工業(yè)4.0領(lǐng)域中的PLC體系結構：挑戰、趨勢和解決方案

摘要：工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT)預計未來(lái)的PLC體系結構能夠實(shí)現可擴展的解決方案，安全、高性能、低功耗和小引腳布局已經(jīng)為工業(yè)4.0做好了準備——為企業(yè)IT系統內置了安全通信功能，促進(jìn)了IT制造業(yè)的發(fā)展。

引言

　　可編程邏輯控制器(PLC)是工廠(chǎng)自動(dòng)化和工業(yè)過(guò)程控制不可分割的組成部分。PLC通過(guò)各種協(xié)議的各類(lèi)接口通信，控制各種模擬/數字傳感器和致動(dòng)器。除了具有控制功能，PLC還可以進(jìn)行信號處理和數據轉換。

　　自從面市以來(lái)，PLC在結構以及功能上都有了很大的發(fā)展。在結構上，由于工廠(chǎng)車(chē)間對更多的特性、精度和互聯(lián)的需求，促使其集成度越來(lái)越高，PLC已經(jīng)從工業(yè)PC和PAC(可編程邏輯自動(dòng)控制器)發(fā)展到時(shí)下的緊湊型封裝和微型PLC;在功能上，如今的PLC已經(jīng)從簡(jiǎn)單的輸入輸出控制器發(fā)展到完整的基于處理器的系統，能夠執行復雜的控制算法。除了分立控制功能，還集成了人機接口(HMI)、運動(dòng)控制、實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)以及數據通信網(wǎng)關(guān)等功能。而由于工業(yè)4.0和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的需求，未來(lái)的PLC體系結構將會(huì )有進(jìn)一步的改進(jìn)。

運動(dòng)PLC的演進(jìn)過(guò)程

　　在過(guò)去的十幾年中，每臺機器控制軸的數量顯著(zhù)增加。其CPU周?chē)撦d也隨之不斷增長(cháng)。采用中央式控制的PLC，其主控制器控制所有反饋環(huán)路，所有軸共享處理資源。這一體系結構極大地限制了機器的性能和靈活性。生產(chǎn)中，越來(lái)越多的軸需要迅速更新循環(huán)周期，導致采用更快、更昂貴和功率更大的處理器成為必然。

　　為了減少這些限制，設計人員想到將運動(dòng)控制功能分配到分布式軸驅動(dòng)器上。但是，這種模型需要多個(gè)高成本處理器，系統引腳布局也會(huì )很大，而且功耗也會(huì )大大增加。

　　隨著(zhù)工業(yè)的不斷發(fā)展，能源成本和工廠(chǎng)空間成為阻礙其發(fā)展的重要因素。因此，制造商再次采用中央式控制體系。這一轉變雖然解決了空間限制和相關(guān)的成本問(wèn)題，但是單個(gè)處理器的性能瓶頸則需要有新的技術(shù)來(lái)突破，這導致了首先要采用分布式體系結構。

“處理器+FPGA”時(shí)代

　　對于性能問(wèn)題，制造商采用了處理器和FPGA相結合的方法進(jìn)行突破。處理器完成標準控制功能(主要包括網(wǎng)關(guān)和分立I/O控制，但是也有HMI功能)，而FPGA用于完成其他功能，特別是運動(dòng)控制功能。具體實(shí)例如表1所示。

　　混合處理器和FPGA體系結構解決了性能問(wèn)題。此時(shí)高功耗和高成本問(wèn)題就凸顯出來(lái)。而典型的工業(yè)設備生命周期一般都在7-10年，這使得處理器的5年壽命也成為產(chǎn)品生命周期遇到的難題。這種不相容帶來(lái)的產(chǎn)品過(guò)時(shí)問(wèn)題，使新算法開(kāi)發(fā)推遲實(shí)施。同時(shí)，這一方法也無(wú)法很好地保護制造商的軟件投入。因此，能否及時(shí)調整發(fā)展路線(xiàn)變得尤為關(guān)鍵。大約有80%的制造商遇到了開(kāi)發(fā)推遲的問(wèn)題，由于產(chǎn)品不能及時(shí)面市，只有30%的項目完成了預計的產(chǎn)量。

PLC體系結構在工業(yè)4.0中遇到的挑戰

　　當前多種國際工業(yè)4.0計劃依靠計算機物理系統來(lái)實(shí)現智能制造，為機器至機器(M2M)和企業(yè)交互提供互聯(lián)系統。與此同時(shí)，工業(yè)4.0制造自動(dòng)化環(huán)境對PLC也提出了高性能的要求，并支持安全企業(yè)互聯(lián)和HMI。

　　要使PLC能夠應用于工業(yè)4.0，就需要從根本上重新設計PLC。因此，當今PLC設計人員將面臨以下主要挑戰：

　　● 高性能控制——智能制造環(huán)境要求PLC能夠以更快的速度處理指令、服務(wù)中斷和支持集成HMI。這種需求則要求使用MIPS更高、多核的功能更強大的處理器，這樣使得其成本也隨之增加。

　　● 互聯(lián)——完全不同的機器之間的確定性M2M互聯(lián)要求在一個(gè)PLC系統中支持多種工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議。而企業(yè)互聯(lián)要求也需要應用互操作性框架。

　　● 安全通信——由于PLC連接的是容易受到計算機攻擊的工廠(chǎng)網(wǎng)絡(luò )和企業(yè)外部網(wǎng)絡(luò )，安全就成為很大的問(wèn)題。

　　● 跨平臺互操作性——選擇錯誤的處理器或ASSP會(huì )有很高的代價(jià)。各種系統之間的功能互操作性要求采用運行在非私有處理器內核上的標準化的操作系統。

　　● 不過(guò)時(shí)性——在不斷發(fā)展的互聯(lián)和互操作性環(huán)境下，市場(chǎng)需求會(huì )經(jīng)常變化，導致軟件和硬件出現變化。

　　除此之外，仍然存在的挑戰(前工業(yè)4.0挑戰)有：可擴展能力、功能安全、低功耗、小引腳布局以及軟件投入保護等。

SoC FPGA為PLC提供的解決方案

　　芯片系統(SoC) FPGA是指在一個(gè)芯片中結合了處理器和FPGA架構。這一方案為克服當今PLC設計中遇到的挑戰提供了以下方案：

　　● 高性能控制——SoC FPGA能夠實(shí)現高性能算法，以及硬件架構中的HMI。FPGA的高度并行的特性大大加速了算法執行。與傳統的處理器相比，采用嵌入式數字信號處理(DSP)模塊和片內存儲器的FPGA以更低的成本和功耗實(shí)現了更快的硬件加速。從而解放了PLC的處理器。

　　● 互聯(lián)——FPGA通過(guò)例化可立即使用的知識產(chǎn)權(IP)內核，在一個(gè)器件中同時(shí)實(shí)現多個(gè)工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議。設計人員下載相關(guān)的協(xié)議棧，在內置SoC FPGA硬核處理器系統(HPS)中執行，從而實(shí)現這些協(xié)議。HPS還可以運行在OPC(OLE for Process Control，用于過(guò)程控制的OLE)服務(wù)器上，實(shí)現OPC-UA承載企業(yè)通信。設計人員通過(guò)對FPGA硬件重新編程，能夠集成新出現的標準。

　　● 安全通信——公開(kāi)SSL(Secure Sockets Layer，安全套接層)加密功能可以在FPGA架構中實(shí)現，速度比基于處理器的實(shí)現提高了4倍。這種加密方式使企業(yè)通信通道更快、更安全。

　　● 跨平臺互操作性——采用集成處理器，SoC FPGA提供了支持工業(yè)標準處理器的可擴展發(fā)展路線(xiàn)圖。

　　● 不過(guò)時(shí)性——設計人員能夠對FPGA架構重新編程，修改硬件，避免了對整個(gè)系統進(jìn)行大的重新設計。

PLC的SoC應用趨勢

　　2013年在PLC體系結構中使用SoC的PLC 制造商如表2所示。

　　在全部的402個(gè)設計中，154個(gè)是新的SoC設計，或者從混合模式轉換為SoC的設計。這一數字接近2013年重新規劃的PLC設計總量，同時(shí)還表明38.3%的所有新設計使用了FPGA。2014年和2015年的數據繼續了這一趨勢，新設計或者重新規劃的設計更多地采用了SoC。

　　PLC的SoC解決方案的優(yōu)勢

　　在PLC中使用SoC的制造商獲得了以下優(yōu)勢：

　　● 高性能：

　　4,600 DMIPS，功耗不到1.8 W;

　　1,600 GMAC和300 GFLOPS，基于>125 Gbps的處理器至FPGA互聯(lián)和高速緩存一致性硬件加速器;

　　● 低功耗——功耗比兩芯片分立解決方案低30%;

　　● 減小了板層成本——外形封裝減小了55%;

　　● 可擴展和投資保護——應用需求以及保護軟件開(kāi)發(fā)投入的需求促使可擴展SoC處理器不斷發(fā)展;

　　● 靈活性——SoC FPGA能夠適應軟件和硬件改變;

　　● 產(chǎn)品更迅速面市。

　　在競爭投標環(huán)境下，靈活的SoC體系結構將成為一項優(yōu)勢。此外，SoC體系結構在絕對價(jià)格、總體擁有成本、可擴展能力以及對客戶(hù)投入保護等方面有很大的優(yōu)勢。工業(yè)4.0和IIoT促進(jìn)了客戶(hù)需求的不斷增長(cháng)，而低成本和高功效SoC能夠很快對此適應和調整。

本文來(lái)源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第5期第27頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。