與大部分來自實驗室或軍用轉化民用產品不同,PLC的誕生契機來自于美國通用汽車(General Motors Company,GM)的一個實際項目需求。在20世紀60年代,全球半導體產業的快速發展拉開了信息時代的序幕,領先的汽車企業已經采取了流水線生產模式。以通用汽車為例,到1967年已經下線了1億輛汽車。當時通用汽車有一個位于美國密歇根州Ypsilanti名為Hydra-Matic的部門,該部門每年生產超過200萬個變速器。作為聞名全美國的技術領導部門,Hydra-Matic部門設計了諸多長而復雜的生產線用于加工和組裝零件,例如一條將生鑄件變為汽車成品變速箱的生產線長420英尺,其中包括58個工作站和329個切削工具。
在每次針對不同車型進行產線調整時,Hydra-Matic部門都飽受繼電器、接觸器控制系統修改難、體積大、維護不方便以及可靠性差等困擾,忍無可忍的Hydra-Matic部門在1968年6月對外界發布了一份僅有4頁紙的設計規范招標書,希望通過一個全新的控制系統取代繼電氣工作,這份招標要求就是后來被人們所熟知的“通用十條”。
一石激起千層浪,通用汽車的這份“香餑餑”很快吸引了7家公司應標,但最后只有3家公司提供了實際原型機進行項目測試,它們分別是數字設備公司(DEC)、信息儀表公司(3-I)和貝德福德協會(Bedford Associates),這些原型機也被認為是可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller,PLC)的雛形。
最被看好的第一位競爭者DEC公司成立于1957年,專注于開發小型計算機系統,因此在控制計算方面有著更多的技術優勢。針對通用汽車的要求,DEC公司不負眾望在1969年6月率先開發并交付了第一臺原型機PDP-14,由一個控制單元和幾個外部接口盒組成。其控制單元包括一個可調節大小的ROM,最多容納4k的12位指令用于輸出控制。然而令人遺憾的是,當Hydra-Matic部門修改PDP-14程序時,不僅需要將應用程序發回DEC公司,還需要將修改好的的內存板發還給工廠,這個往返處理過程需要消耗約一周的時間,這個缺點也成為PDP-14后來被通用汽車替換掉的主要原因。此外,DEC還有另外一個減分項,它是三位競爭者中唯一一個不提供布線程序列表的公司。(當時提供布線程序列表可以加速機器安裝和檢修)
第二位競爭者3-I一直和Hydra-Matic的計算機部門保持著業務往來,其推出的控制設備PDQ-II具有高級邏輯運算功能的明顯優勢。然而與當時的其他計算機一樣,當PDQ-II重新編寫程序,用戶必須借助一個布爾程序,然后使用微型計算機接口以電傳打字機打孔紙帶方式,使用特殊的加載器加載處理。雖然這種方式相比DEC的PDP-14“打回原廠”效率高很多,但當時除了計算部門可以高效完成指令修改,Hydra-Matic其他電氣部門照樣難以修改程序,因此PDQ-II同樣無法被通用汽車接受。
最后一位競爭者Bedford Associates則是由Dick Morley和George Schwenk于1964年聯合成立的一家新英格蘭控制系統工程公司。早在之前還身為操作工時,Dick Morley就對機床操作中的重復性工作不厭其煩,一直構思發明一個將所有功能都集于一個編輯器的一勞永逸“神器”。面對通用汽車的招標文件,Dick Morley和George Schwenk成立了Bedford Associates的第七家控制公司,命名為Modicon(Modular Digital Controller的首字母縮寫),并在1969年底研發推出了“084”型號PLC,因為它是Bedford的第84個項目。
由于Modicon 084編程相對簡單,用戶只要插入編程單元并選擇適當的軟件模塊,然后鍵入梯形圖即可快速進行編程,并且梯形圖中關于邏輯編程的相關符號,基本來源于電氣工程中描述順序操作的功能指令,這使廣大的電氣工程師和電工能夠非常快速的上手,因此Modicon 084獲得了Hydra-Matic部門電路系統小組的青睞。此外,Modicon 084安裝在硬質外殼內,提高了安全等級,這也是DEC的PDP-14、3-I的PDQ-II所無法比擬的,很快Modicon 084就替代PDP-14和PDQ-II,成為了通用汽車的唯一選擇,并在后續服役了超過10年時間。
可以看到,DEC的PDP-14作為第一臺用于現場測試的原型機,一直被業界公認為世界上第一臺PLC,而3-I的PDQ-II雖然速度和運算能力很強,但還是與DEC類似,在編程轉換方面存在明顯缺陷。Modicon 084雖然不是第一個安裝的測試原型機,但另辟蹊徑推出了梯形圖的編程方式,俘獲了當時一眾電氣工程師的芳心,成功替代前兩者取得競標勝利,也牢牢地奠定了其在自動化界的地位。
對于當時的自動化控制市場而言,PLC的出現是一個劃時代的產品,如果按照德國工業4.0的演進路徑,PLC的應用是工業3.0啟動的標志。從功能上看,無論是PDP-14、PDQ-II還是Modicon 084,開發的初衷主要還是繼電器控制裝置的替代物,用于實現原先由繼電器完成的順序控制、定時、計數等功能,其優點是簡單易懂、便于安裝、體積小、能耗低、能重復使用等。雖然在硬件形態上當時PLC仍被歸類于“計算機家族”,但在材質和I/O接口等方面做了改進以適應工控現場要求。在軟件編程上,當時的PLC首創了特有編程語言——梯形圖語言,并一直沿用至今。
正所謂“一枝獨秀不是春,百花齊放春滿園。”Modicon 084的勝出使這一場持續兩年的招標競爭落下了帷幕,而屬于PLC的高速發展時代才剛剛開始。其后Modicon一直在自動化行業不斷突破,1973年“084”PLC被升級為“184”PLC重新推出,1975年推出了“284”PLC,1979年推出了工業通信網絡Modbus,1994年推出了Quantum(昆騰)系列PLC,1997被施耐德電氣公司收購后,成為旗下第4個主要品牌。
當初競爭失利的3-I則意識到自身缺少增強核心競爭力的資源,于是投靠了當時以變阻器、繼電器和電機控制而聞名的Allen-Bradley(A-B),開始轉向生產固態控制設備,推出了基于AMD芯片的PLC-3等產品。1985年,A-B被羅克韋爾國際集團(Rockwell International)收購,隨之推出了基于摩托羅拉MC68000芯片的PLC-5等產品,MC68000是當時一款經典的復雜指令集處理器(CISC),其協處理器可以支持浮點運算,可訪問16MB存儲空間。最終羅克韋爾自動化形成了針對不同I/O點數的MicroLogix、CompactLogix和ControlLogix系列PLC產品。值得一提的是,可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller,PLC)的命名方式最早是被A-B采用,并將“PLC”作為其產品的注冊商標。
作為一個新興產物,當時美國市場除了Modicon(施耐德電氣)、A-B(羅克韋爾自動化)外,還有SquareD(實快電力,后被施耐德電氣收購)以及后來的TI(德州儀器)等投身PLC市場中。這股浪潮很快就刮向了日本,1970年后正是日本企業機械大發展的時代,機械與電子的融合應用成為了日本自動化市場快速發展的導火索,以加強自身生產控制為契機,包括日本歐姆龍、富士、三菱電機、日立等自動化廠商都推出了PLC產品。
例如歐姆龍在20世紀80年代初期,推出了C系列、H系列PLC,相比同類產品具有明顯縮小體積、結構緊湊的特點,風靡當時的小型機市場。90年代初期,歐姆龍在小型機市場推出了無底板模塊式結構的COM1產品,此時的執行指令已超過100種,基本指令執行時間可低于0.5微秒,并包括A/D(模擬信號與數字信號)轉換、溫度控制等特殊控制單元和基本通信模塊。
放眼德國品牌,PLC市場被西門子獨占鰲頭,而路斯特(LTI-Motion)、菲尼克斯電氣(Phoenix Contact)等競爭者則緊隨其后。西門子最早一代PLC產品是1975年投放市場的SIMATIC S3,它實際上是帶有簡單操作接口的二進制控制器。1979年微處理器技術被應用到可編程序控制器中,西門子研發創新了PLC S5取代了S3系列,該系統廣泛地使用了微處理器。1994年4月,享譽世界的西門子PLC S7系列誕生,它具有高度的兼容性、更高性能等級、更小安裝空間和更友好的Windows用戶界面等優勢,深受廣大用戶喜愛,其機型包括S7-200、300、400、1200等。
菲尼克斯電氣在收購KW-Software(科維軟件,2015年更名為菲尼克斯電氣軟件有限公司)后,開始著重發展基于IEC 61131的PLC控制軟件編程語言和IEC 61508安全技術。其推出的第一款用于小型控制任務的緊湊型PLC被稱之為ILC 130 ETH,后向中、大型領域延伸推出了ILC 200、350、370、430系列產品。菲尼克斯電氣另外一個PLC產品型號為RFC系列,兩者共同組成了Class 100到Class 400產品組合。近年來菲尼克斯電氣提出打造PLCnext Technology生態,除依照IEC 61131-3標準對PLC系統進行標準編程外,用戶還可通過PLCnext Control實現并行編程,實時組合使用C、C++和MATLAB Simulink等編程語言進行PLC程序開發。
作為奧地利自動化廠商的代表,貝加萊(Bernecker & Rainer)在80年代推出了“黑色系列”PLC,也被稱之為“PCC(可編程計算機控制器)”。它采用了計算機的硬件架構,同樣使用了摩托羅拉MC68000芯片組。通過采用了分時多任務操作系統OS9,這使得貝加萊PLC可集成解釋器,能夠采用BASIC高級語言編程,實現復雜算法。在1994年前后,貝加萊又推出了“藍色系列”PLC,采用了pSOS+的定性分時多任務操作系統,進一步增強了編程能力,pSOS+的開發企業后來被WindRiver收購成為了VxWorks的核心架構。
其它國家諸如瑞士的ABB也推出了PLC產品并獲得市場認可。根據I/O點數不同,當時不同自動化廠商在小型機(小于256個I/O點數)、中型機(256~2048個I/O點數)和大型機(超過2048個I/O點數)不同市場占有率雖偶有交替起伏,但當時微型、小型PLC應用仍占據市場的絕對主流。這也促使西門子、施耐德電氣、羅克韋爾自動化、歐姆龍等在小型機市場具有先發優勢和代表產品的玩家成為無可爭議的行業巨頭,其中西門子、羅克韋爾自動化、施耐德電氣更是長期把持全球前三的位置。
回顧1971年到1991年的20年發展歷程,可以看到整個PLC市場百花齊放,由于微處理器的出現PLC在功能性方面大大增強,被快速應用到鋼鐵、石油、化工、電力、建材、機械制造、汽車、制藥、食品飲料、輕紡、交通運輸等各個領域。在硬件方面,除了保持原有的開關模塊以外,還增加了模擬量模塊、遠程I/O模塊、各種特殊功能模塊,并擴大了存儲器的容量,提供一定數量的數據寄存器。在軟件方面,除了保持原有的邏緝運算、計時計數外,還增加了算術運算、過程控制、數據處理、網絡通信等功能,適用包括IEC 61131-3規范(國際電工委員會于1993年12月所制定)的梯形圖、順序功能圖、功能塊圖、結構文本語言和指令表五種匯編語言。
例如各廠商在后續推出的中、大型PLC中均配備了PID控制模塊,可進行閉環過程控制。當生產控制過程中的某一個變量出現偏差時,PLC可以按照PID算法計算出正確的輸出,進而控制調整生產過程,把變量保持在整定值上,確保生產業務的穩定性和連續性。
值得一提的是,這20年間PLC市場的激烈競爭一方面刺激了各家廠商PLC產品的快速迭代升級。另一方面為了構筑“護城河”,各家廠商所采用的PLC編程和通訊交互方式也不盡相同,衍生出不同類型的通訊協議,并在后期推出了不同的現場總線,目前在IEC的現場總線標準里已經達到了28個,雖然極大的增強了自身PLC向上層的數據傳輸能力,但彼此之間卻并不兼容。
1991年后,PLC在處理速度、控制功能、通信能力等方面均有新的突破,并向電氣控制、儀表控制、計算機控制一體化方向發展,性價比不斷提高,不知不覺中成為了工業自動化的支柱之一。此時PLC向下可以連接各類型傳感器、數控設備和儀器儀表,完成邏輯判斷、定時、計數、記憶和算術運算、數據處理等動作,實現自動控制與數據采集;向上可與SCADA等系統互聯互通,將采集的數據進一步向上層生產執行層傳遞,擔當了銜接設備層與信息層的重任,成為工廠與車間的控制中樞。
特別是伴隨著各種各樣的特殊功能單元、各種人機界面單元、通信單元的融合應用,使PLC的工業控制設備配套也變得更加容易。在邁向21世紀的交替過程中,PLC已從開關量邏輯控制擴展到數字控制等領域,并逐漸進入運動控制、過程控制領域,在某些應用上取代了過程控制領域中處于主導地位的DCS(Distributed Control System,集散控制系統)。
要知道在早期的大部分流程型行業,PLC和DCS的涇渭還很分明。當時如石油、化工等生產過程中,一臺計算機控制著幾十個或數百個控制電路,控制的高度集中也增加了安全風險。為了集中管理、分散控制,即盡量將控制所造成的危險性分散,而將管理和顯示功能集中,企業多采用DCS系統實現過程控制與管理。而伴隨著PLC功能的不斷完善,其基于PLC的控制功能與DCS控制系統基本相似,兩者之間的邊界也逐漸模糊,在部分小型的DCS控制場景中通過PLC+SCADA的替代方式正在嶄露頭角。
但從平臺和功能性上看,PLC和DCS在數據源、控制方式、程序修改方式上仍存在著較大區別。由于PLC屬于嵌入式系統,其運行的目標機和工程開發環境是分離的;而DCS通常的開發環境、運行環境都在Unix、Windows或Linux上。雖然在現場執行層,原本屬于DCS回路調節器的任務可以被PLC取代,但DCS在工程開發、數據庫等方面的功能和應用積累都是PLC無法企及的。例如DCS的雙機熱備、CPU冗余、網絡冗余和I/O冗余等功能,都不是PLC所擅長的。對于DCS廠商而言,行業Know-how是建立壁壘的關鍵,這與PLC廠商在細分市場的應用集成是一個概念。簡單而言,DCS更適合復雜流程型行業生產過程,如石化、造紙、化纖、制藥等工業領域,PLC則適用于離散型生產的場合,如汽車制造、鋼鐵、包裝等生產線控制。
此外,PLC的邊界也在擴展,隨著芯片技術的進一步發展,PLC存儲能力、浮點運算能力等也在不斷的增強。同時,對于復雜任務的處理,先進的機器開始有一些如高速溫度閉環、壓力閉環的回路調節任務,以及在運動控制、通信任務方面的處理需求。當然,在PLC功能模塊不斷拓展,應用范圍不斷提升,擠占DCS市場份額的同時,自身也受到了來自PC-based和PAC等競爭者的挑戰。由于傳統狹義的PC指的是硬件+Windows操作系統,這種情況下可以將PC-based看成一種基于PC技術的控制系統。最早的PC-based控制系統是以工控機為核心,通過擴展帶PCI接口的專用板卡組成。例如1986年倍福自動化(Beckhoff)推出首款PC-based設備控制器,完成了對于木材加工設備的實時自動控制。相較于PLC而言,PC-based借助于IT技術在運算、存儲、組網和軟件開放性等方面具有優勢。但自身較為“敏感”的硬件條件使其難以適應當時惡劣的生產環境,并且抗干擾性差,穩定性不足,這對于某些要求高可靠的生產現場是難以繼任的,因此PC-based最初更多地用于設備運行狀態的監控,并沒有完全融入底層生產控制環境中。
PAC(可編程自動化控制系統)則是2001年美國自動化咨詢公司提出來的全新概念,它是一個基于PLC控制和PC控制的混合體。意在通過開放的自動化控制標準,既有PLC編程簡單成本低廉的特點,又有PC強大的計算能力。但“雜交基因優于父母雙親”的定律在這里卻并不適用。由于PAC的出現本身更傾向于復雜和大規模的自動化架構,因此從價格上難以做到PLC般的“親民”。而在提供的應用軟件集成方面,PAC的開發企業主要聚焦在流程領域的測量、分析、回路任務,與PLC聚焦的離散制造業對于實時性、高速響應任務并不相同。面對早已成熟的PLC應用環境,以PAC進行替代的價值難以體現,對于大部分用戶而言PAC難免有種陽春白雪,曲高而和寡的感覺。
如今,PLC在經過多年的發展創新之后,已經深深扎根于生產車間現場,并與下層傳感器、上層SCADA等其他系統協作完成了整個生態的數據融合,雖然從功能性的角度來看,PC-based和PAC可以實現PLC替代,但實際生產的高可靠性要求并不允許企業冒險一試,更何況從性價比的角度而言,PLC一直是最具有成本效益的選擇。
可以看到,邁入21世紀后,以PLC為代表的自動化行業發展主要是在兩個維度融合創新。首先是用戶需求,這是產生行業發展拉動力的主要因素。隨著機器變得越來越復雜,更多的對象被集成到系統,使PLC需要處理更多的任務,因此PLC需要更強的處理能力和信息集成能力。其次站在橫向科技發展的角度,即技術推動力的維度,包括處理器的算力提升,實時操作系統、傳感器、軟件等快速發展都帶來了自動化領域的推力。如何有效的結合兩者的力量,深耕用戶場景解決行業問題,是所有PLC廠商技術創新的重中之重。
如果將PLC半個多世紀的發展史分為上下半場,那整個上半場幾乎找不到國產PLC廠商的蹤影。從1974年開始,我國才開始仿制美國第二代PLC產品,但因質量和技術問題等原因并未推廣。在隨后的“七五”和“八五”期間,國內部分研究機構在PLC研發上進行了科技攻關,取得了一定的成果,也基本具備了自主研發PLC的能力,但由于缺乏持續研發和產品化能力,最終并沒有形成規模化生產經營。
國產PLC真正的入局者,要數在下半場的匯川技術、和利時、中控技術、信捷電氣等。匯川技術創立于2003年,通過在工控變頻器和伺服系統積累的優勢,以軸承的運動控制入手,匯川技術確定了“一軸一網一生態”的發展戰略,開發了Easy系列全場景小型PLC、多種H系列多功能小型PLC以及率先應用EtherCAT總線的小型PLC。可以看到匯川技術專注在高功能的中小型及微型PLC市場領域,產品采用了CoDeSys的通用編程方式,具有組合靈活、功能強大的特點。根據匯川技術發布的2022年半年度報告顯示,其小型PLC產品在中國市場的份額約10.7%,排名第二。
憑借在過程自動化控制市場的積累,和利時在進行DCS研發之時一并完成了PLC的技術儲備。2000年,和利時正式開展了PLC業務,并在2004年推出了具有自主知識產權的LM系列小型機。2006年,和利時推出了LK系列大型PLC,并獲得當時國家四部委聯合頒發的“國家重點新產品”證書。面對“外強”環繞的PLC市場,和利時采取的策略是將小型PLC銷售瞄準中、高端市場應用,而對于簡單開關量應用的低端市場則增強了如運動控制功能。在推廣LK系列大型PLC方面,和利時主要以自身項目實踐為主,繼而帶動銷售。
與和利時相同,中控技術也選擇了從DCS逐漸向PLC市場進行滲透的發展路徑。成立于1993年的中控技術通過自身研發創新占據了國內DCS市場領導地位后,以自身經驗豐富的流程行業控制需求為切入點,推出了WebField G3/G5系列PLC產品,其中G5主要應用于中大型混合控制場所,G3系列主要應用于分布式控制場景。由于G3/G5系列產品在設計之初就秉承DCS的冗余控制理念,包含了高速邏輯運算和聯鎖控制功能,更易于方便用戶進行連續生產過程控制。
信捷電氣也屬于較早進入PLC市場的國產廠商之一,其前身是信捷科技,成立于2000年。在2008年正式創立信捷電氣后,開始以PLC為基礎積極向伺服驅動、機器視覺等領域拓展。信捷電氣在初期開發了FC系列小型PLC,后又陸續推出了功能更強大的XC系列PLC、集PLC和TP功能于一體的XP系列PLC,并在2016年推出了XG系列中型PLC,完成了從小型PLC向中、大型PLC拓展的布局。從營收結構看,PLC是信捷電氣的核心和優勢產品,尤其是在小型PLC市場占比逐年提升,其發布的數據顯示信捷電氣2013年~2020年PLC營收規模復合增速約20%。
此外,國產PLC品牌還有禾川、南大傲拓、英威騰、寶信、歐辰等,臺灣由于在自動化市場起步較早,如臺達、永宏等PLC產品也得到了國內外市場的廣泛認可,其中臺達曾一度殺進全球PLC排行榜前20。但從整體表現看,雖然國產PLC在中小型產品方面已經占有一席之地,尤其是某些單一、細分應用市場甚至超越了國外品牌,但在高端產品方面則嚴重不足,國內整體PLC市場份額國產PLC占比僅約10%。(數據來源于睿工業)
這是因為PLC之所以能夠在自動化控制領域諸多產品中長盛不衰,最主要還是滿足生產環境的高可靠、高穩定性要求。與國外歷經幾十年的PLC迭代周期相比,國內PLC普遍缺乏市場使用-檢驗-反饋-功能不斷優化的迭代過程,這也導致了大部分用戶對國產PLC的可靠性持有懷疑態度。尤其是極少數國產PLC為贏得市場,一開始就想著采取價格優勢的策略,但過低的價格勢必壓縮利潤空間影響PLC品質,并導致自身最終陷入同質化嚴重的價格戰。
要知道PLC發展和應用中非常重要的一環是“軟硬結合”。別看PLC是個硬件產品,但要想發展的好,軟件已成為了決定性因素。因為用戶需要采用PLC來實現機器的控制,那么如何應對復雜的邏輯、工藝(溫度、壓力、張力等控制)、運動控制、CNC、機器人、液壓等控制;以及在選型、配置、編程、仿真測試、運營維護整個生命周期里對項目進行管理,都需要強大的軟件平臺支持。包括像對IEC61131-3的編程支持、對OPC UA通信的支持能力等,這方面像西門子的Portal、羅克韋爾自動化的Logix 5000、貝加萊的Automation Studio等都是積累了超過20年底蘊的平臺,方便用戶開發、升級維護系統,這些軟件平臺構建了PLC的壁壘。當然,并不是說國內PLC廠商必須把匯編語言和軟件開發平臺這條路再重新演進一遍,對于上述其他PLC廠商而言,可以采用如3S的CodeSys、Phoenix收購的KW-Software、德國Infoteam等獨立平臺服務商,為PLC廠商提供軟件開發環境,在不同的硬件架構、RTOS上實現整個PLC的開發、編程、測試、運維等。
但不可否認的是這個領域,也是國內工業軟件領域欠缺的一環。近幾年,北京奧特思技術的AnyControl平臺是國內團隊自主開發的IEC61131-3集成開發平臺,包括PLCopen Motion的支持能力。這是一個艱苦的過程,但是也相信國產力量會很快的發展起來。
再者,國內中、大型PLC市場不如小型PLC市場發展態勢,是因為小型PLC側重于單一對象的控制,相對比較獨立。但中、大型PLC多伴隨著項目主要面對復雜控制場景,不僅具有較高的技術實現難度,還涉及應用端、數據端和控制端的生態協同,需要將PLC與SCADA、HMI、CNC、機器人、網絡通訊、上層軟件進行聯動,部分國產PLC廠商并不具備這種完整解決方案的能力。
最后,在用戶和生態培養方面,許多國外頭部PLC廠商采取校企聯合的方式,提前一步將觸手延伸至各大院校,通過免費修建實驗室、開展培訓課程和知識競賽等方式,吸引大量在校學生使用旗下的PLC品牌,例如西門子、羅克韋爾、歐姆龍、貝加萊等編寫了大量PLC教材并建立了相關應用場景的實驗室。這也導致了國外PLC從源頭就擁有了大量“粉絲”,完成了潛在用戶的提前布局。
自動化是數字化、智能化發展的前期階段,是企業推進智能制造的前提和基礎。在2021年底國家八部委聯合印發的《“十四五”智能制造發展規劃》中,專門制定了智能制造示范工廠建設行動計劃,提出推進設備聯網和生產環節數字化連接,強化標準作業、可視管控、精準配送、最優庫存,致力于打造一批智能車間。PLC基于其穩定性、可靠性、工作精度、性能一致性等優越性,對于企業來說,在產線自動化改造、生產效率提升、產品質量改進和資源利用率提高等方面發揮著重要作用。
隨著國內企業下游領域的多樣化發展,與下游行業深度適配的PLC應用范圍和深度也大幅拓展。例如近年來新能源汽車、3C產業和半導體等行業轉型升級幅度加快,PLC在整個OEM市場應用中的占比也在持續提升。根據ReportLinker的數據顯示。2020年全球PLC市場約為120億美元,預計到2027年將達到158億美元,年復合增長率為4.56%。睿工業的數據預測,2023年中國PLC市場規模約為165.4億元人民幣。回顧PLC超過半個世紀的發展和應用歷程,我們可以得到以下啟示:
1.PLC在最初代替繼電器執行邏輯、計時、計數等順序控制功能的基礎上,逐漸引入了微電子技術、計算機技術、自動控制技術和通訊技術,形成了新一代的智能編程控制器。除了高可靠性和適應滿足多種生產控制需求外,PLC還具有性價比高、編程簡單和易于拓展等特點,這些優勢也奠定了其半個多世紀在自動化領域的長盛不衰地位。目前PLC與許多智能設備相同,包括 CPU、I/O、電源、底板、外設以及通信聯網等模塊,采用了可編程的存儲器對邏輯運算、順序控制、計時計數和算數運算進行存儲,通過數字的、模擬的輸入輸出指令控制各種類型的工業生產過程。目前PLC可處理任務從傳統的邏輯任務,延伸到了運動控制、機器人、機器視覺、高速實時以太網通信。
2.在超過半個世紀的PLC發展歷程中,國外自動化頭部廠商如西門子、施耐德電氣、羅克韋爾自動化、歐姆龍、三菱電機具有先發優勢,通過在自動化領域的積累進行PLC產品的不斷更新迭代,這些國外自動化巨頭形成覆蓋小、中、大型機市場的完整產品線,通過“品牌+技術+應用開發生態”的方式構成了較高的“護城河”,占據市場的主導地位。國內PLC廠商如匯川技術、和利時、中控技術、信捷電氣等雖奮起直追,但多集中于中、小型機的行業應用,整體市場份額不高。
3.目前中、大型PLC側重于復雜場景的應用,包括重資產設備、整條產線乃至整個工廠的過程自動化控制,強調軟硬件結合。在項目應用中涉及應用端、數據端和控制端的協同運作,因此在數據采集與分析、通信和網絡安全等方面相比小型PLC要求更高、覆蓋面更廣。中、大型PLC不僅需要發揮硬件端的技術和功能優勢,還需要豐富的軟件生態以及協同SCADA、HMI等信息系統發揮聚合效應,深耕行業know-how-尤其是在垂直的裝備領域,每個細分領域都有其獨特的工藝Know-How需求,這種以軟件形式存在的工藝Know-How封裝為模塊,給用戶調用,簡化了機器開發過程,提升效率以應對快速變化的市場。
4.伴隨著云計算、大數據等信息技術的深化應用,PLC的概念和形態也得到了進一步拓展,主要方向是融合IT技術增強PLC的數據處理和控制功能。例如最新的云PLC是通過物聯接口標準化,如OPC UA +TSN,以及應用云化,采用軟件定義的方式,使PLC與工業互聯網平臺直接相通,實現PLC的遠程控制,并將APP和分析結果嵌入機器和云,實現自我感知、自決策、自執行。目前,國內外許多PLC廠商也在積極行動與布局,如施耐德電氣推出了集邏輯控制和運動控制于一體的PLC M262;菲尼克斯電氣倡導基于Linux操作系統的PLCnext理念,允許使用Node-Red等開源工具進行編程;西門子S7-1500系列推出了專用于神經網絡處理的模塊,使PLC融入AI技術能夠識別復雜模式;貝加萊推出了exOS系統,使基于Linux生態的應用軟件如Python、JavaScript、Docker開發可以與PLC的實時任務進行高效協同,將Linux/Windows和RTOS融合。
經過半個多世紀的發展,PLC從一顆破土而出的幼苗已經成長為參天大樹,其應用范圍越來越廣,智能化程度越來越高,并且整體PLC市場也進入穩定的發展期,市場增長趨緩,用戶需求逐漸成熟,各個行業和領域的細分市場競爭格局相對穩定。一直以來,PLC堅持穩定可靠作為繁衍生息的根基,加上適配多種生產環境的簡單務實風格,相信這也是為何PLC能夠長盛不衰、歷久彌新,被稱之為自動化領域“常青樹”的重要原因。






