下一代工業(yè)控制器：選擇、部署與未來趨勢(shì)解析
發(fā)布時(shí)間：2025-04-08 www.dzsex.cn
雖然基礎(chǔ)的工業(yè)控制器仍可用，并且在某些任務(wù)中廣受歡迎，但先進(jìn)的編程功能、連接性和模塊化正在影響機(jī)器控制決策的方式。
與前代產(chǎn)品相比，如今的工業(yè)控制器具有更強(qiáng)的處理能力、連接性和可擴(kuò)展性，并提供更大的靈活性以滿足特定應(yīng)用需求。例如，可編程邏輯控制器 (PLC)、可編程自動(dòng)化控制器 (PAC) 和工業(yè)可編程控制器 (IPC)如今都具備高度的可定制性。
隨著機(jī)器人和人工智能（AI）等技術(shù)在制造業(yè)的普及，選擇和部署工業(yè)控制器時(shí)需要考慮的因素也在不斷增加。制造企業(yè)需要確定這些關(guān)鍵因素，并且了解如何應(yīng)對(duì)在現(xiàn)有制造系統(tǒng)中部署新控制器的挑戰(zhàn)。
選擇工業(yè)控制器的關(guān)鍵因素
制造商在為特定生產(chǎn)需求選擇工業(yè)控制器時(shí)應(yīng)考慮哪些因素？西門子美國Simatic控制器產(chǎn)品經(jīng)理Luis Narvaez建議，選型時(shí)應(yīng)該重點(diǎn)考慮以下因素：
■控制器是安裝在機(jī)柜內(nèi)（IP20）還是安裝在設(shè)備外部（IP67/68）
■這是一個(gè)小型應(yīng)用（最多50個(gè)I/O點(diǎn)）、中型應(yīng)用（最多100個(gè)I/O點(diǎn)），還是大型應(yīng)用（超過100個(gè)I/O點(diǎn)）
■將使用哪些編程語言（IEC 61131-3或其他高級(jí)語言，例如C++）？
■是否需要運(yùn)動(dòng)控制功能？如果需要，具體需要哪些運(yùn)動(dòng)功能：基本定位和速度控制、增強(qiáng)型運(yùn)動(dòng)控制，還是高級(jí)運(yùn)動(dòng)控制？
■更傾向于基于硬件的自動(dòng)化還是基于軟件的自動(dòng)化？用戶有多種解決方案可以選擇：傳統(tǒng)的基于硬件的自動(dòng)化、結(jié)合高級(jí)編程（例如C++）的混合硬件、集成驅(qū)動(dòng)的硬件PLC、基于PC的軟件PLC，或者虛擬化（獨(dú)立于硬件的虛擬化環(huán)境）的解決方案。
Actemium北美工業(yè)和IT業(yè)務(wù)開發(fā)總監(jiān)Wilfred Misener建議，首先分析現(xiàn)有裝置并評(píng)估其當(dāng)前狀態(tài)，然后考慮設(shè)備的性能標(biāo)準(zhǔn)和流程，以確定用戶需求。驗(yàn)證性能、連接性、I/O 容量、編程語言、可擴(kuò)展性和可靠性，同時(shí)還要考慮安全性，這一點(diǎn)非常重要。
可擴(kuò)展性是選擇控制器的一個(gè)重要因素。羅克韋爾自動(dòng)化商業(yè)產(chǎn)品組合經(jīng)理Liz Bahl Prosak認(rèn)為，制造商應(yīng)選擇能夠隨其生產(chǎn)需求增長的控制器，以便在不進(jìn)行大規(guī)模改造的情況下實(shí)現(xiàn)未來的擴(kuò)展。工業(yè)控制器通過模塊化硬件、靈活的編程、與各種系統(tǒng)的無縫集成、可擴(kuò)展的通信協(xié)議和定期軟件更新來確保可擴(kuò)展性和靈活性。這些功能使制造商能夠在動(dòng)態(tài)生產(chǎn)環(huán)境中輕松擴(kuò)展、調(diào)整和維護(hù)其系統(tǒng)。
集成性是另一個(gè)關(guān)鍵因素，因?yàn)榭刂破鞅仨毰c現(xiàn)有系統(tǒng)兼容，并能夠無縫集成到其他設(shè)備和軟件中。此外，可靠性和支持也是必不可少的。制造商應(yīng)考慮控制器的可靠性以及支持和備件的可用性。具有強(qiáng)大支持的可靠控制器可以減少停機(jī)時(shí)間并確保連續(xù)運(yùn)行。通過仔細(xì)評(píng)估這些因素，制造商可以選擇既滿足當(dāng)前需求又支持未來增長的控制器。
▲集成性是選擇工業(yè)控制器時(shí)應(yīng)考慮的一個(gè)關(guān)鍵因素，因?yàn)榭刂破鞅仨毰c現(xiàn)有系統(tǒng)兼容，并能夠無縫集成到其他設(shè)備和軟件中。
部署新控制器的挑戰(zhàn)
在現(xiàn)有制造系統(tǒng)中實(shí)施新的工業(yè)控制器時(shí)，哪些挑戰(zhàn)通常沒有得到解決？AutomationDirect產(chǎn)品工程師Alex Maercz認(rèn)為易用性是一個(gè)很重要的選項(xiàng)。選擇帶有免費(fèi)且易于獲取的軟件的控制器，會(huì)使設(shè)備的持續(xù)運(yùn)行更加方便。當(dāng)控制平臺(tái)提供大量基于網(wǎng)絡(luò)的文檔、培訓(xùn)材料和視頻時(shí)，用戶可以培訓(xùn)更多維護(hù)和工程人員使用這些產(chǎn)品，從而優(yōu)化操作，并在需要時(shí)提供足夠的支持。
在與舊系統(tǒng)接口方面，一些控制器需要額外的硬件和軟件，并且需要額外付費(fèi)。而一些先進(jìn)的控制器平臺(tái)包括這些連接的開箱即用的本機(jī)選項(xiàng)，可以提供簡化的解決方案。
Avanceon運(yùn)營經(jīng)理Michael Fazzini認(rèn)為，盡管存在挑戰(zhàn)，但在設(shè)計(jì)和測(cè)試文檔上投入足夠的時(shí)間總會(huì)帶來更好的結(jié)果。在設(shè)計(jì)初期就納入合適的人選，可以減少實(shí)施過程中需要的變更風(fēng)險(xiǎn)和數(shù)量。這包括制定編程標(biāo)準(zhǔn)，并在軟件開發(fā)過程中驗(yàn)證其是否得到遵守。在整個(gè)過程中堅(jiān)持維護(hù)標(biāo)準(zhǔn)和文檔，使將來執(zhí)行更改和增強(qiáng)功能的效率大大提高。
Luis Narvaez指出，一些未解決的主要挑戰(zhàn)包括確保新控制器和現(xiàn)有系統(tǒng)之間的兼容性，這可能會(huì)變得復(fù)雜，還有一些其他挑戰(zhàn)包括：
■選擇一個(gè)能與現(xiàn)有系統(tǒng)（從傳感器到 SCADA）集成的控制器，對(duì)于最大限度地減少運(yùn)行影響非常重要。
■新控制器的前期投資可能很大。然而，無所作為的成本可能會(huì)暴露出其他風(fēng)險(xiǎn)，帶來更高的財(cái)務(wù)影響，如更高的預(yù)防性維護(hù)成本、備件供應(yīng)和價(jià)格、網(wǎng)絡(luò)安全/軟件漏洞以及缺乏有經(jīng)驗(yàn)的勞動(dòng)力。
■來自員工的阻力。員工可能會(huì)抵制新技術(shù)的實(shí)施，因?yàn)樗麄兒ε率スぷ?，或者?dān)心新系統(tǒng)會(huì)打破他們的舒適區(qū)。
■網(wǎng)絡(luò)安全風(fēng)險(xiǎn)。隨著制造商尋求做出更多數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的決策以優(yōu)化生產(chǎn)，制造系統(tǒng)的連接變得更加緊密，因此越來越容易受到網(wǎng)絡(luò)攻擊。確保制造商采用最新技術(shù)可以降低網(wǎng)絡(luò)安全事件的影響或風(fēng)險(xiǎn)。
■環(huán)境影響。新控制器可能會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生重大影響，包括增加能耗和電子垃圾。
▲機(jī)器人技術(shù)的使用正在推動(dòng)控制器技術(shù)的許多創(chuàng)新。制造商需要一種簡單、統(tǒng)一的方式來編程、操作和測(cè)試各種機(jī)器人系統(tǒng)。
網(wǎng)絡(luò)安全和可靠性
考慮到制造企業(yè)面臨的網(wǎng)絡(luò)安全形勢(shì)日益嚴(yán)峻，為了確保工業(yè)控制器系統(tǒng)的安全性和可靠性，Actemium公司采取了以下措施：
■盡可能將控制系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)和企業(yè)網(wǎng)絡(luò)隔離。限制對(duì)授權(quán)人員和設(shè)備的訪問。
■使用加密和協(xié)議，如 OPC UA、MQTT 和 HTTPS。
■定期軟件更新和修補(bǔ)。
■部署入侵檢測(cè)和防御系統(tǒng)。
■備份和冗余。
■安全密碼管理、雙因素身份驗(yàn)證、定期安全審計(jì)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。
■員工培訓(xùn)和提高安全意識(shí)。
■符合 IEC 62443、NIST 800-82 和 ISO 27001 等行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，以及安全的硬件設(shè)計(jì)、持續(xù)的系統(tǒng)監(jiān)控和事件響應(yīng)規(guī)劃。
采用 “沙盒”技術(shù)，即將控制系統(tǒng)與其他所有數(shù)字連接完全隔離，可能是防范網(wǎng)絡(luò)威脅的黃金標(biāo)準(zhǔn)。然而，如今對(duì)于遠(yuǎn)程連接、可視化和數(shù)據(jù)訪問的需求、期望和要求，往往使得完全的沙盒隔離變得不切實(shí)際。Alex Maerc認(rèn)為，更重要的是使用最新的控制器，這些控制器采用了強(qiáng)大且被行業(yè)認(rèn)可的加密方法，并結(jié)合了對(duì)面向外部的通信端口的精細(xì)配置，以確保其安全鎖定，同時(shí)保持面向內(nèi)部的端口開放，以便與OT層的舊設(shè)備進(jìn)行通信。從更大的系統(tǒng)設(shè)計(jì)角度來看，每個(gè)控制器都應(yīng)該受到防火墻或 VPN 的保護(hù)。此外，所有未使用的控制器服務(wù)、協(xié)議和端口都應(yīng)支持禁用，以最大限度地減少整體攻擊面。
04工業(yè)控制器技術(shù)的未來趨勢(shì)
關(guān)于制造商應(yīng)該注意的工業(yè)控制器技術(shù)的最大趨勢(shì)，Luis Narvaez認(rèn)為，雖然 AI 傳統(tǒng)上是通過工業(yè)計(jì)算技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，但預(yù)計(jì) AI 技術(shù)將更接近 PLC。另一個(gè)趨勢(shì)是邊緣計(jì)算的引入。這些技術(shù)實(shí)現(xiàn)了更高效的數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)，同時(shí)消除了硬件依賴性等障礙，使性能易于擴(kuò)展。我們可以從虛擬控制器的引入中看到這一點(diǎn)。
此外，機(jī)器人技術(shù)的使用正在推動(dòng)控制器技術(shù)的許多創(chuàng)新。由于最終用戶必須在其工廠中集成來自不同供應(yīng)商的機(jī)器人系統(tǒng)，因此很難具備編程或控制這些系統(tǒng)的專業(yè)知識(shí)。制造商需要一種簡單、統(tǒng)一的方式來編程、操作和測(cè)試各種機(jī)器人系統(tǒng)。
Alex Maercz指出，工業(yè)控制器與外部世界的連接已成為最終用戶的首要需求之一，尤其是使用對(duì) OPC UA 和 MQTT 等工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的原生支持。不幸的是，這也意味著工業(yè)控制器越來越成為黑客的目標(biāo)。
保護(hù)工業(yè)控制器及其協(xié)議的能力已經(jīng)取得了長足的進(jìn)步，用戶需要確保他們?cè)诳刂破髌脚_(tái)中需要這些功能，然后應(yīng)用它們。一個(gè)相關(guān)的考慮因素是，許多用戶傾向于使用更開放的平臺(tái)。
Wilfred Misener認(rèn)為，工業(yè)控制器技術(shù)的最主要趨勢(shì)包括認(rèn)識(shí)到AI和先進(jìn)機(jī)器人技術(shù)的能力，以實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)緩解。其他趨勢(shì)還包括工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT），用于實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)挖掘和分析，以及邊緣計(jì)算和云計(jì)算。
鑒于如今控制器的種類繁多以及先進(jìn)功能的不斷涌現(xiàn)，選擇合適的控制器可能變得越來越困難?？刂破髂軌?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)代碼生成的能力，可以向用戶展示如何實(shí)現(xiàn)增值效率提升。