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上海工業(yè)自動(dòng)化儀表研究院 PLCopen中國(guó)組織 彭瑜

作者簡(jiǎn)介

彭瑜（1938-），男，湖南長(zhǎng)沙人，教授級(jí)高級(jí)工程師，早年畢業(yè)于清華大學(xué)熱能工程系，現(xiàn)任上海工業(yè)自動(dòng)化儀表研究院教授級(jí)高工、顧問(wèn)，PLCopen中國(guó)組織名譽(yù)主席，中國(guó)自動(dòng)化學(xué)會(huì)儀表和裝置專(zhuān)委會(huì)名譽(yù)常務(wù)委員，PowerLink中國(guó)用戶協(xié)會(huì)理事長(zhǎng)，工信部智能制造標(biāo)準(zhǔn)化體系建設(shè)工作組專(zhuān)家，國(guó)家智能制造標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)調(diào)推進(jìn)組專(zhuān)家咨詢組專(zhuān)家。迄今為止，已經(jīng)為中國(guó)工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展服務(wù)了50多年，領(lǐng)域涉及流程工業(yè)、離散制造業(yè)等的檢測(cè)、控制、生產(chǎn)制造、執(zhí)行管理等多個(gè)方面。自1993年起，因?qū)I(yè)技術(shù)的突出貢獻(xiàn)獲得國(guó)務(wù)院特殊津貼和相關(guān)證書(shū)。

1　近年來(lái)PLC的市場(chǎng)發(fā)展概況

根據(jù)Frorst & Sullivan發(fā)布的全球PLC市場(chǎng)報(bào)告，有足夠的證據(jù)證明，PLC市場(chǎng)在所有范圍內(nèi)都呈正增長(zhǎng)。在過(guò)去的十年中，PLC市場(chǎng)在經(jīng)受了前些年顯著的下降之后，目前又呈現(xiàn)強(qiáng)勢(shì)反彈，估計(jì)到2018年市場(chǎng)將達(dá)到148.5億美元，比前五年增長(zhǎng)40%。令人感到興奮的是，中小型PLC將在市場(chǎng)增長(zhǎng)中起著至關(guān)重要的作用。

ARC在2015年8月發(fā)表有關(guān)PLC和PAC的市場(chǎng)發(fā)展報(bào)告，其要點(diǎn)是：PLC與PAC市場(chǎng)在2014年實(shí)現(xiàn)擴(kuò)張。其中特別是中國(guó)和北美成為增長(zhǎng)引擎。預(yù)計(jì)該市場(chǎng)在2015和2016年增長(zhǎng)前景不容樂(lè)觀，主要原因是金磚四國(guó)（巴西、俄羅斯、印度、中國(guó)）已不再是增長(zhǎng)因素。估計(jì)目前PLC裝機(jī)數(shù)量達(dá)5200萬(wàn)臺(tái)，其中以微小型PLC占相當(dāng)數(shù)量，預(yù)計(jì)到2019年將達(dá)到6500萬(wàn)臺(tái)。其中很大數(shù)量在未來(lái)5年內(nèi)都已經(jīng)到了其生命周期的最后階段。現(xiàn)有裝機(jī)PLC的更新?lián)Q代，將是未來(lái)5年內(nèi)PLC市場(chǎng)增長(zhǎng)的一個(gè)重要因素。此外，軟件和服務(wù)對(duì)PLC供應(yīng)商和最終用戶越來(lái)越重要。最終用戶更多地會(huì)要求將硬件完成的功能需求利用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。PLC相關(guān)服務(wù)也變得更重要。為了更專(zhuān)注于自己的核心競(jìng)爭(zhēng)力，更有效充分利用工程資源，一些最終用戶已經(jīng)外包了許多PLC相關(guān)服務(wù)，如配置、培訓(xùn)和維護(hù)。有跡象表明越來(lái)越多的用戶打算外包他們大部分的維護(hù)、培訓(xùn)或備件業(yè)務(wù)，已經(jīng)成為趨勢(shì)。

據(jù)美國(guó)相關(guān)自動(dòng)化人士在社交網(wǎng)絡(luò)的討論，比較集中的意見(jiàn)認(rèn)為是最終用戶推動(dòng)著市場(chǎng)。機(jī)械裝備制造商偏愛(ài)PLC，是因?yàn)樗褂煤?jiǎn)單可靠，性價(jià)比好。從技術(shù)人員的角度分析，則是掌握PLC的人群遠(yuǎn)多于掌握PC和PAC的人群。不過(guò)，也不能認(rèn)為PLC會(huì)永遠(yuǎn)保持其傳統(tǒng)的形態(tài)。在未來(lái)的5年時(shí)間內(nèi)，由于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的快速普及，以及云服務(wù)逐漸進(jìn)入工業(yè)市場(chǎng)，需要PLC提供直接與MES、ERP等上層管理軟件信息系統(tǒng)的接口，PLC系統(tǒng)一定要從硬件和軟件上適應(yīng)新工業(yè)革命也即智能制造的需求，不然PLC制造廠商還會(huì)遭遇嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

2　智能制造對(duì)PLC功能的新要求

PLC作為設(shè)備和裝置的控制器，除了傳統(tǒng)的邏輯控制、順序控制、運(yùn)動(dòng)控制、安全控制功能之外，還承擔(dān)著工業(yè)4.0和智能制造賦予的以下任務(wù)：

越來(lái)越多的傳感器被用來(lái)監(jiān)控環(huán)境、設(shè)備的健康狀態(tài)和生產(chǎn)過(guò)程的各類(lèi)參數(shù)，這些工業(yè)大數(shù)據(jù)的有效采集，迫使PLC的I/O由集中安裝在機(jī)架上，必須轉(zhuǎn)型為分布式I/O。

各類(lèi)智能部件普遍采用嵌入式PLC，或者微小型PLC，盡可能地在現(xiàn)場(chǎng)完成越來(lái)越復(fù)雜的控制任務(wù)。

應(yīng)用軟件編程的平臺(tái)化，進(jìn)一步發(fā)展工程設(shè)計(jì)的自動(dòng)化和智能化。

大幅提升無(wú)縫連通能力，相關(guān)的控制參數(shù)和設(shè)備的狀態(tài)可直接傳輸至上位的各個(gè)系統(tǒng)和應(yīng)用軟件，甚至送往云端。

概括而言，即滿足工業(yè)大數(shù)據(jù)采集的需求，就地實(shí)時(shí)自治控制，編程的自動(dòng)化和智能化，提升無(wú)縫的連通能力。

PLC系統(tǒng)作為工業(yè)控制主力軍的地位會(huì)不會(huì)因?yàn)檎谙破鸬牡谒拇喂I(yè)革命而被逐步替代呢？回答是否定的。同時(shí)，這也取決于PLC軟硬件技術(shù)能否快速的進(jìn)行適應(yīng)性的轉(zhuǎn)型和升級(jí)。事實(shí)上，PLC的軟件技術(shù)以PLCopen為先導(dǎo)，一直在為滿足工業(yè)4.0和智能制造日益清晰的要求做準(zhǔn)備。圖1所表述的是PLCopen歷年來(lái)所開(kāi)發(fā)的各種規(guī)范在工業(yè)4.0參考架構(gòu)模型（RAMI4.0）相應(yīng)維度和層級(jí)中的位置，可以明顯地看到，PLCopen國(guó)際組織長(zhǎng)期以來(lái)為提高自動(dòng)化效率所做的工作。

圖1 PLCopen各規(guī)范在RAMI4.0中的位置

3　PLC硬件如何適應(yīng)智能制造的要求

盡管人們較普遍的認(rèn)識(shí)是PLC硬件技術(shù)進(jìn)步是漸進(jìn)的，但也不能否認(rèn)，PLC的硬件技術(shù)一直在為滿足工業(yè)4.0和智能制造日益清晰的要求積累經(jīng)驗(yàn)。

特別是微電子技術(shù)的飛躍進(jìn)展，使得SoC芯片在主鐘頻率越來(lái)越高的同時(shí)而功耗卻顯著減小；多核SoC的發(fā)展，又促進(jìn)了在PLC的邏輯和順序控制處理的同時(shí)，可以進(jìn)行高速的運(yùn)動(dòng)控制處理、視覺(jué)算法的處理等；而通信技術(shù)的進(jìn)展使得分布式I/O運(yùn)用越來(lái)越多，泛在的I/O運(yùn)用也有了起步。

為迎接工業(yè)4.0的挑戰(zhàn)，PLC硬件設(shè)計(jì)應(yīng)該在以下方面有一定的改善空間：

極大改善能耗和減小空間。PCB板85%的空間被模擬芯片和離散元器件所占，需要采取將離散元器件的功能集中于單個(gè)芯片中，采用新型的流線模擬電路等措施。

增加I/O模塊的密度。

進(jìn)行良好的散熱設(shè)計(jì)，降低熱耗散。

突破信息安全的瓶頸（如何防范黑客攻擊、惡意軟件和病毒）。

概括起來(lái)說(shuō)，PLC的硬件必須具備綜合的性能，即更小的體積，更高的I/O密度，更多的功能。

舉例來(lái)說(shuō)，選用新型的器件收效顯著：為了減小I/O模塊的體積，減少元器件的數(shù)量，采用多通道的并行/串行信號(hào)轉(zhuǎn)換芯片（serializer），可以對(duì)傳感器24V的輸出信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換、調(diào)理和濾波，并以5V的CMOS兼容電平輸入PLC的MCU。這樣可把必要的光電隔離器件減少至3個(gè)，來(lái)自多通道的并行/串行信號(hào)轉(zhuǎn)換芯片（serializer）的信號(hào)，可共享相同的光電隔離資源。

Maxim公司的模擬器件集成設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化了信號(hào)鏈，使10V的雙極性輸入可以多通道采樣、放大、濾波和模/數(shù)變換，而且只需單路的5V電源。這種設(shè)計(jì)取消了15V的電源，減少了元器件的數(shù)量和系統(tǒng)成本，降低了功耗，縮小了元器件所占用的面積。

4　PLC軟件如何適應(yīng)智能制造的要求

可編程控制器作為一類(lèi)重要的工業(yè)控制器裝置，之所以能夠在長(zhǎng)達(dá)數(shù)十年的工控市場(chǎng)上長(zhǎng)盛不衰，本質(zhì)上的原因必須從其內(nèi)部去發(fā)掘。其中，軟件與硬件發(fā)展的相輔相成、相得益彰應(yīng)該是重要原因。

IEC61131-3推動(dòng)PLC在軟件方面的進(jìn)步，體現(xiàn)在：

（1）編程的標(biāo)準(zhǔn)化，促進(jìn)了工控編程從語(yǔ)言到工具性平臺(tái)的開(kāi)放，同時(shí)為工控程序在不同硬件平臺(tái)間的移植創(chuàng)造了前提條件。

（2）為控制系統(tǒng)創(chuàng)立統(tǒng)一的工程應(yīng)用軟環(huán)境打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。從應(yīng)用工程程序設(shè)計(jì)的管理，到提供邏輯和順序控制、過(guò)程控制、批量控制、運(yùn)動(dòng)控制、傳動(dòng)、人機(jī)界面等統(tǒng)一的設(shè)計(jì)平臺(tái)，以至于將調(diào)試、投運(yùn)和投產(chǎn)后的維護(hù)等，統(tǒng)統(tǒng)納入統(tǒng)一的工程平臺(tái)。

（3）應(yīng)用程序的自動(dòng)生成工具和仿真工具。

（4） 為適應(yīng)工業(yè)4.0和智能制造的軟件需求，IEC61131-3的第3版將面向用戶的編程O(píng)OP納入標(biāo)準(zhǔn)。

之前已開(kāi)發(fā)了許多為PLC控制系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)、編程和運(yùn)行，以及管理的工具性軟件。其中包括控制電路設(shè)計(jì)軟件包、接線設(shè)計(jì)軟件、PLC編程軟件包、人機(jī)界面和SCADA軟件包、程序調(diào)試仿真軟件以及自動(dòng)化維護(hù)軟件等等。盡管這些軟件都是為具體的工程服務(wù)的，但即使在對(duì)同一對(duì)象進(jìn)行控制設(shè)計(jì)和監(jiān)控，它們卻都互不關(guān)聯(lián)。不同的控制需求（如邏輯和順序控制、運(yùn)動(dòng)控制、過(guò)程控制等）要用不同的開(kāi)發(fā)軟件，在不同的工作階段（如編程組態(tài)、仿真調(diào)試、維護(hù)管理等）又要用不同的軟件。而且往往在使用不同的軟件時(shí)必需自行定義標(biāo)簽變量（Tags），而定義變量的規(guī)則又往往各取其便，導(dǎo)致對(duì)同一物理對(duì)象的相同控制變量不能做到統(tǒng)一的、一致的命名。

缺乏公用的數(shù)據(jù)庫(kù)和統(tǒng)一的變量命名規(guī)則，造成在使用不同軟件時(shí)不得不進(jìn)行繁瑣的變量轉(zhuǎn)換，重復(fù)勞動(dòng)導(dǎo)致人力資源成本高、效率低下。

工控編程語(yǔ)言是一類(lèi)專(zhuān)用的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言，建立在對(duì)控制功能和要求的描述和表達(dá)的基礎(chǔ)上。作為實(shí)現(xiàn)控制功能的語(yǔ)言工具，工控編程語(yǔ)言不可能是一成不變的。其進(jìn)步必然受到計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)和編程語(yǔ)言的發(fā)展，以及它所服務(wù)的控制工程在描述和表達(dá)控制要求和功能的方法的影響。

但是不論其如何發(fā)展和變化，這些年來(lái)的事實(shí)表明，它總是在IEC 61131-3標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)和框架上展開(kāi)的。這就告訴我們，IEC61131-3不僅僅是工控編程語(yǔ)言的規(guī)范，也是編程系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)架構(gòu)的基礎(chǔ)和參照。

長(zhǎng)期以來(lái)PLCopen國(guó)際組織注重與許多國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織和基金會(huì)（如ISA、OPC基金會(huì)等）合作，開(kāi)發(fā)了基礎(chǔ)性的規(guī)范。圖2對(duì)此形象地做了詮釋。這些工作都為智能制造和工業(yè)4.0的應(yīng)用和發(fā)展做了很多先導(dǎo)性的探索和準(zhǔn)備，從而打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

圖2 PLCopen組織和許多標(biāo)準(zhǔn)化組織合

多年來(lái)PLCopen一直堅(jiān)持與開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)化組織合作建立一種開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)的生態(tài)系統(tǒng)。譬如與OPC基金會(huì)合作開(kāi)發(fā)的：IEC 61131-3的信息模型（2010年5月發(fā)布），IEC 61131-3 的OPC UA Client FB客戶端功能塊（2015年3月發(fā)布），IEC 61131-3的OPC UA Server FB服務(wù)端功能塊（2015年3月發(fā)布）。已經(jīng)成功地應(yīng)用于包裝行業(yè)建立PackML系列規(guī)范，大大簡(jiǎn)化了包裝機(jī)械與上位生產(chǎn)管理系統(tǒng)的通信。

這些標(biāo)準(zhǔn)拓展了如今廣泛運(yùn)用于計(jì)算技術(shù)行業(yè)的SOA面向服務(wù)的架構(gòu)的應(yīng)用范圍，同時(shí)也推進(jìn)了一度落后于計(jì)算技術(shù)和軟件的自動(dòng)化系統(tǒng)技術(shù)，快速跟上IT技術(shù)的進(jìn)展。

5　PLC是智能制造和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的先行官

圖3 智能制造的通信架構(gòu)的扁平化

實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0、智慧工廠和智能制造，必須建立在一類(lèi)包括實(shí)時(shí)控制和及時(shí)監(jiān)控在內(nèi)的、強(qiáng)有力的聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和規(guī)范的基礎(chǔ)上。這類(lèi)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和規(guī)范可以在一定程度上繼承原有的聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和規(guī)范，但更重要的是一定要突破原有技術(shù)和規(guī)范的局限，以及明顯不能滿足實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0、智慧工廠和智能制造的多層遞階的架構(gòu)和按功能分層進(jìn)行通信的思維。這就是說(shuō)，除了對(duì)時(shí)間有嚴(yán)酷要求的實(shí)時(shí)控制和對(duì)安全有嚴(yán)酷要求的功能安全仍然保留在工廠層而外，所有的制造功能都將按產(chǎn)品、生產(chǎn)制造和經(jīng)營(yíng)管理這三個(gè)維度做到通信扁平化，實(shí)現(xiàn)信息虛擬化，從而構(gòu)成全鏈接和全集成的智能制造生態(tài)系統(tǒng)。

在智能制造系統(tǒng)中，PLC不僅僅是機(jī)械裝備和生產(chǎn)線的控制器，而且還是制造信息的采集器和轉(zhuǎn)發(fā)器。從這個(gè)意義上講，只有PLC具有面向服務(wù)架構(gòu)（SOA）的功能，才有可能完成這些重要任務(wù)。譬如PLC調(diào)用視覺(jué)系統(tǒng)的攝像頭所攝制的圖像服務(wù)，或者PLC調(diào)用某個(gè)RFID讀取器的服務(wù)，都需要視覺(jué)系統(tǒng)或RFID讀取器直接與PLC通信，或者當(dāng)PLC要傳送大數(shù)據(jù)應(yīng)用的數(shù)據(jù)給云端。圖4所描述的是今年德國(guó)漢諾威博覽會(huì)上SAP公司展示的系統(tǒng)：3D打印系統(tǒng)所制造的零件信息由視頻系統(tǒng)的圖像采集，通過(guò)OPC UA送到機(jī)器人控制器，再由機(jī)器人將零件抓取后放置在傳送帶上。還可以把有關(guān)信息送至SAP云中。

圖4 用OPC UA進(jìn)行多種設(shè)備的通信

目前，在MES級(jí)與PLC的數(shù)據(jù)交換通常是通過(guò)一個(gè)耗時(shí)的握手過(guò)程。例如MES系統(tǒng)發(fā)出一個(gè)信號(hào)要向PLC傳送一個(gè)配方數(shù)據(jù)，等待PLC確認(rèn)信號(hào)返回；接著MES系統(tǒng)向PLC傳送該配方數(shù)據(jù)，當(dāng)PLC接收到這一組數(shù)據(jù)后向MES發(fā)出接收確認(rèn)信號(hào)。如果PLC同時(shí)具有OPC UA的服務(wù)端功能和客戶端的功能，這種PLC就是一種面向服務(wù)架構(gòu)的PLC（也可簡(jiǎn)稱為SOA-PLC）。這時(shí)MES系統(tǒng)向PLC傳送一個(gè)配方數(shù)據(jù)就是執(zhí)行一次通信服務(wù)，這次服務(wù)的輸入?yún)?shù)是配方，輸出數(shù)據(jù)是PLC的確認(rèn)信號(hào)，再也不需要MES系統(tǒng)和PLC之間的多次握手過(guò)程。實(shí)際上就是OPC UA遠(yuǎn)程調(diào)用了PLC的功能塊，大大縮短了MES與PLC之間通信來(lái)往過(guò)程，提高了生產(chǎn)調(diào)度安排的效率。同時(shí)顯著減少了工程成本，極大地加強(qiáng)了工廠層與上位執(zhí)行調(diào)度和管理層的數(shù)據(jù)通信能力。

一臺(tái)SOA-PLC實(shí)際上是把支持確保信息安全的虛擬專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)（VPN）的Web服務(wù)權(quán)植入PLC。這種服務(wù)權(quán)執(zhí)行面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)通信，包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)、報(bào)警數(shù)據(jù)和其它服務(wù)。PLC通過(guò)這類(lèi)服務(wù)把對(duì)應(yīng)的大量數(shù)據(jù)連接至上級(jí)的服務(wù)和數(shù)據(jù)層，供信息模型的建模能力使用和處理。

圖5 執(zhí)行PLCopen的OPC UA的通信功能塊

讓一臺(tái)PLC集成了OPC UA的服務(wù)端功能和OPC UA的客戶端功能，就能保證這臺(tái)PLC通過(guò)VPN進(jìn)行有安全保證的數(shù)據(jù)通信。正如前面所述PLCopen和OPC基金會(huì)合作制定了IEC 61131-3的OPC UA信息模型，使PLC的相關(guān)信息都可以運(yùn)用OPC UA的通信機(jī)制進(jìn)行傳輸。而PLCopen組織所發(fā)布的OPC UA的服務(wù)端功能塊的規(guī)范和客戶端的功能塊規(guī)范，為實(shí)現(xiàn)這類(lèi)通信的模塊化和便利化奠定了標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)。由圖5可以看出不同廠商的PLC可以實(shí)現(xiàn)OPC的通信、PLC與MES/ERP之間可以實(shí)現(xiàn)OPC的通信，PLC還可以通過(guò)OPC實(shí)現(xiàn)與微軟的Azure公共云和亞馬遜的AWS公共云的直接通信。

現(xiàn)在已經(jīng)有一些公司能夠提供在PLC上完整實(shí)現(xiàn)OPC UA通信的軟件平臺(tái)支持。圖6所示即為德國(guó)倍福公司的EthenCATIII平臺(tái)軟件。德國(guó)菲尼克斯軟件公司開(kāi)發(fā)的PC WORX UA軟件平臺(tái)支持200臺(tái)PLC之間進(jìn)行PLCopen所規(guī)范的OPC UA的通信，選用不同的版本通信變量可以是10萬(wàn)個(gè)、1萬(wàn)個(gè)、5千個(gè)。

在此順便指出，至少到目前為止OPC UA并不適合于硬實(shí)時(shí)的M2M的通信，而非常適合于監(jiān)控級(jí)或生產(chǎn)管理執(zhí)行級(jí)的軟實(shí)時(shí)B2M的通信，以及軟實(shí)時(shí)的B2B的通信。對(duì)此應(yīng)該有清醒的認(rèn)識(shí)。

圖6 實(shí)現(xiàn)OPC UA通信的軟件平臺(tái)支持

6　結(jié)論

PLC可謂是工業(yè)自動(dòng)化控制的常青樹(shù)，即使是在工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的智能制造年代，或者是工業(yè)4.0的時(shí)代，它仍然足夠勝任各種控制要求和通信要求。但它早已不再是三、四十年前只能完成邏輯控制、順序控制的繼電邏輯系統(tǒng)的替代物，它已完成了由經(jīng)典PLC向現(xiàn)代PLC的蛻變。繼承了高性價(jià)比、高可靠性、高易用性的特點(diǎn)，再具有了分布式I/O、嵌入式智能和無(wú)縫聯(lián)接的性能，尤其是在強(qiáng)有力的PLC軟件平臺(tái)的支持下，我們完全可以相信PLC將持久不衰地活躍在工業(yè)自動(dòng)化的世界中。

摘自2016年《今日自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用在中國(guó)》