工業4.0領域中的PLC體系結構：挑戰、趨勢和解決方案

摘要：工業物聯網(IIoT)預計未來的PLC體系結構能夠實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為工業4.0做好了準備——為企業IT系統內置了安全通信功能，促進了IT制造業的發展。

引言

　　可編程邏輯控制器(PLC)是工廠自動化和工業過程控制不可分割的組成部分。PLC通過各種協議的各類接口通信，控制各種模擬/數字傳感器和致動器。除了具有控制功能，PLC還可以進行信號處理和數據轉換。

　　自從面市以來，PLC在結構以及功能上都有了很大的發展。在結構上，由于工廠車間對更多的特性、精度和互聯的需求，促使其集成度越來越高，PLC已經從工業PC和PAC(可編程邏輯自動控制器)發展到時下的緊湊型封裝和微型PLC;在功能上，如今的PLC已經從簡單的輸入輸出控制器發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)、運動控制、實時工業以太網以及數據通信網關等功能。而由于工業4.0和工業物聯網的需求，未來的PLC體系結構將會有進一步的改進。

運動PLC的演進過程

　　在過去的十幾年中，每臺機器控制軸的數量顯著增加。其CPU周圍負載也隨之不斷增長。采用中央式控制的PLC，其主控制器控制所有反饋環路，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。生產中，越來越多的軸需要迅速更新循環周期，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控制功能分配到分布式軸驅動器上。但是，這種模型需要多個高成本處理器，系統引腳布局也會很大，而且功耗也會大大增加。

　　隨著工業的不斷發展，能源成本和工廠空間成為阻礙其發展的重要因素。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的成本問題，但是單個處理器的性能瓶頸則需要有新的技術來突破，這導致了首先要采用分布式體系結構。

“處理器+FPGA”時代

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

　　混合處理器和FPGA體系結構解決了性能問題。此時高功耗和高成本問題就凸顯出來。而典型的工業設備生命周期一般都在7-10年，這使得處理器的5年壽命也成為產品生命周期遇到的難題。這種不相容帶來的產品過時問題，使新算法開發推遲實施。同時，這一方法也無法很好地保護制造商的軟件投入。因此，能否及時調整發展路線變得尤為關鍵。大約有80%的制造商遇到了開發推遲的問題，由于產品不能及時面市，只有30%的項目完成了預計的產量。

PLC體系結構在工業4.0中遇到的挑戰

　　當前多種國際工業4.0計劃依靠計算機物理系統來實現智能制造，為機器至機器(M2M)和企業交互提供互聯系統。與此同時，工業4.0制造自動化環境對PLC也提出了高性能的要求，并支持安全企業互聯和HMI。

　　要使PLC能夠應用于工業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——智能制造環境要求PLC能夠以更快的速度處理指令、服務中斷和支持集成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——完全不同的機器之間的確定性M2M互聯要求在一個PLC系統中支持多種工業以太網協議。而企業互聯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網絡和企業外部網絡，安全就成為很大的問題。

　　● 跨平臺互操作性——選擇錯誤的處理器或ASSP會有很高的代價。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。

　　● 不過時性——在不斷發展的互聯和互操作性環境下，市場需求會經常變化，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現了更快的硬件加速。從而解放了PLC的處理器。

　　● 互聯——FPGA通過例化可立即使用的知識產權(IP)內核，在一個器件中同時實現多個工業以太網協議。設計人員下載相關的協議棧，在內置SoC FPGA硬核處理器系統(HPS)中執行，從而實現這些協議。HPS還可以運行在OPC(OLE for Process Control，用于過程控制的OLE)服務器上，實現OPC-UA承載企業通信。設計人員通過對FPGA硬件重新編程，能夠集成新出現的標準。

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

　　● 跨平臺互操作性——采用集成處理器，SoC FPGA提供了支持工業標準處理器的可擴展發展路線圖。

　　● 不過時性——設計人員能夠對FPGA架構重新編程，修改硬件，避免了對整個系統進行大的重新設計。

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個設計中，154個是新的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解決方案的優勢

　　在PLC中使用SoC的制造商獲得了以下優勢：

　　● 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發投入的需求促使可擴展SoC處理器不斷發展;

　　● 靈活性——SoC FPGA能夠適應軟件和硬件改變;

　　● 產品更迅速面市。

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

本文來源于中國科技期刊《電子產品世界》2016年第5期第27頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。