工業(yè)4.0領(lǐng)域中的PLC體系結(jié)構(gòu)：挑戰(zhàn)、趨勢(shì)和解決方案

摘要：工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT)預(yù)計(jì)未來(lái)的PLC體系結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)可擴(kuò)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(zhǔn)備——為企業(yè)IT系統(tǒng)內(nèi)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)議的各類接口通信，控制各種模擬/數(shù)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(hào)處理和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

　　自從面市以來(lái)，PLC在結(jié)構(gòu)以及功能上都有了很大的發(fā)展。在結(jié)構(gòu)上，由于工廠車間對(duì)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(tǒng)，能夠執(zhí)行復(fù)雜的控制算法。除了分立控制功能，還集成了人機(jī)接口(HMI)、運(yùn)動(dòng)控制、實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)以及數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)將會(huì)有進(jìn)一步的改進(jìn)。

運(yùn)動(dòng)PLC的演進(jìn)過(guò)程

　　在過(guò)去的十幾年中，每臺(tái)機(jī)器控制軸的數(shù)量顯著增加。其CPU周圍負(fù)載也隨之不斷增長(zhǎng)。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(jié)構(gòu)極大地限制了機(jī)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(dǎo)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(shè)計(jì)人員想到將運(yùn)動(dòng)控制功能分配到分布式軸驅(qū)動(dòng)器上。但是，這種模型需要多個(gè)高成本處理器，系統(tǒng)引腳布局也會(huì)很大，而且功耗也會(huì)大大增加。

　　隨著工業(yè)的不斷發(fā)展，能源成本和工廠空間成為阻礙其發(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(zhuǎn)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(dǎo)致了首先要采用分布式體系結(jié)構(gòu)。

“處理器+FPGA”時(shí)代

　　對(duì)于性能問(wèn)題，制造商采用了處理器和FPGA相結(jié)合的方法進(jìn)行突破。處理器完成標(biāo)準(zhǔn)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(yùn)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(jié)構(gòu)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(shè)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，使新算法開發(fā)推遲實(shí)施。同時(shí)，這一方法也無(wú)法很好地保護(hù)制造商的軟件投入。因此，能否及時(shí)調(diào)整發(fā)展路線變得尤為關(guān)鍵。大約有80%的制造商遇到了開發(fā)推遲的問(wèn)題，由于產(chǎn)品不能及時(shí)面市，只有30%的項(xiàng)目完成了預(yù)計(jì)的產(chǎn)量。

PLC體系結(jié)構(gòu)在工業(yè)4.0中遇到的挑戰(zhàn)

　　當(dāng)前多種國(guó)際工業(yè)4.0計(jì)劃依靠計(jì)算機(jī)物理系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)智能制造，為機(jī)器至機(jī)器(M2M)和企業(yè)交互提供互聯(lián)系統(tǒng)。與此同時(shí)，工業(yè)4.0制造自動(dòng)化環(huán)境對(duì)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(yīng)用于工業(yè)4.0，就需要從根本上重新設(shè)計(jì)PLC。因此，當(dāng)今PLC設(shè)計(jì)人員將面臨以下主要挑戰(zhàn)：

　　● 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(qiáng)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(jī)器之間的確定性M2M互聯(lián)要求在一個(gè)PLC系統(tǒng)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(yīng)用互操作性框架。

　　● 安全通信——由于PLC連接的是容易受到計(jì)算機(jī)攻擊的工廠網(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(tái)互操作性——選擇錯(cuò)誤的處理器或ASSP會(huì)有很高的代價(jià)。各種系統(tǒng)之間的功能互操作性要求采用運(yùn)行在非私有處理器內(nèi)核上的標(biāo)準(zhǔn)化的操作系統(tǒng)。

　　● 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(dǎo)致軟件和硬件出現(xiàn)變化。

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

SoC FPGA為PLC提供的解決方案

　　芯片系統(tǒng)(SoC) FPGA是指在一個(gè)芯片中結(jié)合了處理器和FPGA架構(gòu)。這一方案為克服當(dāng)今PLC設(shè)計(jì)中遇到的挑戰(zhàn)提供了以下方案：

　　● 高性能控制——SoC FPGA能夠?qū)崿F(xiàn)高性能算法，以及硬件架構(gòu)中的HMI。FPGA的高度并行的特性大大加速了算法執(zhí)行。與傳統(tǒng)的處理器相比，采用嵌入式數(shù)字信號(hào)處理(DSP)模塊和片內(nèi)存儲(chǔ)器的FPGA以更低的成本和功耗實(shí)現(xiàn)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(shí)產(chǎn)權(quán)(IP)內(nèi)核，在一個(gè)器件中同時(shí)實(shí)現(xiàn)多個(gè)工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議。設(shè)計(jì)人員下載相關(guān)的協(xié)議棧，在內(nèi)置SoC FPGA硬核處理器系統(tǒng)(HPS)中執(zhí)行，從而實(shí)現(xiàn)這些協(xié)議。HPS還可以運(yùn)行在OPC(OLE for Process Control，用于過(guò)程控制的OLE)服務(wù)器上，實(shí)現(xiàn)OPC-UA承載企業(yè)通信。設(shè)計(jì)人員通過(guò)對(duì)FPGA硬件重新編程，能夠集成新出現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)。

　　● 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(gòu)中實(shí)現(xiàn)，速度比基于處理器的實(shí)現(xiàn)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(tái)互操作性——采用集成處理器，SoC FPGA提供了支持工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)處理器的可擴(kuò)展發(fā)展路線圖。

　　● 不過(guò)時(shí)性——設(shè)計(jì)人員能夠?qū)PGA架構(gòu)重新編程，修改硬件，避免了對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行大的重新設(shè)計(jì)。

PLC的SoC應(yīng)用趨勢(shì)

　　2013年在PLC體系結(jié)構(gòu)中使用SoC的PLC 制造商如表2所示。

　　在全部的402個(gè)設(shè)計(jì)中，154個(gè)是新的SoC設(shè)計(jì)，或者從混合模式轉(zhuǎn)換為SoC的設(shè)計(jì)。這一數(shù)字接近2013年重新規(guī)劃的PLC設(shè)計(jì)總量，同時(shí)還表明38.3%的所有新設(shè)計(jì)使用了FPGA。2014年和2015年的數(shù)據(jù)繼續(xù)了這一趨勢(shì)，新設(shè)計(jì)或者重新規(guī)劃的設(shè)計(jì)更多地采用了SoC。

　　PLC的SoC解決方案的優(yōu)勢(shì)

　　在PLC中使用SoC的制造商獲得了以下優(yōu)勢(shì)：

　　● 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(kuò)展和投資保護(hù)——應(yīng)用需求以及保護(hù)軟件開發(fā)投入的需求促使可擴(kuò)展SoC處理器不斷發(fā)展;

　　● 靈活性——SoC FPGA能夠適應(yīng)軟件和硬件改變;

　　● 產(chǎn)品更迅速面市。

　　在競(jìng)爭(zhēng)投標(biāo)環(huán)境下，靈活的SoC體系結(jié)構(gòu)將成為一項(xiàng)優(yōu)勢(shì)。此外，SoC體系結(jié)構(gòu)在絕對(duì)價(jià)格、總體擁有成本、可擴(kuò)展能力以及對(duì)客戶投入保護(hù)等方面有很大的優(yōu)勢(shì)。工業(yè)4.0和IIoT促進(jìn)了客戶需求的不斷增長(zhǎng)，而低成本和高功效SoC能夠很快對(duì)此適應(yīng)和調(diào)整。

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