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   ■《自動化博覽》：嵌入式PLC如今已經(jīng)成為PLC發(fā)展的一大熱點，您如何看待嵌入式PLC未來的發(fā)展？

   彭瑜：根據(jù)美國《Control Design》雜志的調查，2009年美國機械行業(yè)的PLC用戶占2/3，PAC和PC控制合起來只占13%，而嵌入式PLC僅占5%。從靜態(tài)數(shù)據(jù)來看經(jīng)典PLC仍然有著統(tǒng)治地位，但從動態(tài)角度看，嵌入式PLC具有極高的增長率和很大的發(fā)展空間。
   
                        
                       彭瑜（上海工業(yè)自動化儀表研究院，PLCopen中國組織）   

   關于嵌入式PLC似乎并無確切定義。一些人把交流變頻調速器或HMI（人機界面）或其它設備(如運動控制器）內嵌PLC的功能，歸類于嵌入式PLC，如英國敏思咨詢公司（IMS Research，已被IHS收購）關于2008年嵌入式PLC的市場報告就是如此界定的；不過我們更加傾向于把這些設備叫做集成了PLC功能的變頻器或HMI。更多業(yè)界人士認為，采用嵌入式SoC（片上系統(tǒng)芯片）和嵌入式RTOS（實時操作系統(tǒng)）實現(xiàn)PLC功能，并能用符合IEC 61131-3標準的編程語言進行編程，才叫做嵌入式PLC。這類嵌入式PLC與前面那種嵌入PLC功能設備的根本區(qū)別在于，前者獨立承擔PLC功能，并按需融入其它相關功能，諸如運動控制、視覺、甚至RFID讀取等。

   這些年來，嵌入式PLC之所以從相當穩(wěn)固的PLC市場中打出一片天地，首先是制造業(yè)市場需求的推動。面對激烈的市場競爭，為了快速響應需求，智能制造裝備、數(shù)字化生產(chǎn)線、數(shù)字化車間、數(shù)字化工廠、智慧工廠……正處在快速發(fā)展期，這對承擔設備控制任務主力的PLC提出了許多新的要求。除了將運動控制、視覺系統(tǒng)、RFID讀取系統(tǒng)、能耗測量和狀態(tài)監(jiān)測等融入PLC，要求開發(fā)相應的硬件模塊之外，更要緊的是讓PLC在執(zhí)行基本的邏輯控制、順序控制的基礎上，執(zhí)行許多高級智能算法（如用于通用場合的數(shù)控與運動控制、精確溫度控制等，再如用于不同行業(yè)的各種先進算法，如重載機器人的慣量前饋算法、印刷過程中的套色對準控制和印標檢測算法等）。這就對PLC的CPU運算能力和執(zhí)行速度提出了新的要求。在這方面有些廠商推出的創(chuàng)新產(chǎn)品是很成功的，如OMRON的NJ系列機械控制器；再如倍福和貝加萊的以PC為基礎的PLC和嵌入式PLC。深入其中你會發(fā)現(xiàn)，這些PLC的CPU都采用了時鐘頻率達1.7GHz以上的Intel低功耗X86芯片，或者1GHz 的ARM Cortex A8芯片。還有另外一種解決方案，選用近年來芯片制造商推出的多核CPU芯片，如集成ARM7/9（甚至更高）和DSP的雙核芯片，甚至集成ARM、DSP和GPU（視頻處理器）的三合一芯片等，也能夠很好地解決上述對復合功能的控制要求。以多核芯片為基礎開發(fā)，就是典型的嵌入式PLC。

   其次，我們更應該看到與通用型PLC相比，嵌入式PLC基本上屬于針對某個特定設備專門設計的PLC，或客戶化定制的PLC。針對某個特定設備而言，嵌入式PLC在成本、體積、可靠性、易用性、硬件資源利用的有效性、功能性能指標的匹配度，還有知識產(chǎn)權保護等方面，具有綜合的難以比擬的優(yōu)越性。

   再次，全球和國內PLC市場的大部分份額，長期被國外幾個著名品牌所壟斷。發(fā)展民族品牌PLC，如果走通用型PLC的路子，需要很大的資本投入、長期的品牌積累和技術積累，多年事實證明難有較大的成就。唯有從嵌入式PLC這個方向切入，才有可能打造一片新天地。

   在當今經(jīng)濟全球化的格局中，我國世界制造大國的地位雖面臨挑戰(zhàn)，但總體是穩(wěn)固的，今后還會發(fā)展得更好。中國的機電設備商有著廣闊的市場基礎，為機電設備配套的控制系統(tǒng)如果廣泛采用嵌入式PLC的解決方案，無疑將會為我國從制造大國邁向制造強國立下汗馬功勞。

   ■《自動化博覽》：可否簡單為我們介紹一下中國及全球在嵌入式PLC研究上的一些進展？都有哪些具有代表性的企業(yè)？

   彭瑜：我們還是先談談嵌入式PLC本身的進展更好一些。嵌入式PLC的發(fā)展也呈現(xiàn)多元化，國內外均有很好表現(xiàn)。下面列舉嵌入式PLC產(chǎn)品和技術多元發(fā)展的3種形式：

  ( 1 ) 采用板級硬件并配備基于IEC61131-3編程系統(tǒng)的嵌入式PLC。例如， 德國赫優(yōu)訊是一家以現(xiàn)場總線技術和芯片、模塊為主業(yè)的科技企業(yè)，很有發(fā)展活力。他們推出的將現(xiàn)場總線技術和PLC技術結合的netPLC很有特色。嵌入式netPLC板上配有netX模塊，標配為Profibus-DP主站卡。板上資源：8MB SDRAM/256K SRAM/4MB Flash/微型SD卡插槽/小型USB診斷端口，配有78個開關量I/O和6個AD通道。編程環(huán)境：3S公司的CoDeSys V3.3 / KW公司的MultiProg。配有OPC Server標準軟件接口程序、運行程序庫，還配有現(xiàn)場總線組態(tài)工具軟件SYCON.net、USB設備驅動程序、PCI總線插槽設備驅動程序。再如，Rabbit半導體公司的嵌入式PLC開發(fā)套件就以其3000系列單板機為硬件基礎，配以基于IEC 61131-3的IsaGRAFV3.5編程環(huán)境，支持5種PLC編程語言。

   國內幾年前就有華中科技大學以EASY CORE 1.00核心芯片組作為硬件平臺，加載了嵌入式PLC系統(tǒng)軟件，開發(fā)了多模擬量輸入通道的嵌入式PLC。這類解決方案問世已多年，但似乎不溫不火，以筆者看來這與板級硬件配備的I/O仍不夠靈活有關。

   （ 2 ） 嵌入式P L C 軟件開發(fā)工具包， 全面支持不同的實時操作系統(tǒng)（Windows CE、INtime、VxWorks、L i n u x 、μ C O S - I I 、I n t e g r i t y 、FreeRTOS、Neutime即原QNX等），不同的CPU芯片（ x 8 6 、ARM LE、Cortex-M3/M4、Cortex-A8/A9、 SH02BE 等）以及不同的編譯系統(tǒng)（IAR、VS、GNU 3、GNU 4、Greenhi l l s、Watcom C++等）。采用這種開發(fā)工具包，用戶只要設計出自己的PLC硬件，就能夠全面完成定制嵌入式PLC的工作。例如，德國KW軟件公司的開發(fā)包ProConOS Embedded CLR2.2就是最有代表性的產(chǎn)品，在國內有較大影響。

   （3）還有一種嵌入式PLC的開發(fā)路徑是，依托PLC與人機界面相結合的硬件/軟件一體化開發(fā)平臺，充分利用CASE（計算機輔助軟件工程）工具，結合各類嵌入式芯片的開發(fā)平臺和各種輸入/輸出通道的硬件電路庫，專為機電設備開發(fā)客制化、具有OEM性質的定制嵌入式PLC。國外雖然有一些嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)平臺，例如OSEK/VDX（用于汽車電子系統(tǒng)嵌入式軟件編程） ，還有德國企業(yè)Dspace專門從事機電一體化控制器硬軟件開發(fā)、仿真工具的開發(fā)和服務，應用領域包括汽車、宇航、醫(yī)療設備、驅動電機等，但專門針對嵌入式PLC開發(fā)的，據(jù)我所知，只有杭州電子科技大學計算機學院的嚴義教授領銜的團隊所開發(fā)的工具平臺。

   ■《自動化博覽》：您認為嵌入式PLC進入市場會對傳統(tǒng)PLC帶來怎樣的沖擊？

   彭瑜：顯而易見，以定制化作為主要特色的嵌入式PLC在市場份額上對傳統(tǒng)PLC所形成的沖擊，將會集中在為機電設備配套的OEM市場。

   根據(jù)中自傳媒和《PLC&FA》雜志聯(lián)合出品的《2012中國PLC市場研究報告》，2011年國內OEM市場（包括包裝機械、紡織機械、機床工具、暖通空調、電子制造設備、印刷機械、工程機械、塑料機械、電梯等）的PLC銷售額高達43.10億元人民幣，為2011年國內全部PLC銷售的55.1%。

   根據(jù)英國敏思咨詢公司（ I M SResearch）2012年全球PLC市場研究報告，全球PLC硬件銷售渠道的數(shù)據(jù)，在總銷售額79.17億美元中，直接銷售給最終用戶占15.5%，直接銷售給機械制造廠，即OEM占23.0%（約18億美元），直接銷售給系統(tǒng)集成商占6.6%，而由分銷商完成的銷售額高達43.49億美元，占54.9%。該報告沒有列舉由分銷商供給OEM的份額有多少，但可以粗略估計，如果54.9%中有一半供給了OEM，那么由OEM消化的總的PLC銷售份額就達到了50.45%，十分可觀。

   當然，這僅僅是給出一個可能的前景，并不等于說嵌入式PLC一定會有PLC市場的半壁江山。嵌入式PLC的發(fā)展在很大程度上取決于開發(fā)商的開發(fā)手段，如果他們有先進的、硬軟件一體化的工具性開發(fā)平臺，又有一支訓練有素的開發(fā)隊伍，那么開發(fā)效率將是很高的，一兩個人兩三個月就可以開發(fā)出一種有質量保證的定制化嵌入式PLC。否則，好幾個人一兩年才能開發(fā)出來，而且開發(fā)質量尚無充分保證，那么嵌入式PLC的發(fā)展將是有限的。這就告訴我們，關鍵在于開發(fā)平臺和它的商品化進程，以及推廣規(guī)模和速度。在我國，如果高質量的嵌入式PLC平臺開發(fā)團隊只有為數(shù)不多的一兩個（我們必須清醒地認識到，這樣的團隊需要起碼七八年的艱苦積累和一兩個真正在行的帶頭人或領軍人物），那么發(fā)展的速度和規(guī)模就必須依靠強有力的行業(yè)推動力量和組織，有關政府部門還需要給予足夠的重視和支持。

  ■《自動化博覽》：您認為未來PLC的發(fā)展將如何迎接制造業(yè)的變革？

   彭瑜：我們先來看看工業(yè)發(fā)達國家是怎樣認識PLC的。2012年德國政府制定和大力推行Industry4.0（工業(yè)4.0），而且強調Industry4.0的特征是工業(yè)自動化和信息通信技術的緊密結合，并建立在信息物理系統(tǒng)CPS的基礎之上，這就為智慧工廠的實現(xiàn)指明了一條清晰的途徑。德國的專家和教授還特別指出，發(fā)端于1970年的第三次工業(yè)革命（工業(yè)3.0），其特征是以數(shù)控系統(tǒng)、可編程控制器PLC為典型的制造自動化。這將PLC提到了過去從未有過的高度。因此，未來PLC在功能和技術上的發(fā)展顯然必須結合工業(yè)4.0進行討論。

   PLC的角色定位永遠是設備和自動化生產(chǎn)線的控制器，因此在未來實現(xiàn)數(shù)字化工廠和智慧工廠的過程中，PLC仍然處于基礎自動化的層次。不過，由于它將控制的是具有感知、決策和執(zhí)行功能的智能制造設備，那么未來PLC應該具備與品種更廣泛的感知設備和執(zhí)行設備的接口，具備執(zhí)行更強大的智能算法和更復雜邏輯控制的能力，還應該具備更高效運行的通信能力。未來PLC作為直接與生產(chǎn)過程打交道的控制器，還負責將最基本的生產(chǎn)信息上傳給上位管理系統(tǒng)，并接收上位管理系統(tǒng)發(fā)來的指令和數(shù)據(jù)。簡而言之，PLC作為智能制造裝備的控制器，將在智慧工廠所要求的硬件橫向集成和信息縱向集成中發(fā)揮關鍵節(jié)點的作用。

  與此同時，我們也不能忽略PLC在大量獨立運轉的機械設備和其它各種設備中的作用。這類PLC除了基本的邏輯控制功能外，還需要增加一定的運動控制功能，最好還具有感知周圍環(huán)境、調節(jié)運行狀態(tài)、設備健康監(jiān)測和無線遠程維護的功能。

  ■《自動化博覽》：未來PLC技術發(fā)展將呈現(xiàn)哪些趨勢？

  彭瑜：綜觀當前工業(yè)技術發(fā)展趨勢和近年來PLC的發(fā)展，PLC基礎技術的發(fā)展肯定會圍繞CPU、軟件、通信、低功耗等方面來展開，PLC應用技術的發(fā)展則會圍繞智能制造、數(shù)控機床、機器人、安全與能源管理等多方面展開。

  從硬件資源的角度看， 以更低成本、更低功耗、更小尺寸的CPU芯片處理日益復雜的功能，這肯定是PLC未來發(fā)展的追求。單芯片中集成多核顯然是最好的解決方案之一：除了ARM+DSP的雙核SoC之外， ARM+FPGA的雙核SoC，甚至MCU+DSP（或FPGA）+GPU(圖像處理器)的三核SoC，都可能是未來PLC的選擇。當然，充分利用Intel這些年厚積薄發(fā)的優(yōu)勢，低功耗高性能的x86系列仍然是一些PLC開發(fā)商的最愛，在滿足高速智能運算和處理的同時，還能兼顧開放性通信架構的要求。有了高性能CPU的硬件基礎，面對復雜的智能運算和處理挑戰(zhàn)，軟件的發(fā)展就會成為技術關鍵。

  根據(jù)McKinsey的估計，從1980年至2010年的30年，生產(chǎn)設備的成本構成中，機械成本由80%降至35%，電子電器成本由10%增至25%，而軟件成本由10%增至40%。由此可見，對一個PLC控制系統(tǒng)來說軟件的日益重要性毋庸置疑。

  選擇什么樣的編程語言來編制應用軟件，并且能夠在應用軟件的全生命周期提供堅實的基礎和足夠的支持，是極為關鍵的問題。這種編程語言必須建立在現(xiàn)代軟件工程的理論基礎之上，并具備以下特性：結構化、可分解、可重用，用這種編程語言編制的程序在執(zhí)行過程中必須是可控的，還必須是可被認證和被確認的。堪當此重任的非IEC 61131-3莫屬，這已是定論。

  今后，如果我們選擇PLC系統(tǒng)，一個統(tǒng)一的、智能的PLC軟件工程平臺，其價值遠勝過PLC硬件系統(tǒng)。軟件工程平臺的統(tǒng)一性意味著：

  （1）軟件設計的工程化必須在其全生命周期完善實施，即在設計階段、仿真階段、程序編制階段、調試階段、現(xiàn)場調試階段、運行階段以及支持服務階段（對供應商）、維護階段（對用戶）全面實施。

  （2）邏輯控制、順序控制、運動控制、過程控制，甚至人機界面的組態(tài)和編程全在一個工程平臺上完成。

  （3）不但提供最基礎的IEC 61131-3的函數(shù)、功能塊，還能夠提供PLCopen運動控制規(guī)范所定義的主軸/從軸結構和多軸協(xié)調控制結構所對應的功能塊運動控制庫，通信功能塊（如OPC-UA）庫，通用技術（如溫度控制、液壓控制、……）庫，乃至不同的行業(yè)（如印刷、包裝、風電、金屬成型、激光切割、……）專用庫。軟件工程平臺的智能性意味著：

  （1）采用圖形為導向的組態(tài)，以加速實現(xiàn)對控制器、現(xiàn)場設備和通信網(wǎng)絡的組態(tài)。

  （2）帶聯(lián)機調試的智能邏輯分析功能，以實現(xiàn)快速的無差錯編程。

  （3）高效使用第三方代碼以實現(xiàn)在精準仿真的基礎上自動生成PLC代碼。例如，采用MATLAB/Simulink、Stateflow、SinScape等專業(yè)仿真軟件工具建立的機械模型，能傳遞到PLC的工程平臺進行機械行為的仿真，最終由于工程平臺支持這些模型的全自動代碼生成，得以完成這樣復雜的由虛擬到實際的過程。

  （4）集成了系統(tǒng)診斷功能，無需進行任何編程就能通過標準的web瀏覽器直接進行存取，還易于與用戶的顯示設備（如iPAD、平板電腦、智能手機等）集成。

  互聯(lián)、互通和互操作（甚至是語義互操作），在智能制造裝備、數(shù)字化車間、數(shù)字化工廠和未來的智慧工廠中是必不可少的基礎要求。由處于基礎自動化層的PLC將制造信息無縫、高效地垂直集成至各個調度、監(jiān)控和管理系統(tǒng)，必將成為未來PLC系統(tǒng)技術發(fā)展的重要方向。

  在上下不同層次間實現(xiàn)互操作是困難的，譬如ERP層面（L4）內是語義互操作，檢測和執(zhí)行層面內（L1）是信號的互操作。信息的垂直集成意味著：在企業(yè)管理層軟件和自動化設備之間建立數(shù)據(jù)連接，并使信號提升為具有顯性含義，問題在于如何掌控不同長度和不同周期的數(shù)據(jù)包。按目前的技術發(fā)展來看，用標準化中間件OPC-UA實現(xiàn)垂直集成不失為一種不錯的解決方案。

   可喜的是，2009年OPC基金會和PLCopen組織這兩個非盈利的國際組織將各自的技術組合成一個獨立于制造廠商的信息和通信架構平臺，聯(lián)合建立了基于IEC 61131-3的OPC UA信息模型。PLCopen之所以選擇OPC UA是因為使用OPC的統(tǒng)一架構解決了：（1）在監(jiān)控層面如何發(fā)現(xiàn)與之通信的對象；（2）如何使通信對象的復雜數(shù)據(jù)和功能性是完全可利用的；（3）如何使通信是可靠、可執(zhí)行，而又與操作系統(tǒng)和編程語言無關；（4）如何確保信息安全（如授權和封裝）；（5）如何在數(shù)據(jù)交換中，不僅僅是交換變量，還能夠交換函數(shù)和控制邏輯的復雜數(shù)據(jù)。

   如今像3 S 和KW這樣的基于I E C61131-3的編程平臺公司，已經(jīng)開發(fā)、測試了PLCopen/OPC UA信息模型，并集成到他們的IEC 61131-3運行系統(tǒng)中。更值得注意的是，嵌入式OPC UA基于一個極具吸引力的輕型結構，運用高效的二進制通信協(xié)議完成了最小的OPC UA實現(xiàn)，這就為嵌入式OPC UA進入嵌入式操作系統(tǒng)（包括專用的實時操作系統(tǒng)）奠定了基礎。愛爾蘭的軟件公司Embedded Labs已經(jīng)把OPC UA嵌入到低價的ARM7和ARM9芯片中。 據(jù)OPC基金會估計，到2020年，將會有5000萬個嵌入式OPC UA的設備，其中當然包括數(shù)量可觀的嵌入式PLC。

    摘自《自動化博覽》2013年9期