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

   彭瑜：根據美國《Control Design》雜志的調查，2009年美國機械行業(yè)的PLC用戶(hù)占2/3，PAC和PC控制合起來(lái)只占13%，而嵌入式PLC僅占5%。從靜態(tài)數據來(lái)看經(jīng)典PLC仍然有著(zhù)統治地位，但從動(dòng)態(tài)角度看，嵌入式PLC具有極高的增長(cháng)率和很大的發(fā)展空間。
   
                        
                       彭瑜（上海工業(yè)自動(dòng)化儀表研究院，PLCopen中國組織）   

   關(guān)于嵌入式PLC似乎并無(wú)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(dòng)控制器）內嵌PLC的功能，歸類(lèi)于嵌入式PLC，如英國敏思咨詢(xún)公司（IMS Research，已被IHS收購）關(guān)于2008年嵌入式PLC的市場(chǎng)報告就是如此界定的；不過(guò)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（片上系統芯片）和嵌入式RTOS（實(shí)時(shí)操作系統）實(shí)現PLC功能，并能用符合IEC 61131-3標準的編程語(yǔ)言進(jìn)行編程，才叫做嵌入式PLC。這類(lèi)嵌入式PLC與前面那種嵌入PLC功能設備的根本區別在于，前者獨立承擔PLC功能，并按需融入其它相關(guān)功能，諸如運動(dòng)控制、視覺(jué)、甚至RFID讀取等。

   這些年來(lái)，嵌入式PLC之所以從相當穩固的PLC市場(chǎng)中打出一片天地，首先是制造業(yè)市場(chǎng)需求的推動(dòng)。面對激烈的市場(chǎng)競爭，為了快速響應需求，智能制造裝備、數字化生產(chǎn)線(xiàn)、數字化車(chē)間、數字化工廠(chǎng)、智慧工廠(chǎng)……正處在快速發(fā)展期，這對承擔設備控制任務(wù)主力的PLC提出了許多新的要求。除了將運動(dòng)控制、視覺(jué)系統、RFID讀取系統、能耗測量和狀態(tài)監測等融入PLC，要求開(kāi)發(fā)相應的硬件模塊之外，更要緊的是讓PLC在執行基本的邏輯控制、順序控制的基礎上，執行許多高級智能算法（如用于通用場(chǎng)合的數控與運動(dòng)控制、精確溫度控制等，再如用于不同行業(yè)的各種先進(jìn)算法，如重載機器人的慣量前饋算法、印刷過(guò)程中的套色對準控制和印標檢測算法等）。這就對PLC的CPU運算能力和執行速度提出了新的要求。在這方面有些廠(chǎng)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(huì )發(fā)現，這些PLC的CPU都采用了時(shí)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(lái)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(kāi)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(gè)特定設備專(zhuān)門(mén)設計的PLC，或客戶(hù)化定制的PLC。針對某個(gè)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(chǎng)的大部分份額，長(cháng)期被國外幾個(gè)著(zhù)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(cháng)期的品牌積累和技術(shù)積累，多年事實(shí)證明難有較大的成就。唯有從嵌入式PLC這個(gè)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，但總體是穩固的，今后還會(huì )發(fā)展得更好。中國的機電設備商有著(zhù)廣闊的市場(chǎng)基礎，為機電設備配套的控制系統如果廣泛采用嵌入式PLC的解決方案，無(wú)疑將會(huì )為我國從制造大國邁向制造強國立下汗馬功勞。

   ■《自動(dòng)化博覽》：可否簡(jiǎn)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(jìn)展？都有哪些具有代表性的企業(yè)？

   彭瑜：我們還是先談?wù)勄度胧絇LC本身的進(jìn)展更好一些。嵌入式PLC的發(fā)展也呈現多元化，國內外均有很好表現。下面列舉嵌入式PLC產(chǎn)品和技術(shù)多元發(fā)展的3種形式：

  ( 1 ) 采用板級硬件并配備基于IEC61131-3編程系統的嵌入式PLC。例如， 德國赫優(yōu)訊是一家以現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)和芯片、模塊為主業(yè)的科技企業(yè)，很有發(fā)展活力。他們推出的將現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)和PLC技術(shù)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(gè)開(kāi)關(guān)量I/O和6個(gè)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，還配有現場(chǎng)總線(xiàn)組態(tài)工具軟件SYCON.net、USB設備驅動(dòng)程序、PCI總線(xiàn)插槽設備驅動(dòng)程序。再如，Rabbit半導體公司的嵌入式PLC開(kāi)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(yǔ)言。

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

   （ 2 ） 嵌入式P L C 軟件開(kāi)發(fā)工具包， 全面支持不同的實(shí)時(shí)操作系統（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（IAR、VS、GNU 3、GNU 4、Greenhi l l s、Watcom C++等）。采用這種開(kāi)發(fā)工具包，用戶(hù)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(kāi)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(kāi)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(kāi)發(fā)平臺，充分利用CASE（計算機輔助軟件工程）工具，結合各類(lèi)嵌入式芯片的開(kāi)發(fā)平臺和各種輸入/輸出通道的硬件電路庫，專(zhuān)為機電設備開(kāi)發(fā)客制化、具有OEM性質(zhì)的定制嵌入式PLC。國外雖然有一些嵌入式系統的開(kāi)發(fā)平臺，例如OSEK/VDX（用于汽車(chē)電子系統嵌入式軟件編程） ，還有德國企業(yè)Dspace專(zhuān)門(mén)從事機電一體化控制器硬軟件開(kāi)發(fā)、仿真工具的開(kāi)發(fā)和服務(wù)，應用領(lǐng)域包括汽車(chē)、宇航、醫療設備、驅動(dòng)電機等，但專(zhuān)門(mén)針對嵌入式PLC開(kāi)發(fā)的，據我所知，只有杭州電子科技大學(xué)計算機學(xué)院的嚴義教授領(lǐng)銜的團隊所開(kāi)發(fā)的工具平臺。

   ■《自動(dòng)化博覽》：您認為嵌入式PLC進(jìn)入市場(chǎng)會(huì )對傳統PLC帶來(lái)怎樣的沖擊？

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

   根據中自傳媒和《PLC&FA》雜志聯(lián)合出品的《2012中國PLC市場(chǎng)研究報告》，2011年國內OEM市場(chǎng)（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(xiāo)售額高達43.10億元人民幣，為2011年國內全部PLC銷(xiāo)售的55.1%。

   根據英國敏思咨詢(xún)公司（ I M SResearch）2012年全球PLC市場(chǎng)研究報告，全球PLC硬件銷(xiāo)售渠道的數據，在總銷(xiāo)售額79.17億美元中，直接銷(xiāo)售給最終用戶(hù)占15.5%，直接銷(xiāo)售給機械制造廠(chǎng)，即OEM占23.0%（約18億美元），直接銷(xiāo)售給系統集成商占6.6%，而由分銷(xiāo)商完成的銷(xiāo)售額高達43.49億美元，占54.9%。該報告沒(méi)有列舉由分銷(xiāo)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(xiāo)售份額就達到了50.45%，十分可觀(guān)。

   當然，這僅僅是給出一個(gè)可能的前景，并不等于說(shuō)嵌入式PLC一定會(huì )有PLC市場(chǎng)的半壁江山。嵌入式PLC的發(fā)展在很大程度上取決于開(kāi)發(fā)商的開(kāi)發(fā)手段，如果他們有先進(jìn)的、硬軟件一體化的工具性開(kāi)發(fā)平臺，又有一支訓練有素的開(kāi)發(fā)隊伍，那么開(kāi)發(fā)效率將是很高的，一兩個(gè)人兩三個(gè)月就可以開(kāi)發(fā)出一種有質(zhì)量保證的定制化嵌入式PLC。否則，好幾個(gè)人一兩年才能開(kāi)發(fā)出來(lái)，而且開(kāi)發(fā)質(zhì)量尚無(wú)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(guān)鍵在于開(kāi)發(fā)平臺和它的商品化進(jìn)程，以及推廣規模和速度。在我國，如果高質(zhì)量的嵌入式PLC平臺開(kāi)發(fā)團隊只有為數不多的一兩個(gè)（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(gè)真正在行的帶頭人或領(lǐng)軍人物），那么發(fā)展的速度和規模就必須依靠強有力的行業(yè)推動(dòng)力量和組織，有關(guān)政府部門(mén)還需要給予足夠的重視和支持。

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

   彭瑜：我們先來(lái)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(dòng)化和信息通信技術(shù)的緊密結合，并建立在信息物理系統CPS的基礎之上，這就為智慧工廠(chǎng)的實(shí)現指明了一條清晰的途徑。德國的專(zhuān)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），其特征是以數控系統、可編程控制器PLC為典型的制造自動(dòng)化。這將PLC提到了過(guò)去從未有過(guò)的高度。因此，未來(lái)PLC在功能和技術(shù)上的發(fā)展顯然必須結合工業(yè)4.0進(jìn)行討論。

   PLC的角色定位永遠是設備和自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)的控制器，因此在未來(lái)實(shí)現數字化工廠(chǎng)和智慧工廠(chǎng)的過(guò)程中，PLC仍然處于基礎自動(dòng)化的層次。不過(guò)，由于它將控制的是具有感知、決策和執行功能的智能制造設備，那么未來(lái)PLC應該具備與品種更廣泛的感知設備和執行設備的接口，具備執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(lái)PLC作為直接與生產(chǎn)過(guò)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，并接收上位管理系統發(fā)來(lái)的指令和數據。簡(jiǎn)而言之，PLC作為智能制造裝備的控制器，將在智慧工廠(chǎng)所要求的硬件橫向集成和信息縱向集成中發(fā)揮關(guān)鍵節點(diǎn)的作用。

  與此同時(shí)，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(lèi)PLC除了基本的邏輯控制功能外，還需要增加一定的運動(dòng)控制功能，最好還具有感知周?chē)h(huán)境、調節運行狀態(tài)、設備健康監測和無(wú)線(xiàn)遠程維護的功能。

  ■《自動(dòng)化博覽》：未來(lái)PLC技術(shù)發(fā)展將呈現哪些趨勢？

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

  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(lái)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(lái)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(kāi)發(fā)商的最?lèi)?ài)，在滿(mǎn)足高速智能運算和處理的同時(shí)，還能兼顧開(kāi)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，軟件的發(fā)展就會(huì )成為技術(shù)關(guān)鍵。

  根據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(jiàn)，對一個(gè)PLC控制系統來(lái)說(shuō)軟件的日益重要性毋庸置疑。

  選擇什么樣的編程語(yǔ)言來(lái)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(shí)的基礎和足夠的支持，是極為關(guān)鍵的問(wèn)題。這種編程語(yǔ)言必須建立在現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(yǔ)言編制的程序在執行過(guò)程中必須是可控的，還必須是可被認證和被確認的?？爱敶酥厝蔚姆荌EC 61131-3莫屬，這已是定論。

  今后，如果我們選擇PLC系統，一個(gè)統一的、智能的PLC軟件工程平臺，其價(jià)值遠勝過(guò)PLC硬件系統。軟件工程平臺的統一性意味著(zhù)：

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

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

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

  （1）采用圖形為導向的組態(tài)，以加速實(shí)現對控制器、現場(chǎng)設備和通信網(wǎng)絡(luò )的組態(tài)。

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

  （3）高效使用第三方代碼以實(shí)現在精準仿真的基礎上自動(dòng)生成PLC代碼。例如，采用MATLAB/Simulink、Stateflow、SinScape等專(zhuān)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(jìn)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(dòng)代碼生成，得以完成這樣復雜的由虛擬到實(shí)際的過(guò)程。

  （4）集成了系統診斷功能，無(wú)需進(jìn)行任何編程就能通過(guò)標準的web瀏覽器直接進(jìn)行存取，還易于與用戶(hù)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(yǔ)義互操作），在智能制造裝備、數字化車(chē)間、數字化工廠(chǎng)和未來(lái)的智慧工廠(chǎng)中是必不可少的基礎要求。由處于基礎自動(dòng)化層的PLC將制造信息無(wú)縫、高效地垂直集成至各個(gè)調度、監控和管理系統，必將成為未來(lái)PLC系統技術(shù)發(fā)展的重要方向。

  在上下不同層次間實(shí)現互操作是困難的，譬如ERP層面（L4）內是語(yǔ)義互操作，檢測和執行層面內（L1）是信號的互操作。信息的垂直集成意味著(zhù)：在企業(yè)管理層軟件和自動(dòng)化設備之間建立數據連接，并使信號提升為具有顯性含義，問(wèn)題在于如何掌控不同長(cháng)度和不同周期的數據包。按目前的技術(shù)發(fā)展來(lái)看，用標準化中間件OPC-UA實(shí)現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(huì )和PLCopen組織這兩個(gè)非盈利的國際組織將各自的技術(shù)組合成一個(gè)獨立于制造廠(chǎng)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的統一架構解決了：（1）在監控層面如何發(fā)現與之通信的對象；（2）如何使通信對象的復雜數據和功能性是完全可利用的；（3）如何使通信是可靠、可執行，而又與操作系統和編程語(yǔ)言無(wú)關(guān)；（4）如何確保信息安全（如授權和封裝）；（5）如何在數據交換中，不僅僅是交換變量，還能夠交換函數和控制邏輯的復雜數據。

   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(kāi)發(fā)、測試了PLCopen/OPC UA信息模型，并集成到他們的IEC 61131-3運行系統中。更值得注意的是，嵌入式OPC UA基于一個(gè)極具吸引力的輕型結構，運用高效的二進(jìn)制通信協(xié)議完成了最小的OPC UA實(shí)現，這就為嵌入式OPC UA進(jìn)入嵌入式操作系統（包括專(zhuān)用的實(shí)時(shí)操作系統）奠定了基礎。愛(ài)爾蘭的軟件公司Embedded Labs已經(jīng)把OPC UA嵌入到低價(jià)的ARM7和ARM9芯片中。 據OPC基金會(huì )估計，到2020年，將會(huì )有5000萬(wàn)個(gè)嵌入式OPC UA的設備，其中當然包括數量可觀(guān)的嵌入式PLC。

    摘自《自動(dòng)化博覽》2013年9期