1 引言

在全球化与信息化的浪潮中，工业自动化作为第四次工业革命的先锋，正经历着深刻的技术革新。云化 PLC 作为工业控制系统的新兴形态，以其开放性、灵活性和智能化的特点，引领着智能制造的新潮流。

在工业自动化领域，传统 PLC（可编程逻辑控制器）虽然在控制逻辑、稳定性和可靠性方面有着显著优势，同时生态链也非常成熟，但随着智能制造和工业 4.0 的发展，其局限性和问题也逐渐显现：

系统较封闭：传统 PLC 系统是各厂商专有的，相互间不能通用，限制了不同厂家 PLC 间的集成和互操作性。

扩展性较差：硬件和软件的紧密耦合限制了系统的扩展能力，难以适应多变的生产需求。

智能化难集成：面对当前发展迅猛的 AI 及大模型技术，集成难度大，难以实现对业务流程的智能优化和预测性维护。

灵活性不足：调整和优化生产过程繁琐，缺乏应对快速变化的能力。

网络连接性差：在现代工业互联网环境中，传统 PLC 的网络连接和通信协议难以满足快速连接和分布式通信的需求。

维护成本高：升级和维护依赖原厂商，导致成本高昂且过程复杂。

这些问题促使工业企业寻求更高效、灵活和智能的解决方案。智能制造的升级需求主要体现在生产效率的提升、运营成本的降低、产品质量的改进以及市场响应速度的加快。企业对于少人化、柔性化、绿色化生产的渴望，催生了对云化 PLC 技术的强烈需求。因此，对工业控制系统的开放性、灵活性、互操作性、智能化等提出了更高的要求。为了满足制造业新的发展趋势，解决传统 PLC 存在的问题，云化 PLC 作为新一代的工业控制系统，应该选择何种技术发展路径、遵循哪种技术标准，是本文旨在探讨的重点。

2 行业 PLC 技术标准分析

PLC 技术作为工业自动化的基石，其标准化程度直接影响着系统的兼容性和扩展性。当前，行业 PLC 技术标准主要围绕硬件接口、通信协议、编程语言等方面展开。IEC 61131 和 IEC 61499 是国际电工委员会（IEC）制定的两个重要标准，它们共同为自动化系统的开发、集成和运行提供了标准化的方法和工具。通过遵循这些标准，制造商和系统集成商能够创建更加灵活、可靠和高效的自动化解决方案。

2.1 IEC 61131 标准

IEC 61131 是针对可编程逻辑控制器（PLC）编程环境的国际标准。它定义了一套编程语言、数据模型、组织结构和软件工具要求，以支持工业控制程序的开发：

编程语言：包括梯形图（LD）、指令列表（IL）、顺序功能图（SFC）、功能块图（FBD）和结构化文本（ST）。

数据模型：统一了用于 PLC 编程的变量和数据结构。

软件工具：规定了编程软件应具备的功能，如编辑器、编译器、调试器等。

兼容性：促进了不同 PLC 系统和组件之间的互操作性。

2.2 IEC 61499 标准

IEC 61499 是一个更高层次的工业自动化系统设计标准，它定义了分布式控制系统的架构和模块化方法。IEC 61499 特别关注系统的可重用性、可移植性和互操作性，该标准具有以下特点：

分布式控制：支持分布式工业自动化系统的构建和管理。一个应用可以部署在单个控制器上，也可以部署在多个控制器上。不同控制器间可以通过分布式通信实现相互之间的数据同步和操作协同。对于一些复杂应用场景，需要多控制器相互协作的情况，IEC61499 可以从更为整体的角度去进行整个应用的设计和开发，而不是像传统 IEC 61131 - 3 那样需要分别考虑每个控制器的应用如何开发，以及不同控制器间如何进行通信。

模块化：通过定义控制应用的模块化结构，促进了控制逻辑的重用。

可重用性：鼓励开发可重用的控制组件和资源模型。

可移植性：支持控制应用在不同硬件和软件平台上的移植。

互操作性：确保了不同系统和组件之间的互操作性。

2.3 标准对比

两种标准存在明显的区别：

图 1 IEC61499 分布式部署架构

应用层面：IEC 61131 主要关注单个 PLC 编程，而 IEC 61499 关注整个自动化系统的架构设计。IEC 61499 是一个专注于分布式控制系统架构设计的国际标准，它为工业自动化系统的开发提供了一个全面的框架，支持构建分布式控制系统，允许控制逻辑分布在多个物理或逻辑节点上。

运行模式：IEC 61499 标准采用了事件触发机制作为其核心的运行模式，这种方式与 IEC 61131 标准基于时间循环扫描的 PLC 程序不同。

设计方法：IEC 61131 提供了多种编程语言，IEC 61499 提供了一种模块化的系统设计方法。

互操作性：两者都旨在提高系统的互操作性，但 IEC 61499 在系统级别上更进一步。

IEC 61131 标准为 PLC 的编程和通信提供了统一规范，促进了不同厂商设备间的互操作性。然而，随着云计算、大数据、人工智能等新技术的融入，传统 PLC 技术标准面临更新和扩展的需求，以适应工业自动化的发展。IEC 61499 通过提供这些设计原则和机制，使得自动化系统能够更加动态和灵活地响应生产环境中的各种变化，帮助自动化工程师构建更加灵活、可靠和高效的工业自动化系统，支持智能制造和工业 4.0 的实现。

3 智能制造升级改造对工业控制系统新需求

工业企业目前普遍面临降本增效的竞争压力，如何提高生产效率，降低成本，保证产品生产质量，降低能耗，提高市场响应速度是企业最关心的问题。为了满足企业对于少人化、柔性化、绿色化生产的需求，工业控制系统作为工业生产的核心，面临更高的技术要求，主要表现以下几个方面：

集成性：需要能够与各种工业设备、传感器和执行器无缝集成的控制系统，实现设备间的互联互通。

灵活性与可扩展性：系统应能够灵活适应生产流程的变化，支持快速调整和扩展，以应对多变的市场需求。

实时性：控制系统必须具备低延迟的数据处理和响应能力，以满足高精度和高速率的生产要求。

智能化：集成先进的数据分析和人工智能算法，实现质量控制、智能物流、预测性维护、故障诊断和生产流程优化等。

数据管理能力：需要强大的数据收集、处理和分析能力，以支持决策制定和生产优化。

标准化与互操作性：确保系统兼容性和行业标准遵循。

通过满足这些新需求，工业控制系统能够支持制造业在数字化和智能化转型中实现更高效、更灵活和更智能的生产方式。

4 云化 PLC 发展技术路径选择

云化 PLC 顺应制造企业智能化升级改造的少人化、柔性化、绿色化生产需求而产生，它是基于云计算技术的新一代开放工业控制系统。它打破了传统 PLC 的封闭生态，通过云化技术实现软硬件解耦，支持 5G 网络下的高速数据采集和实时控制，推动工业自动化向智能化、网络化发展。云化 PLC 结合了云计算、大数据、AI 算法等前沿技术，构建了一个高度集成的工业控制平台，能够满足智能制造、柔性生产等现代工业需求。

图 2 云化 PLC 系统架构

如图 2 所示，云化 PLC 系统的整体架构分为以下 3 层：

现场层：主要通过远程 IO 实现各种现场工业设备的连接，包括机器人、AGV、摄像头、传感器、数控基础、伺服电机等。这种连接方式实现了控制系统软硬件间的解耦。

执行控制层：控制层集成了工业总线适配、设备驱动、智能算法、逻辑运算等功能，通过 5G 或有线网络与现场层通信，控制现场设备按照用户设定的业务流程进行工作。

平台应用层：集中管理平台实现对云化 PLC 控制器的统一管理，完成应用逻辑的编排和部署。同时可以将业务运行的过程数据上传到云平台，根据客户需要进行存储、分析和展示。

为实现上述目标，云化 PLC 在技术路线选择上聚焦于以下几个技术关键点：

4.1 技术标准选择

通过上述国际标准的对比分析，对照智能制造升级中对工业系统的集成性、灵活性、可扩展性、智能化、互操作性新的要求，同时考虑到目前工业控制系统生态实际情况，云化 PLC 比较适合采用 IEC 61499 技术标准为主，同时兼容 IEC 61131 技术标准，既满足智能化改造的技术需求，同时也兼顾了传统电气工程师的使用习惯。选择 IEC 61499 作为云化 PLC 的架构设计标准，不仅能够提升系统的灵活性和智能化水平，还能够促进工业自动化领域的技术创新和生态合作。这有助于推动制造业的数字化和智能化转型，实现更高效、更灵活的生产方式。

4.2 虚拟化关键技术

首先，云化 PLC 要解决运行时软件的软硬件解耦问题，实现软硬件资源的独立配置和管理，提高系统的灵活性和可扩展性。

第二，云化 PLC 要解决系统实时性问题，系统中使用实时操作系统（RTOS），确保任务的及时调度和执行；同时要实现精确的任务优先级管理，确保关键控制任务能够优先执行；合理分配计算资源，避免因资源竞争导致的延迟；使用专用硬件加速器，如 FPGA、GPU 等，来处理实时性要求高的任务；采用高效的通信协议和网络优化技术，如 5G、TSN（时间敏感网络），以降低通信延迟。

第三，云化 PLC 要解决 AI 等大算力要求的功能和实时控制融合需求。云化 PLC 通过实时和非实时双域隔离的系统架构设计方法，在物理层面上将实时和非实时任务分离到不同的处理器或核心上，为实时任务分配必要的资源，如内存、CPU 时间等，并限制非实时任务的资源使用，用于确保实时任务和非实时任务在系统中有效分离，从而保证实时系统的确定性和可靠性。通过以上几个虚拟化关键技术，可以实现云化 PLC 的云化部署，统一管理，硬件资源共享，降低硬件平均成本和管理成本。

4.3 分布式部署架构

云化 PLC 参照 IEC 61499 标准，实现了分布式控制系统的部署，提供了一套框架和方法来构建和管理分布式工业自动化应用。系统首先定义资源为分布式系统中的物理或逻辑处理单元；其次定义了功能块作为逻辑单元，再由功能块组成功能块网络，一个功能块网络为一个控制应用，功能块网络可以分布在不同的资源上实例化，实现任务在不同的资源中自动化运行；第三，支持使用各种通信协议，包括但不限于 OPC UA、MQTT 等，以适应不同的网络环境和需求，实现不同资源上运行的功能块间通信；第四，采用事件驱动的通信机制，功能块之间的交互基于事件的发生而非周期性轮询；第五，系统支持容错机制和冗余设计，提高系统的可靠性和容错能力。云化 PLC 采用了分布式部署架构，为工业自动化提供了灵活性和可扩展性，同时保持了系统的实时性和可靠性。这种架构适用于智能制造、物联网和其他需要高度分布式控制的现代工业应用。

4.4 系统标准化与开放性

云化 PLC 系统的标准化与开放性是确保其广泛应用和兼容性的关键因素。云化 PLC 标准化主要包括南北向协议标准化、控制组件开发标准化、硬件设备驱动标准化、应用开发流程标准化等方面。首先，云化 PLC 系统遵循 IEC 61499 等国际标准，确保技术架构的一致性。第二，北向支持通用的通信协议，如 MQTT、OPC UA 等，提高互操作性。南向兼容 ModBus、Profinet、EtherCAT、Ethernet/IP 等主流工业总线协议；第三，组件采用标准化方式开发，按照统一的标准和规范来设计和实现各个组件，以提高代码的重用性、系统的可维护性和扩展性。采用模块化设计，支持功能块和组件的标准化集成。提供开放的 API 和接口，允许第三方系统和组件轻松集成。使用标准化的数据交换格式，如 XML、JSON 等，简化数据共享。第四，标准化服务，保证应用和组件开发的规范性。采用版本管理策略，确保不同版本的兼容性和过渡。提供标准化的服务，如认证、授权、数据加密等。实施标准化的测试流程，确保系统的稳定性和可靠性。

云化 PLC 选择 IEC 61499 作为云化 PLC 的架构设计的参照标准，并通过软硬件解耦等虚拟化关键技术，分布式部署架构技术，系统标准化与开放性等，不仅能够提升系统的灵活性和智能化水平，还能够促进工业自动化领域的技术创新和生态合作。这有助于推动制造业的数字化和智能化转型，实现更高效、更灵活的生产方式。

5 结束语

云化 PLC 作为智能制造的关键技术之一，其发展不仅关乎企业的技术进步，更关系到国家工业的长远发展。通过制定合理的技术发展路径，云化 PLC 有望在工业自动化领域发挥更大的作用，推动制造业的数字化转型。未来，云化 PLC 将继续朝着更加智能化、集成化、绿色化的方向发展，为制造业的高质量发展提供坚实的技术支撑。

作者：中国电信研究院工业互联网技术研发部 张文安 张湘东