[Перевод] Назад в будущее ПЛК
Технология программируемых логических контроллеров совершенно точно достигла зрелости — ей уже 60 лет. В связи с чем возникает вопрос: станут ли нынешние ПЛК «пенсионерами» и сойдут ли их будущие версии в могилу? Такое предположение кажется уместным, учитывая быстрое, а порой экспоненциальное развитие компьютерного оборудования, программного обеспечения, искусственного интеллекта, облачных сервисов и средств связи. Благодаря этим достижениям информационные технологии постепенно проникли в ранее изолированную сферу операционных технологий.
В свете этих событий приводим статью Джеффа Пейна, опубликованную в журнале Control Engineering о будущем контроллеров и приложений промышленной автоматизации на фоне происходящей в последние десятилетия эволюции ПЛК.
Оставаться верным своему делу
Основная задача ПЛК остается той же, что и всегда: обеспечение надежного управления и мониторинга физических полевых устройств даже в сложных условиях эксплуатации. Это было достигнуто благодаря использованию специализированных процессоров, операционных систем и сред программирования, встроенных в защищенные платформы. Тем не менее, эффект масштаба продолжает стимулировать внедрение основных потребительских и коммерческих технологий в ПЛК везде, где это осуществимо. Принцип «меньше, быстрее, лучше» сохранился и будет оставаться верным, но в основном в отношении более быстрых и лучших аспектов, поскольку тенденция к дальнейшей миниатюризации за последнее десятилетие выровнялась.
Многие преимущества развития электронных компонентов, процессоров и твердотельной памяти — снижение стоимости, уменьшение размера, минимизация энергопотребления и увеличение возможностей — уже реализованы в ПЛК и другой промышленной электронике. Однако несмотря на то, что незначительные улучшения в размерах, стоимости и производительности будут происходить и впредь, реальный прогресс будет заключаться в возможностях. На данный момент размер платформы в значительной степени ограничен необходимостью физической проводки для взаимодействия с модулями ввода-вывода ПЛК. Традиционный проводной ввод-вывод по-прежнему необходим, но во многих случаях связь с полевыми устройствами смещается в цифровые сети и распределяется удаленно с использованием таких технологий, как IO-Link и беспроводная связь.
Многоядерные процессоры, встроенные в конструкции ПЛК, теперь позволяют дополнять детерминированное управление обширными дополнительными вычислительными и коммуникационными функциями. На протяжении более 20 лет термин «программируемый контроллер автоматизации» (programmable automation controller — PAC) широко использовался для описания промышленного контроллера с более широкими возможностями, чем классический ПЛК.
Хотя поначалу ПАК (PAC) мог показаться отдельным продуктом по сравнению с ПЛК, время показало, что инженеры по автоматизации меньше озабочены названием и номенклатурой и гораздо больше интересуются производительностью и доступными функциями. В дальнейшем пользователи будут готовы рассматривать практически любой тип аппаратной части или операционной системы в качестве платформы автоматизации, которая может продолжать называться ПЛК, хотя на самом деле это будет нечто большее, если она сможет обеспечить управление в реальном режиме времени, обеспечивая при этом расширенные вычислительные возможности.
Сочетание гибкости и логики
Хотя системы на базе Windows доминируют в мире потребительских и коммерческих компьютеров и занимают видное место в сфере промышленной визуализации, это не относится к управлению в реальном времени. Платформы ПЛК/ПАК обычно работают под управлением специализированной операционной системы, хотя существуют некоторые варианты на базе Linux. В самых общих чертах пользователи должны сбалансировать свое стремление к открытости, которая обеспечивает большую гибкость и низкую стоимость продукта, с требованием надежности промышленного уровня, которое исторически обеспечивалось только проприетарными системами. Эти запатентованные системы также обеспечивают высокую степень кибербезопасности, хотя в первую очередь за счет некоторой неизвестности хакерам.
В течение многих лет наблюдалась тенденция или, по крайней мере, большой интерес к более открытым промышленным системам, как с точки зрения аппаратных платформ, так и с точки зрения языков программирования. Некоторые конечные пользователи применяют стандартное оборудование Raspberry Pi и Arduino для реализации проектов автоматизации и обработки данных. Другие избегали подобных экспериментов с продуктами потребительского уровня из-за опасений по поводу надежности. Но теперь несколько версий этих платформ превратились в устройства промышленного уровня (Рис. 1). Пользователи предъявляют большой спрос на возможность сочетания современной платформы программирования с проверенными промышленными устройствами ввода-вывода.
Рис. 1. Теперь, когда современные процессорные платформы с открытым исходным кодом доступны в форм-факторах промышленного уровня у конечных пользователей появилась возможность интеграции традиционных методов автоматизации с более современными языками, основанными на ИТ
При таком разнообразии аппаратных средств следующим препятствием на пути к открытости стала гомогенизация среды программирования. В классических ПЛК использовалось программное обеспечение, разработанное конкретным поставщиком, которое было трудно перенести на другие бренды. Стандарт IEC 61131–3 представил упорядоченные языки программирования ПЛК и типы данных, но реализации, специфичные для конкретного поставщика, по-прежнему препятствовали переносу кода между брендами. В конечном счете интегрированная среда разработки (integrated development environment — IDE) CODESYS предложила более согласованный способ создания кода с использованием стандартных языков для его кроссплатформенного развертывания на промышленных контроллерах.
Однако ни одна из этих инициатив не учитывала тот факт, что программисты, поступающие на работу, часто предпочитали писать код на более современных языках, основанных на ИТ, таких как C++ или Python.
Несмотря на все эти усилия, направленные на открытость и современные языки программирования, можно с уверенностью сказать, что классическая релейная (лестничная) логика сохранится в обозримом будущем. Релейная логика имеет обширную базу инсталляций и остается простой методологией кодирования, предпочитаемой многими электриками, техническими специалистами АСУ ТП и даже разработчиками. Ее графический стиль позволяет выполнять основные функции поиска и устранения неисправностей, а также выполнять типичные функции промышленной автоматизации, а широкое распространение дает дополнительные преимущества.
Сегодня большинство аппаратных платформ поддерживают релейную логику — как собственную, так и реализованную через другие IDE, например, CODESYS, а многие из них также допускают другие методы кодирования, которые можно комбинировать по мере необходимости. Различные языки программирования имеют свои сильные и слабые стороны для конкретных задач, а большинству пользователей нравится разрабатывать собственный вариант лучшего инструмента для решения проблемы, балансируя при между гибкостью и сложностью. Дополнительным бонусом для пользователей является то, что выход за пределы проприетарных языков позволяет им создавать библиотеку кода, которую можно развернуть на любом типе целевого оборудования, сводя к минимуму доработку.
Главным моментом сегодня и в будущем является то, что пользователям нужны платформы автоматизации, предлагаемые и поддерживаемые проверенными и опытными промышленными поставщиками, с возможностью поддержки любого типа предпочтительного языка программирования.
Коммуникации
Некоторые из достижений промышленной автоматизации в последнее время связаны с улучшением коммуникаций, что привело к полной взаимосвязи всех систем предприятия. Как и в случае с аппаратным обеспечением и программированием контроллеров, здесь наблюдается переход от проприетарных реализаций к более открытым предложениям.
Традиционные промышленные шины, такие как DeviceNet давно предлагаются пользователям в виде проверенных и надежных устройств. Но сейчас преобладают проводные и даже беспроводные варианты Ethernet, при этом доступны несколько ведущих протоколов промышленной связи. Улучшения физического форм-фактора, в том числе во влагозащитном корпусе со стандартными разъемами и питанием по PoE, теперь позволяют Ethernet-устройствам подходить и для промышленных сред.
Некоторые протоколы, такие как EtherNet/IP, PROFINET и Modbus-TCP, связаны с марками и моделями конечных устройств, тогда как другие оптимизированы для типов задач автоматизации (например, EtherCAT для управления движением). Хотя EtherCAT не нов, включение этого протокола в более функциональные ПЛК теперь означает, что приложения управления движением низкой и средней сложности могут быть интегрированы в платформу автоматизации без необходимости использования отдельных контроллеров движения.
Ethernet-APL — это среда, оптимизированная для операционных технологий (OT), которая упрощает развертывание проводного Ethernet на полевых устройствах. IO-Link развивается как оптимизированная полевая шина для базовых дискретных устройств автоматизации с соответствующими коммуникационными возможностями и интеллектом.
Соединение ОТ с ИТ для безопасного включения приложений Промышленного интернета вещей (IIoT) и передачи данных для поддержки удаленной визуализации и аналитики требует другого класса протоколов связи. OPC UA и MQTT доминируют в этой роли. Хотя некоторые из их возможностей частично совпадают, для обоих протоколов существуют оптимальные варианты применения, и пользователи могут реализовать их одновременно. Другие вспомогательные инструменты, такие как Node-RED, стали предпочтительными в качестве графического метода обработки и передачи данных в облако для использования другими приложениями.
От датчика до контроллера, от локального сервера, до облачных ресурсов и браузера — что все это означает? В «старые времена» контроллеры меньшего размера имели ограниченный набор функций, поэтому для достижения полной возможности подключения требовались более крупные устройства или несколько уровней интеграции. Сегодня и в будущем пользователи захотят, чтобы эти опции были доступны даже на самых простых и недорогих платформах автоматизации (Рис. 2).
Рис. 2. Сегодня даже недорогая платформа автоматизации ПЛК оснащена расширенными логическими возможностями, управлением движением, проводным/беспроводным подключением, протоколами связи ИТ/ОТ и многим другим
Роль интегрированной робототехники
На протяжении многих лет робототехника в основном существовала как специализированная разновидность автоматизации, требующая индивидуальной интеграции в вышестоящие и последующие системы. Ситуация меняется по мере того, как робототехника в целом и коллаборативные роботы (коботы) в частности, похоже, станут одной из крупнейших областей роста во всей промышленной автоматизации в течение следующих 5–10 лет (Рис. 3). Что касается сопутствующих разработок, системы машинного зрения значительно продвинулись за последнее десятилетие, и многие из них стали совместимы с роботами, что позволяет легко интегрировать их во множество приложений.
Рис. 3. Робототехника представляет собой быстрорастущую область промышленного дизайна — спрос на функциональные платформы автоматизации и связанные с ними сенсорные технологии будут расти, поскольку пользователи стремятся повсеместно интегрировать робототехнику в свои производственные процессы
Современные платформы автоматизации должны быть готовы идти в ногу со временем, предоставляя необходимую вычислительную мощность, инструкции по программированию и технологии плавной интеграции с робототехникой и машинным зрением. Современный ПЛК с такими возможностями, размещенный рядом с робототехникой в качестве платформы автоматизации будет обладать явным преимуществом.
Роль искусственного интеллекта в будущем ПЛК
Ни одна перспективная статья о промышленной автоматизации, написанная в 2024 году, не может упустить из виду потенциальное влияние искусственного интеллекта (AI) и машинного обучения (ML) для анализа ситуации и реагирования на нее режиме реального времени. Однако с этой темой связано много шума, поскольку в настоящее время в качестве платформы автоматизации программируемые логические контроллеры для этой задачи подходят не идеально. Хотя в будущем некоторые продвинутые версии ПЛК смогут запускать в реальном времени алгоритмы AI/ML.
Вместо этого ПЛК имеют хорошие возможности выступить в качестве полевого интерфейса для ресурсов искусственного интеллекта и машинного обучения более высокого уровня, предоставляя пользователям оперативные, всеобъемлющие и связанные с конкретной обстановкой данные.
С другой стороны, генеративный искусственный интеллект (Gen-AI) в ближайшие годы будет играть более важную роль в ПЛК с точки зрения создания кода. Среды разработки с интегрированными инструментами поддержки искусственного интеллекта могут помочь пользователям, возможно, даже специалистам начального уровня, разрабатывать логику автоматизации на основе библиотек и проверенного кода. ИИ, используемый в качестве инструмента разработки, может помочь ускорить разработку, повысить надежность кода и свести к минимуму ненужный и рутинный труд.
Будущий ПЛК — это часть платформы автоматизации
В течение следующего десятилетия программируемые логические контроллеры, какими мы их знаем, определенно не прекратят свое существование, даже если их будут называть ПАК, периферийными контроллерами, платформами автоматизации или чем-то еще. Но и не будет единой технологии контроллера, которая могла бы выполнять все функции во всех ценовых категориях.
Вместо этого ПЛК будут продолжать развиваться в зависимости от доступных технологий и потребностей пользователей, как они делали это на протяжении последних пяти десятилетий. Приоритетом будет обеспечение контроля в реальном времени и надежного мониторинга, но они добавят еще более совершенные функции программирования и подключения для улучшения пользовательского опыта и скорости реализации проектов.
Итак, ПЛК в ближайшее время не исчезнут, а новые технологии, подкрепленные требованиями пользователей, помогут им эволюционировать в качестве базовой платформы автоматизации.
