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上海工業(yè)自動化儀表研究院 PLCopen中國組織 彭瑜

作者簡介

彭瑜（1938-），男，湖南長沙人，教授級高級工程師，早年畢業(yè)于清華大學熱能工程系，現(xiàn)任上海工業(yè)自動化儀表研究院教授級高工、顧問，PLCopen中國組織名譽主席，中國自動化學會儀表和裝置專委會名譽常務(wù)委員，PowerLink中國用戶協(xié)會理事長，工信部智能制造標準化體系建設(shè)工作組專家，國家智能制造標準化協(xié)調(diào)推進組專家咨詢組專家。迄今為止，已經(jīng)為中國工業(yè)自動化技術(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、控制、生產(chǎn)制造、執(zhí)行管理等多個方面。自1993年起，因?qū)I(yè)技術(shù)的突出貢獻獲得國務(wù)院特殊津貼和相關(guān)證書。

1　近年來PLC的市場發(fā)展概況

根據(jù)Frorst & Sullivan發(fā)布的全球PLC市場報告，有足夠的證據(jù)證明，PLC市場在所有范圍內(nèi)都呈正增長。在過去的十年中，PLC市場在經(jīng)受了前些年顯著的下降之后，目前又呈現(xiàn)強勢反彈，估計到2018年市場將達到148.5億美元，比前五年增長40%。令人感到興奮的是，中小型PLC將在市場增長中起著至關(guān)重要的作用。

ARC在2015年8月發(fā)表有關(guān)PLC和PAC的市場發(fā)展報告，其要點是：PLC與PAC市場在2014年實現(xiàn)擴張。其中特別是中國和北美成為增長引擎。預(yù)計該市場在2015和2016年增長前景不容樂觀，主要原因是金磚四國（巴西、俄羅斯、印度、中國）已不再是增長因素。估計目前PLC裝機數(shù)量達5200萬臺，其中以微小型PLC占相當數(shù)量，預(yù)計到2019年將達到6500萬臺。其中很大數(shù)量在未來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PLC的更新?lián)Q代，將是未來5年內(nèi)PLC市場增長的一個重要因素。此外，軟件和服務(wù)對PLC供應(yīng)商和最終用戶越來越重要。最終用戶更多地會要求將硬件完成的功能需求利用軟件來實現(xiàn)。PLC相關(guān)服務(wù)也變得更重要。為了更專注于自己的核心競爭力，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。有跡象表明越來越多的用戶打算外包他們大部分的維護、培訓(xùn)或備件業(yè)務(wù)，已經(jīng)成為趨勢。

據(jù)美國相關(guān)自動化人士在社交網(wǎng)絡(luò)的討論，比較集中的意見認為是最終用戶推動著市場。機械裝備制造商偏愛PLC，是因為它使用簡單可靠，性價比好。從技術(shù)人員的角度分析，則是掌握PLC的人群遠多于掌握PC和PAC的人群。不過，也不能認為PLC會永遠保持其傳統(tǒng)的形態(tài)。在未來的5年時間內(nèi)，由于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的快速普及，以及云服務(wù)逐漸進入工業(yè)市場，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制造廠商還會遭遇嚴峻的挑戰(zhàn)。

2　智能制造對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、運動控制、安全控制功能之外，還承擔著工業(yè)4.0和智能制造賦予的以下任務(wù)：

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

各類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)場完成越來越復(fù)雜的控制任務(wù)。

應(yīng)用軟件編程的平臺化，進一步發(fā)展工程設(shè)計的自動化和智能化。

大幅提升無縫連通能力，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，就地實時自治控制，編程的自動化和智能化，提升無縫的連通能力。

PLC系統(tǒng)作為工業(yè)控制主力軍的地位會不會因為正在掀起的第四次工業(yè)革命而被逐步替代呢？回答是否定的。同時，這也取決于PLC軟硬件技術(shù)能否快速的進行適應(yīng)性的轉(zhuǎn)型和升級。事實上，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備。圖1所表述的是PLCopen歷年來所開發(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)維度和層級中的位置，可以明顯地看到，PLCopen國際組織長期以來為提高自動化效率所做的工作。

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識是PLC硬件技術(shù)進步是漸進的，但也不能否認，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。

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

為迎接工業(yè)4.0的挑戰(zhàn)，PLC硬件設(shè)計應(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。

進行良好的散熱設(shè)計，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）。

概括起來說，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。

舉例來說，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/串行信號轉(zhuǎn)換芯片（serializer），可以對傳感器24V的輸出信號進行轉(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，來自多通道的并行/串行信號轉(zhuǎn)換芯片（serializer）的信號，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，簡化了信號鏈，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重要的工業(yè)控制器裝置，之所以能夠在長達數(shù)十年的工控市場上長盛不衰，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PLC在軟件方面的進步，體現(xiàn)在：

（1）編程的標準化，促進了工控編程從語言到工具性平臺的開放，同時為工控程序在不同硬件平臺間的移植創(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)境打下堅實基礎(chǔ)。從應(yīng)用工程程序設(shè)計的管理，到提供邏輯和順序控制、過程控制、批量控制、運動控制、傳動、人機界面等統(tǒng)一的設(shè)計平臺，以至于將調(diào)試、投運和投產(chǎn)后的維護等，統(tǒng)統(tǒng)納入統(tǒng)一的工程平臺。

（3）應(yīng)用程序的自動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OOP納入標準。

之前已開發(fā)了許多為PLC控制系統(tǒng)工程設(shè)計、編程和運行，以及管理的工具性軟件。其中包括控制電路設(shè)計軟件包、接線設(shè)計軟件、PLC編程軟件包、人機界面和SCADA軟件包、程序調(diào)試仿真軟件以及自動化維護軟件等等。盡管這些軟件都是為具體的工程服務(wù)的，但即使在對同一對象進行控制設(shè)計和監(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、運動控制、過程控制等）要用不同的開發(fā)軟件，在不同的工作階段（如編程組態(tài)、仿真調(diào)試、維護管理等）又要用不同的軟件。而且往往在使用不同的軟件時必需自行定義標簽變量（Tags），而定義變量的規(guī)則又往往各取其便，導(dǎo)致對同一物理對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)庫和統(tǒng)一的變量命名規(guī)則，造成在使用不同軟件時不得不進行繁瑣的變量轉(zhuǎn)換，重復(fù)勞動導(dǎo)致人力資源成本高、效率低下。

工控編程語言是一類專用的計算機語言，建立在對控制功能和要求的描述和表達的基礎(chǔ)上。作為實現(xiàn)控制功能的語言工具，工控編程語言不可能是一成不變的。其進步必然受到計算機軟件技術(shù)和編程語言的發(fā)展，以及它所服務(wù)的控制工程在描述和表達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，這些年來的事實表明，它總是在IEC 61131-3標準的基礎(chǔ)和框架上展開的。這就告訴我們，IEC61131-3不僅僅是工控編程語言的規(guī)范，也是編程系統(tǒng)實現(xiàn)架構(gòu)的基礎(chǔ)和參照。

長期以來PLCopen國際組織注重與許多國際標準化組織和基金會（如ISA、OPC基金會等）合作，開發(fā)了基礎(chǔ)性的規(guī)范。圖2對此形象地做了詮釋。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)性的探索和準備，從而打下了堅實的基礎(chǔ)。

圖2 PLCopen組織和許多標準化組織合

多年來PLCopen一直堅持與開放標準化組織合作建立一種開放標準的生態(tài)系統(tǒng)。譬如與OPC基金會合作開發(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，大大簡化了包裝機械與上位生產(chǎn)管理系統(tǒng)的通信。

這些標準拓展了如今廣泛運用于計算技術(shù)行業(yè)的SOA面向服務(wù)的架構(gòu)的應(yīng)用范圍，同時也推進了一度落后于計算技術(shù)和軟件的自動化系統(tǒng)技術(shù)，快速跟上IT技術(shù)的進展。

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

實現(xiàn)工業(yè)4.0、智慧工廠和智能制造，必須建立在一類包括實時控制和及時監(jiān)控在內(nèi)的、強有力的聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和規(guī)范的基礎(chǔ)上。這類聯(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)和按功能分層進行通信的思維。這就是說，除了對時間有嚴酷要求的實時控制和對安全有嚴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)營管理這三個維度做到通信扁平化，實現(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)用視覺系統(tǒng)的攝像頭所攝制的圖像服務(wù)，或者PLC調(diào)用某個RFID讀取器的服務(wù)，都需要視覺系統(tǒng)或RFID讀取器直接與PLC通信，或者當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漢諾威博覽會上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OPC UA送到機器人控制器，再由機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進行多種設(shè)備的通信

目前，在MES級與PLC的數(shù)據(jù)交換通常是通過一個耗時的握手過程。例如MES系統(tǒng)發(fā)出一個信號要向PLC傳送一個配方數(shù)據(jù)，等待PLC確認信號返回；接著MES系統(tǒng)向PLC傳送該配方數(shù)據(jù)，當PLC接收到這一組數(shù)據(jù)后向MES發(fā)出接收確認信號。如果PLC同時具有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（也可簡稱為SOA-PLC）。這時MES系統(tǒng)向PLC傳送一個配方數(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的確認信號，再也不需要MES系統(tǒng)和PLC之間的多次握手過程。實際上就是OPC UA遠程調(diào)用了PLC的功能塊，大大縮短了MES與PLC之間通信來往過程，提高了生產(chǎn)調(diào)度安排的效率。同時顯著減少了工程成本，極大地加強了工廠層與上位執(zhí)行調(diào)度和管理層的數(shù)據(jù)通信能力。

一臺SOA-PLC實際上是把支持確保信息安全的虛擬專用網(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，包括實時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)、報警數(shù)據(jù)和其它服務(wù)。PLC通過這類服務(wù)把對應(yīng)的大量數(shù)據(jù)連接至上級的服務(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PLC通過VPN進行有安全保證的數(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)信息都可以運用OPC UA的通信機制進行傳輸。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，為實現(xiàn)這類通信的模塊化和便利化奠定了標準基礎(chǔ)。由圖5可以看出不同廠商的PLC可以實現(xiàn)OPC的通信、PLC與MES/ERP之間可以實現(xiàn)OPC的通信，PLC還可以通過OPC實現(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上完整實現(xiàn)OPC UA通信的軟件平臺支持。圖6所示即為德國倍福公司的EthenCATIII平臺軟件。德國菲尼克斯軟件公司開發(fā)的PC WORX UA軟件平臺支持200臺PLC之間進行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10萬個、1萬個、5千個。

在此順便指出，至少到目前為止OPC UA并不適合于硬實時的M2M的通信，而非常適合于監(jiān)控級或生產(chǎn)管理執(zhí)行級的軟實時B2M的通信，以及軟實時的B2B的通信。對此應(yīng)該有清醒的認識。

圖6 實現(xiàn)OPC UA通信的軟件平臺支持

6　結(jié)論

PLC可謂是工業(yè)自動化控制的常青樹，即使是在工業(yè)轉(zhuǎn)型升級的智能制造年代，或者是工業(yè)4.0的時代，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。繼承了高性價比、高可靠性、高易用性的特點，再具有了分布式I/O、嵌入式智能和無縫聯(lián)接的性能，尤其是在強有力的PLC軟件平臺的支持下，我們完全可以相信PLC將持久不衰地活躍在工業(yè)自動化的世界中。

摘自2016年《今日自動化技術(shù)應(yīng)用在中國》