了低成本、基于PLC 的离散控制和高成本、基于DCS 的过程控制之间的利基市场。

高科技企业和个人电脑市场的创新，为工业控制的发展带来了机遇。伴随着运营技术（OT）与信息技术（IT）领域的融合越来越多，这种趋势开始加速。例如，近年来出现的移动解决方案浪潮。它也体现在对大数据、云分析和机器学习支持的推动中，这是诞生在工业自动化领域之外的技术。

面向未来的控制器

随着越来越深入的技术集成、行业之间更大的融合，以及设备与系统之间更大连接性趋势的持续发展，未来的控制器会带给我们什么？

工程师应该如何选择，以确保他们能够顺应技术潮流并帮助企业获得最大收益？下面的3 个建议有助于制造企业选择合适的控制技术来实现目标。

专注于设计而非功能

了解到随着时间的推移，技术将不断改进，变得更加紧密地集成和嵌入，因此有必要优先考虑在控制系统方面的投资，这些方面不能轻易或迅速地改变。工程师们需要强调的是控制系统的架构，而不是时下一些夺人眼球的功能。

寻找外部创新

如果工程师设计的系统，能够随着时间的推移而发展，可以跟上数字化转型的步伐，进而减少维护和返工，那就能够打动最终用户，他们会记得，决定未来的技术通常来自于行业之外。

保持开放的心态

专有技术市场份额的争夺战阻碍了创新，而支持开放标准则为每个人提供了无限可能。连接性是工业4.0 的目标指标之一，随着连接性的提高，工程师需要投资于可以为不同系统的协同工作创造机会的技术。

关键概念：

■ 随着技术的进步，PLC 和PAC 正在融合。