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智能制造是基于新一代信息技術(shù)，貫穿設(shè)計、生產(chǎn)、管理、服務(wù)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(zhǔn)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(guān)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(chǔ)、以網(wǎng)絡(luò)互連為支撐等特性，可有效縮短產(chǎn)品研制周期、降低運營成本、提高生產(chǎn)效率、提升產(chǎn)品質(zhì)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(shù)與控制技術(shù)集成應(yīng)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(shù)的研發(fā)和應(yīng)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(chǔ)，其中可編程邏輯控制器（PLC）又是工業(yè)控制系統(tǒng)廣泛應(yīng)用的核心部件。隨著互聯(lián)網(wǎng)和信息技術(shù)的發(fā)展，智能制造應(yīng)用的全面推進，PLC作為傳統(tǒng)的自動化的關(guān)鍵設(shè)備也必將得到更加廣泛的應(yīng)用，新技術(shù)的不斷出現(xiàn)將使PLC向智能化、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。智能制造時代，PLC產(chǎn)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(shù)架構(gòu)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(chǎn)品，其技術(shù)、產(chǎn)品始終處于發(fā)展之中。在邁入工業(yè)4.0的當(dāng)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(biāo)指向，都是技術(shù)進步推動產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)型升級的愿景。工廠自動化是PLC的傳統(tǒng)領(lǐng)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(zhǔn)執(zhí)行，自動化方式實現(xiàn)的業(yè)務(wù)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(luò)和車間一級的網(wǎng)絡(luò)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(gòu)建與應(yīng)用等，實現(xiàn)互通互聯(lián)的同時，也帶來了網(wǎng)絡(luò)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(wù)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(shè)備和產(chǎn)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(xué)習(xí)等人工智能算法，提供IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)以外的高級語言編程等。

現(xiàn)場的同一臺設(shè)備、同一個工藝段、產(chǎn)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(shù)對原有產(chǎn)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(zhì)是大規(guī)模分布式計算，它將非關(guān)即開的數(shù)字化設(shè)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(luò)資源和計算能力，擁有了7×24運行的各種線上系統(tǒng)。

PLC產(chǎn)品和技術(shù)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(guān)技術(shù)應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域，將帶來工業(yè)控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)、技術(shù)架構(gòu)、產(chǎn)品形式、應(yīng)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(gòu)，我們也可以簡化為云、邊的結(jié)構(gòu)。在云端，標(biāo)準(zhǔn)硬件組合而成的機器構(gòu)建的基礎(chǔ)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(gòu)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(shù)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(chǎn)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(shù)架構(gòu)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(chǎn)品創(chuàng)新，都是對技術(shù)發(fā)展趨勢的現(xiàn)實響應(yīng)。雖然還有許多理論和技術(shù)問題需要研究和解決，但新的體系架構(gòu)可能催生的全新一代控制系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)正在孕育。5G乃至更新的通訊技術(shù)，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(yīng)對，將為PLC迎來新的發(fā)展機遇。

李方園：PLC技術(shù)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(shù)學(xué)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(xué)中，也是分西門子和三菱兩種機型進行教學(xué)。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(xué)者，尤其是電工從業(yè)者來說，入門簡單，應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)中得到了規(guī)范。該規(guī)范是將信息技術(shù)領(lǐng)域的一些先進的思想和技術(shù)引入工業(yè)控制領(lǐng)域，如軟件工程、結(jié)構(gòu)化編程、模塊化編程、面向?qū)ο蟮乃枷胍约熬W(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，彌補和克服了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)開放性差、兼容性差、應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)的控制器，即使它們由不同制造商生產(chǎn)，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(xué)習(xí)、到處使用”，從而減少了企業(yè)在人員培訓(xùn)、技術(shù)咨詢、系統(tǒng)調(diào)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(gòu)造條件、循環(huán)、判斷這樣的結(jié)構(gòu)，在這些結(jié)構(gòu)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(yīng)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(xué)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(biāo)準(zhǔn)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(gòu)成更加復(fù)雜的控制系統(tǒng)，但與周邊的一些設(shè)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(chǎn)物資管理，還是車間現(xiàn)場的設(shè)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(chǎn)制造、倉儲、物流運輸、銷售管理、售后服務(wù)得以全面實現(xiàn)數(shù)字化管理提供了強大的硬件基礎(chǔ)。

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(wù)，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(nèi)置的功能塊，直接實現(xiàn)數(shù)據(jù)接入，實現(xiàn)設(shè)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(guān)鍵所在

中國煙草總公司職工進修學(xué)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(chǎn)品質(zhì)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(guān)鍵通用硬軟件平臺與系統(tǒng)。隨著控制系統(tǒng)技術(shù)的不斷改進和發(fā)展，其在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)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(chǔ)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(guān)聯(lián)的全局數(shù)據(jù)，以更好地協(xié)調(diào)整個生產(chǎn)過程。控制系統(tǒng)是整個智能制造架構(gòu)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(wù)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(nèi)核，這必將導(dǎo)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(yīng)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(luò)外部連接到企業(yè)的PLC容易受到網(wǎng)絡(luò)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(dǎo)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(nèi)核上運行的標(biāo)準(zhǔn)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(shè)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(guān)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(shè)計的片上PLC能夠應(yīng)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(chǎn)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(yù)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