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智能制造是基于新一代信息技術，貫穿設計、生產、管理、服務等制造活動各個環(huán)節(jié)，具有信息深度自感知、智慧優(yōu)化自決策、精準控制自執(zhí)行等功能的先進制造過程、系統(tǒng)與模式的總稱。具有以智能工廠為載體，以關鍵制造環(huán)節(jié)智能化為核心，以端到端數(shù)據(jù)流為基礎、以網(wǎng)絡互連為支撐等特性，可有效縮短產品研制周期、降低運營成本、提高生產效率、提升產品質量、降低資源能源消耗。智能制造系統(tǒng)是智能制造模式展現(xiàn)的載體，也是信息技術與控制技術集成應用的環(huán)境，其核心是大規(guī)模信息處理、識別、分析、決策等工業(yè)控制技術的研發(fā)和應用，因此工業(yè)控制系統(tǒng)是智能制造系統(tǒng)里自動化和信息化的基礎，其中可編程邏輯控制器（PLC）又是工業(yè)控制系統(tǒng)廣泛應用的核心部件。隨著互聯(lián)網(wǎng)和信息技術的發(fā)展，智能制造應用的全面推進，PLC作為傳統(tǒng)的自動化的關鍵設備也必將得到更加廣泛的應用，新技術的不斷出現(xiàn)將使PLC向智能化、網(wǎng)絡化的方向發(fā)展。智能制造時代，PLC產品面臨著全新的機遇和挑戰(zhàn)。

韓立新：全新一代控制系統(tǒng)技術架構正在孕育

北京機械工業(yè)自動化研究所有限公司副總工程師、研究員韓立新

PLC問世50年了，作為工業(yè)3.0時代的代表性產品，其技術、產品始終處于發(fā)展之中。在邁入工業(yè)4.0的當下，PLC面臨怎樣的變革呢？

工業(yè)4.0和智能制造，有著共同目標指向，都是技術進步推動產業(yè)轉型升級，從而實現(xiàn)經(jīng)濟社會更好發(fā)展。智能工廠是智能制造的載體，也是制造企業(yè)轉型升級的愿景。工廠自動化是PLC的傳統(tǒng)領域，智能制造PLC不會缺席。

智能工廠具有全面感知、優(yōu)化決策、精準執(zhí)行，自動化方式實現(xiàn)的業(yè)務管理和制造作業(yè)過程的特點。而這些的實現(xiàn)，必須要有多功能、強性能的工業(yè)控制器。從曾經(jīng)的角色和在工業(yè)企業(yè)中的現(xiàn)有存量來看，PLC具有得天獨厚的優(yōu)勢，但也面臨全新的挑戰(zhàn)。

挑戰(zhàn)首先來自于需求端。智能工廠要全面感知，挖掘數(shù)據(jù)價值，前提條件是互通互聯(lián)和數(shù)據(jù)采集。原來現(xiàn)場控制網(wǎng)絡和車間一級的網(wǎng)絡與互聯(lián)網(wǎng)是隔離的，互通互聯(lián)與數(shù)據(jù)采集解決問題的重點在多種現(xiàn)場通信協(xié)議間的信息交換。現(xiàn)在的橫向集成、縱向集成、端到端集成，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)構建與應用等，實現(xiàn)互通互聯(lián)的同時，也帶來了網(wǎng)絡安全問題。對于PLC來說，互通互聯(lián)帶來的安全問題又分為信息安全和功能安全兩個方面，而后者又是PLC不同于一般業(yè)務管理用計算機的重點所在。如何確保控制系統(tǒng)在互通互聯(lián)的環(huán)境中的功能安全，要研究的問題還很多。

智能工廠的優(yōu)化決策要在各個層級上實現(xiàn)，在設備和產線級，需要控制器提供更多的智能功能，提供更快更強的運算能力，提供和支持機器視覺、深度學習等人工智能算法，提供IEC61131-3標準以外的高級語言編程等。

現(xiàn)場的同一臺設備、同一個工藝段、產線，可能有多個或多類控制器。如柔性加工單元，可能是CNC+PLC；機器人工作站可能是機器人控制器+PLC，這些功能是否可以由一個控制器完成？其實PLC、CNC、機器人控制器、DCS功能相互的融合伴隨著各自的發(fā)展歷程。

挑戰(zhàn)同時來自新技術對原有產品和解決方案的顛覆，其中最主要的挑戰(zhàn)來自云計算模式。云計算的本質是大規(guī)模分布式計算，它將非關即開的數(shù)字化設備模型化為傳統(tǒng)上的“模擬”系統(tǒng)，增進了系統(tǒng)的伸縮性和可靠性，并且規(guī)模越大越經(jīng)濟，使我們今天擁有似乎無窮無盡的網(wǎng)絡資源和計算能力，擁有了7×24運行的各種線上系統(tǒng)。

PLC產品和技術發(fā)展到今天，大型PLC系統(tǒng)本身已經(jīng)是一個分布式計算系統(tǒng)，只不過這種分布式系統(tǒng)是基于現(xiàn)場總線和局域網(wǎng)的。支撐云模式分布式計算系統(tǒng)的相關技術應用于工業(yè)控制領域，將帶來工業(yè)控制系統(tǒng)體系結構、技術架構、產品形式、應用方式的革命性變革。

邊緣計算興起就是這種變革的一個體現(xiàn)。邊緣計算提出了云、管、邊的體系架構，我們也可以簡化為云、邊的結構。在云端，標準硬件組合而成的機器構建的基礎實施，大幅降低單位計算成本的同時，提供了強大的計算能力，使得在計算機系統(tǒng)的虛擬空間里構建模型、進行仿真運行和優(yōu)化運算有了更好的選擇。現(xiàn)場I/O和實時控制由邊緣控制器實現(xiàn)，軟件自動生成和部署技術使得邊緣端的功能升級更加便捷和安全，可以更好地提供現(xiàn)場控制所需的智能，并且解決了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)產品升級換代時需要重新配置系統(tǒng)、編制用戶程序所帶來的不便。因為是重新規(guī)劃的系統(tǒng)，統(tǒng)一的技術架構和通信協(xié)議可以更好地實現(xiàn)互通互聯(lián)。

華為邊緣智能小超人—Atlas 500智能小站和一些傳統(tǒng)PLC廠家的產品創(chuàng)新，都是對技術發(fā)展趨勢的現(xiàn)實響應。雖然還有許多理論和技術問題需要研究和解決，但新的體系架構可能催生的全新一代控制系統(tǒng)技術架構正在孕育。5G乃至更新的通訊技術，降低了分布式系統(tǒng)各功能組件間的信息交換時延，將會加速這個進程。對這些挑戰(zhàn)的積極應對，將為PLC迎來新的發(fā)展機遇。

李方園：PLC技術面臨的編程語言挑戰(zhàn)及工業(yè)4.0機遇

浙江工商職業(yè)技術學院副教授李方園

在PLC的選擇上，用戶經(jīng)常會碰到所謂日系和德系的區(qū)分，在高校的自動化專業(yè)教學中，也是分西門子和三菱兩種機型進行教學。兩者的區(qū)別就在于，日系的PLC編程軟件短小精悍，且基本以梯形圖編程為主，對于初學者，尤其是電工從業(yè)者來說，入門簡單，應用方便；而德系的PLC，以西門子博途編程軟件為例，它占用空間巨大，但系統(tǒng)嚴謹，功能強大，可以使用高級語言編程。無論是哪一種，都在IEC61131標準中得到了規(guī)范。該規(guī)范是將信息技術領域的一些先進的思想和技術引入工業(yè)控制領域，如軟件工程、結構化編程、模塊化編程、面向對象的思想以及網(wǎng)絡通信技術，彌補和克服了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)開放性差、兼容性差、應用軟件可維護性差以及可再用性差等弱點。對于符合這一標準的控制器，即使它們由不同制造商生產，其編程語言也是相同的，其使用方法也是類似的，因此，工程師們可以做到“一次學習、到處使用”，從而減少了企業(yè)在人員培訓、技術咨詢、系統(tǒng)調試和軟件維護等方面的成本。

西門子PLC的高級語言（即SCL語言）編程時，主要用IF...THEN、CASE...OF...、FOR、WHILE...DO、REPEAT...UNTIL等語句去構造條件、循環(huán)、判斷這樣的結構，在這些結構中再添加指令，去實現(xiàn)邏輯判斷。所有程序的編寫都是在純文本的環(huán)境下編輯，不像梯形圖那么直觀，但應用起來非常靈活，這也是目前主流PLC支持的編程語言和IEC61131-3規(guī)范。以伺服控制為例，根據(jù)輸入的距離計算伺服電機的脈沖數(shù)，并根據(jù)反饋的脈沖數(shù)計算實際的距離，其數(shù)學計算簡單且易表達，但用梯形圖來描述，估計要一個屏幕，恐怕還不夠，這時采用IEC61131標準的高級語言就可以很輕松地來編程，無論浮點數(shù)計算，還是跟梯形圖共用，都非常容易上手。

PLC的變化除了編程語言更簡潔之外，還在于工業(yè)4.0帶動下通信模式的改變。盡管PLC的通信系統(tǒng)可以通過ProfiNet、CC-Link、DeviceNet等組網(wǎng)構成更加復雜的控制系統(tǒng)，但與周邊的一些設備卻格格不入，比如條碼掃描器、RFID閱讀器、溫度傳感器、濕度傳感器、工業(yè)攝像機等。工業(yè)4.0的前提是數(shù)據(jù)采集，無論是企業(yè)車間現(xiàn)場的生產物資管理，還是車間現(xiàn)場的設備管理，其數(shù)據(jù)都需要融入到MES系統(tǒng)中去，這樣才能為企業(yè)的生產制造、倉儲、物流運輸、銷售管理、售后服務得以全面實現(xiàn)數(shù)字化管理提供了強大的硬件基礎。

因此，很多第三方企業(yè)與PLC廠商合作，為PLC控制器用戶提供整套的物聯(lián)網(wǎng)服務，助力制造業(yè)廠家邁入“工業(yè)4.0”時代。也有PLC廠商直接推出自帶物聯(lián)網(wǎng)功能的PLC，通過內置的功能塊，直接實現(xiàn)數(shù)據(jù)接入，實現(xiàn)設備管理，維修工單管理、遠程售后、大數(shù)據(jù)分析等功能。

王德吉：工廠邊緣智能化是實現(xiàn)智能的關鍵所在

中國煙草總公司職工進修學院研究員王德吉

控制系統(tǒng)是制造企業(yè)制造過程中的神經(jīng)中心、操作中心和安全屏障。它實現(xiàn)了監(jiān)視、控制和優(yōu)化整個過程流程和產品質量的功能，是確保重大工程和重大裝備安全可靠和高效優(yōu)化運行的不可或缺的關鍵通用硬軟件平臺與系統(tǒng)。隨著控制系統(tǒng)技術的不斷改進和發(fā)展，其在工業(yè)控制領域的應用日益成熟。然而，隨著智能制造時代的到來，IT與OT的集成發(fā)展已成為大勢所趨。作為智能制造的基礎層和自動化控制層的核心，控制系統(tǒng)不可避免地面臨新的挑戰(zhàn)。智能制造基于數(shù)據(jù)，因此有必要獲得完整且相互關聯(lián)的全局數(shù)據(jù)，以更好地協(xié)調整個生產過程。控制系統(tǒng)是整個智能制造架構中硬功能的核心鏈接。它需要具有更強大的數(shù)據(jù)采集、存儲、計算和分析功能，以更好地支持上層智能軟件的開發(fā)。具體說來，PLC面臨以下挑戰(zhàn)：

高性能控制：智能制造環(huán)境需要PLC以比以往更快的速度來處理指令、服務中斷并支持集成的HMI。這需要處理器具有更高的MIPS和多個內核，這必將導致高昂的成本和功耗。

互連接性：不同機器之間的M2M連接性要求在單個PLC系統(tǒng)中支持多種工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，而企業(yè)連接性則需要對應用程序互連接性框架（如OPC-UA）的支持。

安全的通信：工廠網(wǎng)絡外部連接到企業(yè)的PLC容易受到網(wǎng)絡攻擊，這使安全成為主要問題。

跨平臺的互連接性：選擇錯誤的處理器可能會導致代價高昂的錯誤，因為不同系統(tǒng)之間的功能互連接性要求使用在非專有處理器內核上運行的標準化操作系統(tǒng)。

市場的多變性：隨著連接性和互連接性環(huán)境的不斷發(fā)展，市場需求的更改變得更加頻繁，這需要對軟件和硬件設計進行更改。

此外，傳統(tǒng)的挑戰(zhàn)仍然存在，包括可伸縮性、功能安全性、更低的功耗、更小的面積。

總之，隨著工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的逐步實現(xiàn)，工廠邊緣智能化是實現(xiàn)智能的關鍵所在。PLC面臨著大數(shù)據(jù)、高性能控制、互連接性、安全性、跨平臺等挑戰(zhàn)。通過片上系統(tǒng)（SoC）現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）設計的片上PLC能夠應對這一挑戰(zhàn)。片上PLC通過云實現(xiàn)工廠與企業(yè)之間的安全通信，支持工業(yè)生產商獲取并使用工業(yè)過程數(shù)據(jù)，提高了效率，還支持海量定制，通過預測性維護降低了由于工廠停工帶來的高成本。

摘自《自動化博覽》2020年4月刊