上海工業(yè)自動(dòng)化儀表研究院 PLCopen中國組織 彭瑜

作者簡(jiǎn)介

彭瑜（1938-），男，湖南長(cháng)沙人，教授級高級工程師，早年畢業(yè)于清華大學(xué)熱能工程系，現任上海工業(yè)自動(dòng)化儀表研究院教授級高工、顧問(wèn)，PLCopen中國組織名譽(yù)主席，中國自動(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中國用戶(hù)協(xié)會(huì )理事長(cháng)，工信部智能制造標準化體系建設工作組專(zhuān)家，國家智能制造標準化協(xié)調推進(jìn)組專(zhuān)家咨詢(xún)組專(zhuān)家。迄今為止，已經(jīng)為中國工業(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、控制、生產(chǎn)制造、執行管理等多個(gè)方面。自1993年起，因對工業(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(shū)。

1　近年來(lái)PLC的市場(chǎng)發(fā)展概況

根據Frorst & Sullivan發(fā)布的全球PLC市場(chǎng)報告，有足夠的證據證明，PLC市場(chǎng)在所有范圍內都呈正增長(cháng)。在過(guò)去的十年中，PLC市場(chǎng)在經(jīng)受了前些年顯著(zhù)的下降之后，目前又呈現強勢反彈，估計到2018年市場(chǎng)將達到148.5億美元，比前五年增長(cháng)40%。令人感到興奮的是，中小型PLC將在市場(chǎng)增長(cháng)中起著(zhù)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)展報告，其要點(diǎn)是：PLC與PAC市場(chǎng)在2014年實(shí)現擴張。其中特別是中國和北美成為增長(cháng)引擎。預計該市場(chǎng)在2015和2016年增長(cháng)前景不容樂(lè )觀(guān)，主要原因是金磚四國（巴西、俄羅斯、印度、中國）已不再是增長(cháng)因素。估計目前PLC裝機數量達5200萬(wàn)臺，其中以微小型PLC占相當數量，預計到2019年將達到6500萬(wàn)臺。其中很大數量在未來(lái)5年內都已經(jīng)到了其生命周期的最后階段?，F有裝機PLC的更新?lián)Q代，將是未來(lái)5年內PLC市場(chǎng)增長(cháng)的一個(gè)重要因素。此外，軟件和服務(wù)對PLC供應商和最終用戶(hù)越來(lái)越重要。最終用戶(hù)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。PLC相關(guān)服務(wù)也變得更重要。為了更專(zhuān)注于自己的核心競爭力，更有效充分利用工程資源，一些最終用戶(hù)已經(jīng)外包了許多PLC相關(guān)服務(wù)，如配置、培訓和維護。有跡象表明越來(lái)越多的用戶(hù)打算外包他們大部分的維護、培訓或備件業(yè)務(wù)，已經(jīng)成為趨勢。

據美國相關(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)認為是最終用戶(hù)推動(dòng)著(zhù)市場(chǎng)。機械裝備制造商偏愛(ài)PLC，是因為它使用簡(jiǎn)單可靠，性?xún)r(jià)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(guò)，也不能認為PLC會(huì )永遠保持其傳統的形態(tài)。在未來(lái)的5年時(shí)間內，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的接口，PLC系統一定要從硬件和軟件上適應新工業(yè)革命也即智能制造的需求，不然PLC制造廠(chǎng)商還會(huì )遭遇嚴峻的挑戰。

2　智能制造對PLC功能的新要求

PLC作為設備和裝置的控制器，除了傳統的邏輯控制、順序控制、運動(dòng)控制、安全控制功能之外，還承擔著(zhù)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)監控環(huán)境、設備的健康狀態(tài)和生產(chǎn)過(guò)程的各類(lèi)參數，這些工業(yè)大數據的有效采集，迫使PLC的I/O由集中安裝在機架上，必須轉型為分布式I/O。

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

應用軟件編程的平臺化，進(jìn)一步發(fā)展工程設計的自動(dòng)化和智能化。

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

概括而言，即滿(mǎn)足工業(yè)大數據采集的需求，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系統作為工業(yè)控制主力軍的地位會(huì )不會(huì )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(shí)，這也取決于PLC軟硬件技術(shù)能否快速的進(jìn)行適應性的轉型和升級。事實(shí)上，PLC的軟件技術(shù)以PLCopen為先導，一直在為滿(mǎn)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(lái)所開(kāi)發(fā)的各種規范在工業(yè)4.0參考架構模型（RAMI4.0）相應維度和層級中的位置，可以明顯地看到，PLCopen國際組織長(cháng)期以來(lái)為提高自動(dòng)化效率所做的工作。

圖1 PLCopen各規范在RAMI4.0中的位置

3　PLC硬件如何適應智能制造的要求

盡管人們較普遍的認識是PLC硬件技術(shù)進(jìn)步是漸進(jìn)的，但也不能否認，PLC的硬件技術(shù)一直在為滿(mǎn)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(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(zhù)減??；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運用越來(lái)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，PLC硬件設計應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(xiàn)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(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(zhù)：為了減小I/O模塊的體積，減少元器件的數量，采用多通道的并行/串行信號轉換芯片（serializer），可以對傳感器24V的輸出信號進(jìn)行轉換、調理和濾波，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/串行信號轉換芯片（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計，簡(jiǎn)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/數變換，而且只需單路的5V電源。這種設計取消了15V的電源，減少了元器件的數量和系統成本，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(cháng)達數十年的工控市場(chǎng)上長(cháng)盛不衰，本質(zhì)上的原因必須從其內部去發(fā)掘。其中，軟件與硬件發(fā)展的相輔相成、相得益彰應該是重要原因。

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

（1）編程的標準化，促進(jìn)了工控編程從語(yǔ)言到工具性平臺的開(kāi)放，同時(shí)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）為控制系統創(chuàng )立統一的工程應用軟環(huán)境打下堅實(shí)基礎。從應用工程程序設計的管理，到提供邏輯和順序控制、過(guò)程控制、批量控制、運動(dòng)控制、傳動(dòng)、人機界面等統一的設計平臺，以至于將調試、投運和投產(chǎn)后的維護等，統統納入統一的工程平臺。

（3）應用程序的自動(dòng)生成工具和仿真工具。

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

之前已開(kāi)發(fā)了許多為PLC控制系統工程設計、編程和運行，以及管理的工具性軟件。其中包括控制電路設計軟件包、接線(xiàn)設計軟件、PLC編程軟件包、人機界面和SCADA軟件包、程序調試仿真軟件以及自動(dòng)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(jìn)行控制設計和監控，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(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(shí)必需自行定義標簽變量（Tags），而定義變量的規則又往往各取其便，導致對同一物理對象的相同控制變量不能做到統一的、一致的命名。

缺乏公用的數據庫和統一的變量命名規則，造成在使用不同軟件時(shí)不得不進(jìn)行繁瑣的變量轉換，重復勞動(dòng)導致人力資源成本高、效率低下。

工控編程語(yǔ)言是一類(lèi)專(zhuān)用的計算機語(yǔ)言，建立在對控制功能和要求的描述和表達的基礎上。作為實(shí)現控制功能的語(yǔ)言工具，工控編程語(yǔ)言不可能是一成不變的。其進(jìn)步必然受到計算機軟件技術(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標準的基礎和框架上展開(kāi)的。這就告訴我們，IEC61131-3不僅僅是工控編程語(yǔ)言的規范，也是編程系統實(shí)現架構的基礎和參照。

長(cháng)期以來(lái)PLCopen國際組織注重與許多國際標準化組織和基金會(huì )（如ISA、OPC基金會(huì )等）合作，開(kāi)發(fā)了基礎性的規范。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的應用和發(fā)展做了很多先導性的探索和準備，從而打下了堅實(shí)的基礎。

圖2 PLCopen組織和許多標準化組織合

多年來(lái)PLCopen一直堅持與開(kāi)放標準化組織合作建立一種開(kāi)放標準的生態(tài)系統。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(hù)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)成功地應用于包裝行業(yè)建立PackML系列規范，大大簡(jiǎn)化了包裝機械與上位生產(chǎn)管理系統的通信。

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)的架構的應用范圍，同時(shí)也推進(jìn)了一度落后于計算技術(shù)和軟件的自動(dòng)化系統技術(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的扁平化

實(shí)現工業(yè)4.0、智慧工廠(chǎng)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)監控在內的、強有力的聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和規范的基礎上。這類(lèi)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和規范可以在一定程度上繼承原有的聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和規范，但更重要的是一定要突破原有技術(shù)和規范的局限，以及明顯不能滿(mǎn)足實(shí)現工業(yè)4.0、智慧工廠(chǎng)和智能制造的多層遞階的架構和按功能分層進(jìn)行通信的思維。這就是說(shuō)，除了對時(shí)間有嚴酷要求的實(shí)時(shí)控制和對安全有嚴酷要求的功能安全仍然保留在工廠(chǎng)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)現信息虛擬化，從而構成全鏈接和全集成的智能制造生態(tài)系統。

在智能制造系統中，PLC不僅僅是機械裝備和生產(chǎn)線(xiàn)的控制器，而且還是制造信息的采集器和轉發(fā)器。從這個(gè)意義上講，只有PLC具有面向服務(wù)架構（SOA）的功能，才有可能完成這些重要任務(wù)。譬如PLC調用視覺(jué)系統的攝像頭所攝制的圖像服務(wù)，或者PLC調用某個(gè)RFID讀取器的服務(wù)，都需要視覺(jué)系統或RFID讀取器直接與PLC通信，或者當PLC要傳送大數據應用的數據給云端。圖4所描述的是今年德國漢諾威博覽會(huì )上SAP公司展示的系統：3D打印系統所制造的零件信息由視頻系統的圖像采集，通過(guò)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(jìn)行多種設備的通信

目前，在MES級與PLC的數據交換通常是通過(guò)一個(gè)耗時(shí)的握手過(guò)程。例如MES系統發(fā)出一個(gè)信號要向PLC傳送一個(gè)配方數據，等待PLC確認信號返回；接著(zhù)MES系統向PLC傳送該配方數據，當PLC接收到這一組數據后向MES發(fā)出接收確認信號。如果PLC同時(shí)具有OPC UA的服務(wù)端功能和客戶(hù)端的功能，這種PLC就是一種面向服務(wù)架構的PLC（也可簡(jiǎn)稱(chēng)為SOA-PLC）。這時(shí)MES系統向PLC傳送一個(gè)配方數據就是執行一次通信服務(wù)，這次服務(wù)的輸入參數是配方，輸出數據是PLC的確認信號，再也不需要MES系統和PLC之間的多次握手過(guò)程。實(shí)際上就是OPC UA遠程調用了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)調度安排的效率。同時(shí)顯著(zhù)減少了工程成本，極大地加強了工廠(chǎng)層與上位執行調度和管理層的數據通信能力。

一臺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)權植入PLC。這種服務(wù)權執行面向對象的數據通信，包括實(shí)時(shí)數據和歷史數據、報警數據和其它服務(wù)。PLC通過(guò)這類(lèi)服務(wù)把對應的大量數據連接至上級的服務(wù)和數據層，供信息模型的建模能力使用和處理。

圖5 執行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(hù)端功能，就能保證這臺PLC通過(guò)VPN進(jìn)行有安全保證的數據通信。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)信息都可以運用OPC UA的通信機制進(jìn)行傳輸。而PLCopen組織所發(fā)布的OPC UA的服務(wù)端功能塊的規范和客戶(hù)端的功能塊規范，為實(shí)現這類(lèi)通信的模塊化和便利化奠定了標準基礎。由圖5可以看出不同廠(chǎng)商的PLC可以實(shí)現OPC的通信、PLC與MES/ERP之間可以實(shí)現OPC的通信，PLC還可以通過(guò)OPC實(shí)現與微軟的Azure公共云和亞馬遜的AWS公共云的直接通信。

現在已經(jīng)有一些公司能夠提供在PLC上完整實(shí)現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(kāi)發(fā)的PC WORX UA軟件平臺支持200臺PLC之間進(jìn)行PLCopen所規范的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，而非常適合于監控級或生產(chǎn)管理執行級的軟實(shí)時(shí)B2M的通信，以及軟實(shí)時(shí)的B2B的通信。對此應該有清醒的認識。

圖6 實(shí)現OPC UA通信的軟件平臺支持

6　結論

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)轉型升級的智能制造年代，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的替代物，它已完成了由經(jīng)典PLC向現代PLC的蛻變。繼承了高性?xún)r(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(dòng)化的世界中。

摘自2016年《今日自動(dòng)化技術(shù)應用在中國》