Назад в будущее ПЛК

Почти 10 лет назад я уже писал о будущем ПЛК. Уже тогда было важно упомянуть, что технологии ПЛК исполнилось почти 50 лет. Десятилетие спустя справедливо задать вопрос о том, полностью ли современные ПЛК перешли в статус пенсионеров и не обречены ли будущие итерации на вымирание?

Эта дискуссия особенно актуальна, учитывая стремительное, а иногда кажущееся экспоненциальным ускорение развития вычислительного оборудования, программного обеспечения, интеллектуальных измерений, доступности облачных вычислений и коммуникационных возможностей. Благодаря этим и другим достижениям информационные технологии (ИТ) уверенно распространяются на ранее изолированную сферу операционных технологий (ОТ).

Хотя в статье говорилось о резко возросшей важности коммуникаций и возможностей подключения, в ней не было конкретного термина «промышленный Интернет вещей» (IIoT), но сегодня возможности IIoT необходимы практически для любого приложения.

В свете этих событий вот несколько мыслей о том, что следующее десятилетие может означать для эволюции ПЛК и приложений промышленной автоматизации.

Верность задаче

Основная задача ПЛК остается неизменной: обеспечивать детерминированное управление и надежный мониторинг физических полевых устройств даже в сложных условиях эксплуатации. Это достигается с помощью специализированных процессоров, операционных систем и сред программирования, встроенных в защищенные платформы. Однако экономия на масштабе продолжает стимулировать внедрение основных потребительских и коммерческих технологий в роль ПЛК везде, где это целесообразно. Принцип «меньше, быстрее, лучше» остается верным и будет оставаться таковым, но в основном в отношении аспектов «быстрее и лучше», поскольку тенденция к дальнейшей миниатюризации в последнее десятилетие заметно снизилась.

Многие преимущества достижений в области электронных компонентов, процессоров и твердотельной памяти — снижение стоимости, уменьшение размеров, минимизация энергопотребления и расширение возможностей — уже воплотились в ПЛК и другой промышленной электронике. В то время как предельные улучшения размеров, стоимости и энергопотребления будут продолжаться, реальные достижения будут связаны с новыми возможностями.

На данный момент размер платформы в основном ограничивается необходимостью прокладки физической проводки для взаимодействия с модулями ввода/вывода (I/O) ПЛК. Традиционный проводной ввод/вывод по-прежнему необходим, но во многих случаях связь с полевыми устройствами переходит на цифровые сети и распределяется удаленно с помощью таких технологий, как IO-Link и беспроводная связь.

Многоядерные процессоры, используемые в конструкциях ПЛК, позволяют дополнить детерминированное управление обширными дополнительными вычислительными и коммуникационными функциями. Уже более 20 лет термин «программируемый контроллер автоматизации» (PAC) свободно используется для обозначения промышленного контроллера с более широкими возможностями, чем у классического ПЛК.

Изначально PAC мог выглядеть как отдельный продукт по сравнению с ПЛК, но время показало, что инженеров по автоматизации меньше волнует номенклатура и гораздо больше интересуют производительность и доступные функции при выборе средств промышленной автоматизации.

Хотя предложения на рынке варьируются от базовых ПЛК до сложных PAC, концепция промышленной платформы управления в значительной степени слилась в непрерывный спектр возможностей. В дальнейшем пользователи будут готовы рассматривать почти любой тип базовой аппаратной платформы или операционной системы в качестве платформы автоматизации — которая может по-прежнему называться ПЛК, но на самом деле будет гораздо большим, — если она может обеспечить надежное управление в реальном времени, предоставляя при этом другие необходимые расширенные вычислительные возможности.

Гибкость и соответствие назначению

Хотя системы на базе Windows доминируют в мире потребительских и коммерческих ПК, а также занимают видное место в сфере промышленной визуализации, это не относится к управлению в реальном времени. Платформы ПЛК/РАС обычно работают под управлением специализированной операционной системы, однако есть и варианты на базе Linux. В самых общих чертах, пользователи должны балансировать между стремлением к открытости, которая обеспечивает большую гибкость и низкую стоимость продукта, и требованием к надежности промышленного уровня, которую исторически обеспечивали только проприетарные системы. Эти проприетарные системы также обеспечивают высокую степень кибербезопасности, хотя в основном за счет неизвестности и в некоторой степени непривычности для хакеров.

В течение многих лет наблюдается тенденция или по крайней мере повышенный интерес к более открытым промышленным системам как в плане аппаратных платформ, так и в плане языков программирования. Некоторые конечные пользователи применяют типовые аппаратные средства Raspberry Pi и Arduino для реализации проектов автоматизации и обработки данных. Другие избегали подобных экспериментов с продуктами потребительского класса из-за опасений по поводу надежности, но теперь несколько версий этих платформ превратились в устройства промышленного класса (рис. 1).

Рис. 1. Современные процессорные платформы с открытым исходным кодом доступны в форм-факторах промышленного класса, таких как AutomationDirect ProductivityOpen.
Изображения предоставлены AutomationDirect

Возможность сочетать современные платформы программирования с проверенными промышленными устройствами ввода/вывода и аппаратным обеспечением вызывает большой пользовательский спрос.

При таком разнообразии вариантов аппаратного обеспечения следующим препятствием на пути к открытости стала однородность среды программирования. Классические ПЛК использовали специфическое программирование, которое было трудно перенести на другие бренды. Стандарт IEC 61131–3 ввел упорядоченные языки программирования ПЛК и типы данных, но реализация, ориентированная на конкретного производителя, по-прежнему препятствовала переносимости кода между брендами. В конце концов, интегрированная среда разработки (IDE) CODESYS предложила более последовательный способ создания кода с помощью стандартных языков для его кросс-платформенного развертывания на промышленных контроллерах.

Однако ни одна из этих инициатив не учитывала тот факт, что программисты, поступающие на работу, часто предпочитали писать на более современных языках, основанных на информационных технологиях, таких как C++ или Python.

Несмотря на все эти усилия, направленные на открытость и современные языки программирования, можно с уверенностью сказать, что классическая лестничная логика останется в обозримом будущем. Она имеет огромную базу пользователей и остается простой методикой кодирования, которую предпочитают многие электрики, техники и даже разработчики. Ее графический стиль подходит для базового поиска неисправностей и типичных функций промышленной автоматизации, а широкая известность обеспечивает другие преимущества.

Сегодня большинство аппаратных платформ поддерживает лестничную логику — как собственную, так и реализованную с помощью другой IDE, например CODESYS, а многие из них допускают и другие методы кодирования, которые можно смешивать и сочетать по мере необходимости. Различные языки кодирования имеют свои сильные и слабые стороны для решения конкретных задач, и большинство пользователей предпочитают применять свои собственные суждения при выборе наилучшего инструмента для решения проблемы, балансируя между гибкостью и сложностью. Дополнительным бонусом для пользователей является то, что переход от проприетарных языков позволяет им создать библиотеку кода, который может быть развернут на любом типе целевого оборудования, что сводит к минимуму доработку.

Главное сегодня и в будущем — пользователи хотят иметь платформы автоматизации, предлагаемые и поддерживаемые надежными и опытными промышленными поставщиками, с возможностью применения любого типа предпочтительного языка программирования.

Связь воедино

Некоторые из самых значительных достижений в области промышленной автоматизации за последнее десятилетие связаны с улучшением коммуникаций, что привело к созданию по-настоящему «подключенной» фабрики. Как и в случае с аппаратным обеспечением и программированием контроллеров, история была связана с отходом от проприетарных реализаций и переходом к более открытым предложениям.

Традиционные полевые шины, ориентированные на OT, такие как DeviceNet, долгое время обеспечивали надежность и форм-факторы установки, необходимые пользователям. Но теперь доминируют проводные и даже беспроводные варианты Ethernet, в которых доступно несколько ведущих промышленных протоколов связи. Усовершенствования физического форм-фактора, в том числе компоненты с поддержкой промывки и с разъемами, а также питание через Ethernet (PoE), теперь дают возможность использовать решения на основе Ethernet в индустриальных средах.

Некоторые протоколы OT, такие как EtherNet/IP, PRO-FINET и Modbus-TCP, связаны с марками и моделями полевых устройств, в то время как другие оптимизированы для типов задач автоматизации (например, EtherCAT для управления движением). Хотя EtherCAT не является чем-то новым, включение этого протокола в более мощные ПЛК означает, что приложения для управления движением низкой и средней сложности могут быть интегрированы в платформу автоматизации без необходимости применять отдельные контроллеры движения.

Ethernet-APL — это оптимизированная для OT среда, которая упрощает развертывание проводного Ethernet до полевых устройств. IO-Link набирает популярность как усовершенствованная полевая шина — даже для базовых дискретных устройств автоматизации — с универсальными коммуникационными возможностями и интеллектом.

Для обеспечения безопасной работы приложений IIoT и передачи данных в поддержку удаленной визуализации и аналитики между OT и IT требуется другой класс коммуникационных протоколов. В этой роли доминируют OPC UA и транспорт телеметрии с очередью сообщений (MQTT). Хотя некоторые из их возможностей пересекаются, существуют оптимальные сценарии эксплуатации обоих протоколов, и пользователи могут выбрать их одновременное применение. Другие вспомогательные инструменты, в частности Node-RED, стали популярными в качестве графического метода обработки и передачи данных в облако для использования другими приложениями.

Что все это значит: от датчика к контроллеру, к локальному серверу, к облачным ресурсам, к браузеру? В «старые времена» небольшие контроллеры имели ограниченный набор функций, поэтому для достижения полной связности требовались более крупные устройства или несколько уровней интеграции. Сегодня и в будущем пользователи хотят, чтобы эти опции были доступны даже в самых простых и недорогих платформах автоматизации (рис. 2).

Рис. 2. Платформа автоматизации ПЛК AutomationDirect CLICK PLUS оснащена расширенными логическими возможностями и многим другим

Роль интегрированной робототехники

В течение многих лет робототехника существовала в основном как специализированная подгруппа автоматизации, требующая индивидуальной интеграции в производственные и технологические системы. В настоящее время ситуация меняется, поскольку робототехника в целом и коллаборативная робототехника (коботы) в частности будут одними из самых крупных областей роста во всей промышленной автоматизации в ближайшие 5–10 лет (рис. 3). В связи с этим за последнее десятилетие системы технического зрения достигли огромного прогресса, и многие из них очень хорошо совместимы с роботами, что позволяет легко интегрировать их во множество приложений.

Рис. 3. Спрос на способные к автоматизации платформы и соответствующие сенсорные технологии будет расти по мере того, как пользователи будут стремиться к полной интеграции робототехники в свою деятельность

Современные платформы автоматизации должны быть готовы соответствовать меняющемуся ландшафту, обеспечивая необходимую вычислительную мощность, инструкции по программированию и возможности подключения для беспрепятственной интеграции с робототехникой и системой технического зрения. Современный ПЛК с такими возможностями, располагающийся рядом с устанавливаемой в полевых условиях робототехникой, имеет явное преимущество в качестве платформы автоматизации.

Роль искусственного интеллекта в будущем ПЛК

Ни одна статья о будущем промышленной автоматизации, написанная в 2024 году, не сможет обойти вниманием потенциальное влияние искусственного интеллекта (ИИ) и машинного обучения (МО). Однако в настоящее время большая часть шумихи связана с использованием ИИ/МО в режиме реального времени для анализа и реагирования на ситуацию. Сегодня ПЛК как платформа автоматизации не идеально подходят для выполнения этой задачи, но в дальнейшем некоторые усовершенствованные версии могут быть способны запускать алгоритмы ИИ/МО.

Вместо этого ПЛК могут выступать в качестве полевого интерфейса для высокоуровневых ресурсов ИИ/МО, обеспечивая пользователей обширными, оперативными и контекстуализированными данными. Они также могут выполнять действия, продиктованные алгоритмами.

С другой стороны, генеративный ИИ (Gen-AI) в ближайшие годы будет играть все большую роль в ПЛК с точки зрения создания кода. Среды разработки с тщательно интегрированными средствами поддержки ИИ могут помочь пользователям — возможно, даже относительным новичкам в этой области — разработать полезную логику автоматизации на основе библиотек и проверенного кода. ИИ, используемый в качестве инструмента разработки, может помочь ускорить время разработки, повысить надежность кода и минимизировать избыточную или повторяющуюся работу.

Заключение

В ближайшее десятилетие ПЛК в том виде, в котором мы их знаем, точно не исчезнут, даже если их будут называть PAC, или пограничными контроллерами, или платформами автоматизации, или чем-то еще. Не будет единой технологии контроллеров, которая могла бы выполнять все роли по любой цене.

Вместо этого ПЛК продолжат развиваться на основе имеющихся технологий и спроса пользователей, как это происходило на протяжении последних пяти десятилетий. Приоритетом станет обеспечение управления в реальном времени и надежного мониторинга, но при этом будут добавлены еще более совершенные функции программирования и подключения, чтобы улучшить пользовательский опыт и скорость выполнения проектов.