當前，我們已進(jìn)入了互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以不可阻擋的潮流進(jìn)入各行各業(yè)，給各行各業(yè)的變革帶來(lái)強大的動(dòng)力，同時(shí)也對各行各業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生巨大的影響。在這新技術(shù)發(fā)展的歷史關(guān)頭，作為互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的產(chǎn)物，智能制造的概念誕生了?；ヂ?lián)網(wǎng)時(shí)代涌現出的許多新技術(shù)推動(dòng)了智能制造的發(fā)展。當然如何應用這些新技術(shù)到工業(yè)領(lǐng)域，特別是制造領(lǐng)域，正是我們目前要解決的重大問(wèn)題。 德國數年前提出的所謂“工業(yè)4.0”的口號，其主要任務(wù)就是實(shí)現“智能工廠(chǎng)”和“智能生產(chǎn)”。從這個(gè)概念出發(fā)，無(wú)論是智能工廠(chǎng)還是智能生產(chǎn)，其根本的核心就是生產(chǎn)制造模式的變革。 智能制造的目標就是對目前的生產(chǎn)制造模式進(jìn)行轉型升級，從而達到改善和優(yōu)化生產(chǎn)制造價(jià)值鏈，融合產(chǎn)品生命周期鏈，提高企業(yè)管理業(yè)務(wù)鏈的目的，使得推入到市場(chǎng)的產(chǎn)品質(zhì)量更好、成本更低、速度更快、效率更高。一句話(huà)，企業(yè)在市場(chǎng)的競爭力更高。那么智能制造的生產(chǎn)模式需要什么樣的自動(dòng)控制系統？這種控制系統與工業(yè)3.0中的自動(dòng)化技術(shù)有什么區別？應用到智能制造中的自動(dòng)控制技術(shù)要做什么樣的演變，才能滿(mǎn)足智能制造的生產(chǎn)模式的要求？這些都是我們現在要探索的問(wèn)題。

1　自動(dòng)化制造生產(chǎn)模式VS智能制造生產(chǎn)模式

要實(shí)現智能制造是否要對目前的PLC控制系統（或自動(dòng)化控制系統）進(jìn)行改革呢？這里我們必須要了解工業(yè)4.0創(chuàng )導的智能制造模式與自動(dòng)化制造模式有什么區別，工業(yè)4.0的智能制造模式對于工業(yè)3.0的生產(chǎn)制造模式有什么改變和延伸。而這種延伸和改變是否對PLC控制系統提出了新的需求。

1.1　自動(dòng)化制造生產(chǎn)模式

德國工業(yè)4.0將第三次工業(yè)革命定義為以自動(dòng)化技術(shù)為核心的生產(chǎn)制造模式。通過(guò)廣泛地采用了自動(dòng)化技術(shù)、機器人技術(shù)、IT和通訊技術(shù)構成了一個(gè)以自動(dòng)化金字塔為核心的生產(chǎn)制造模式，它提高了生產(chǎn)效率，降低了制造成本，產(chǎn)品質(zhì)量也大大提高。對此PLC技術(shù)發(fā)展起到了決定性的作用。幾十年來(lái)，PLC技術(shù)無(wú)論是在運行速度、應用范圍、數據處理能力還是通信能力上（如現場(chǎng)總線(xiàn)，工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)）均大大提高。一個(gè)完美成熟的PLC系統已經(jīng)形成，成為了推動(dòng)工業(yè)3.0發(fā)展的中堅力量。然而PLC控制系統的設計原理及功能主要是解決生產(chǎn)制造運行的過(guò)程和狀態(tài)的控制問(wèn)題。（CPU速度、容量、通信接口、控制點(diǎn)數），即對生產(chǎn)制造系統中實(shí)時(shí)數據的控制和處理，而對非實(shí)時(shí)數據的分析、存儲、歸納、總結等任務(wù)，往往通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)接口送到上位信息化平臺進(jìn)行處理。因此目前的PLC自動(dòng)化控制平臺沒(méi)有涉及到生產(chǎn)制造管理、企業(yè)管理乃至產(chǎn)品生命周期的管理。這樣的PLC系統就不能很好地與生產(chǎn)管理系統MES和企業(yè)管理系統ERP整合起來(lái)。往往一家生產(chǎn)型企業(yè)管理系統的制定要有三家從事不同軟件公司參加（ERP、MES和PLC供應商）。由于各家公司專(zhuān)業(yè)的差異性，各種技術(shù)應用的屏蔽性使得生產(chǎn)制造和生產(chǎn)管理不能充分地融合以獲得最大的效益。因此MES和ERP的價(jià)值也沒(méi)有在工業(yè)領(lǐng)域得到普遍的認同，僅僅起到錦上添花式的功能，沒(méi)有在工業(yè)生產(chǎn)制造領(lǐng)域得到廣泛的應用。另一方面，PLC控制系統的任務(wù)也僅僅限于生產(chǎn)制造流水線(xiàn)運行控制監視和維護，而對于產(chǎn)品生命周期的整個(gè)管理任務(wù)也沒(méi)有牽涉到。所以目前的PLC系統遠遠不能完成生產(chǎn)制造對于成本、速度、效率和質(zhì)量等的綜合目標的要求。

1.2　智能制造生產(chǎn)模式

要了解智能制造，首先要了解智能的含義。中國的文化博大精深，將英文Intelligent翻譯成兩個(gè)字，一個(gè)叫“智”，一個(gè)叫“能”，“智”是指人的思維，分析歸納總結?！澳堋笔侵溉说谋臼?，技能技巧。所以智能不僅強調技能技巧，而更要突出應用思維分析能力的重要性。因此“智能”制造相對于自動(dòng)化制造其構成的系統必須要有“思考分析”的能力。智能制造是工業(yè)3.0生產(chǎn)制造模式的升級版和變革版，其目標就是對目前的生產(chǎn)制造模式進(jìn)行轉型升級，解決目前采用自動(dòng)化制造生產(chǎn)模式不能解決的問(wèn)題，即在互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代產(chǎn)品生命周期不斷縮短的問(wèn)題: 由于產(chǎn)品的生命周期越來(lái)越短，產(chǎn)品更新?lián)Q代的快速響應要求越來(lái)越高，產(chǎn)品的品種越來(lái)越多，但是數量越來(lái)越少。多批量性生產(chǎn)成為目前產(chǎn)品市場(chǎng)需求的發(fā)展趨勢。而產(chǎn)品數量的減少又給產(chǎn)品的成本帶來(lái)了前所未有的壓力。成本降低然而投資商獲取利潤時(shí)間上的快速性要求又對傳統的生產(chǎn)制造企業(yè)的盈利模式帶來(lái)了極大的沖擊; 與此同時(shí)能源使用效率、節能減排等要求，使得傳統的生產(chǎn)制造業(yè)面臨了前所未有的挑戰。正因為這些挑戰，智能制造生產(chǎn)模式提到了議事日程。

智能制造的基本戰略思路就是如何利用迅速發(fā)展的IT技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對傳統的自動(dòng)化生產(chǎn)制造模式進(jìn)行變革，將IT技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融合于自動(dòng)控制PLC系統中，改變傳統自動(dòng)化生產(chǎn)制造模式。按照靈活性、快速響應性、成本效率性以及投資回報率短期性的要求，建立一個(gè)高度靈活、數字化的智能生產(chǎn)制造系統，將生產(chǎn)制造體系與產(chǎn)品生命周期管理整合在一起，形成一個(gè)以產(chǎn)品全生命周期為核心的智能制造生產(chǎn)模式，這種智能制造生產(chǎn)模式不僅僅從生產(chǎn)制造這一端來(lái)解決成本、效率、速度、質(zhì)量和靈活性的問(wèn)題，更從產(chǎn)品生命周期的管理的方法來(lái)全面地解決這些問(wèn)題。使得研發(fā)、生產(chǎn)的產(chǎn)品的市場(chǎng)競爭力更強，產(chǎn)品的性?xún)r(jià)比更高，產(chǎn)品的更新?lián)Q代更能滿(mǎn)足市場(chǎng)和客戶(hù)的需要。

因此，智能制造相對于傳統的生產(chǎn)制造模式有著(zhù)本質(zhì)上的變革和提升，在互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代中智能制造延伸了生產(chǎn)制造的含義，從單純的生產(chǎn)制造鏈延伸到產(chǎn)品的設計、分析、加工、裝配，預測產(chǎn)品的綜合性能、成本、市場(chǎng)響應和服務(wù)（采購、庫存、銷(xiāo)售、發(fā)送、維護、報廢、回收）的產(chǎn)品生命周期的全過(guò)程。它既考慮了產(chǎn)品的質(zhì)量、成本，同時(shí)又考慮了企業(yè)內部的運行模式、企業(yè)的應變能力以及企業(yè)在市場(chǎng)和客戶(hù)中的定位等，因此，可以最大限度地節約成本、時(shí)間，提高產(chǎn)品的質(zhì)量，快速地把高質(zhì)量、低成本的新產(chǎn)品投放市場(chǎng)，獲得巨大的經(jīng)濟效益與社會(huì )效益。與此同時(shí)建立企業(yè)的互聯(lián)網(wǎng)生態(tài)圈，更加貼近用戶(hù)意識。無(wú)論是研發(fā)與設計、生產(chǎn)與制造，還是營(yíng)銷(xiāo)與服務(wù)都可以滿(mǎn)足消費者需求作為出發(fā)點(diǎn)和歸宿點(diǎn)，推行用戶(hù)體驗式的設計、制造和服務(wù)的一體化，這樣形成研發(fā)、制造和服務(wù)三位一體的智能制造生產(chǎn)模式。同時(shí)產(chǎn)品的數字化，制造的數字化和管理的數字化保證了人、機和產(chǎn)品之間的無(wú)縫連接，制造信息流、管理信息流及研發(fā)和客戶(hù)信息流可以在控制系統中進(jìn)行通訊和交換，這樣的生產(chǎn)制造系統具有自適應功能，以及柔性靈活、快速重構等智能化的特點(diǎn)。智能化的生產(chǎn)制造模式不但具有對大規模生產(chǎn)的適應能力，而且具備快速實(shí)現小批量、多品種的定制生產(chǎn)能力，滿(mǎn)足互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟下快速迭代的客戶(hù)個(gè)性化需求，使得企業(yè)快速贏(yíng)得客戶(hù)、占領(lǐng)市場(chǎng)先機。

按照以上的分析，原來(lái)的自動(dòng)控制系統的金字塔的內容也有了新的含義，如圖1所示。

圖1 自動(dòng)控制系統的金字塔

傳統的自動(dòng)化金字塔結構分為現場(chǎng)層、控制層和管理層。主要做三件事情，即生產(chǎn)過(guò)程數據的采集、處理（控制）、顯示，這三層之間的數據通過(guò)運用現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)、工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)和其他的專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò )技術(shù)實(shí)現了生產(chǎn)制造現場(chǎng)I/O信號，控制數據和管理數據的通訊和交換。在現場(chǎng)層主要采用現場(chǎng)總線(xiàn)實(shí)現了現場(chǎng)生產(chǎn)的運行狀態(tài)，組態(tài)和執行等信號的采集和分配。在控制層對工程、生產(chǎn)和設備的運行數據進(jìn)行處理和分析，將處理好的數據反饋到現場(chǎng)層，對于現場(chǎng)的設備進(jìn)行控制。同時(shí)采用工業(yè)以太網(wǎng)的方法將控制數據和一部分現場(chǎng)數據送到相應的管理層。在傳統的金字塔模型中管理層收集這些控制或現場(chǎng)數據進(jìn)行顯示，同時(shí)送入上位機。而上位機才對這些非實(shí)時(shí)的數據結合企業(yè)管理的其他信息（企業(yè)策劃、資本狀況、流程優(yōu)化、設備維護、產(chǎn)品服務(wù)、采購、供貨期、產(chǎn)品反饋）進(jìn)行綜合性能指標分析和運算，然后調度生產(chǎn)制造現場(chǎng)進(jìn)行執行。所以，在自動(dòng)化金字塔中，非實(shí)時(shí)性信息的處理往往離線(xiàn)或由上位工控機來(lái)執行。大量的企業(yè)管理、生產(chǎn)管理的非實(shí)時(shí)性數據的分析、判斷和處理不能在控制層進(jìn)行，這是目前金字塔式自動(dòng)化控制系統最大的缺陷。如現在所用的MES、ERP、EPLM系統不能在PLC系統中運行，PLC要通過(guò)專(zhuān)用接口將相關(guān)的數據先送入上位機，然后在將上位工控機計算好后的部分結果送到PLC層面上進(jìn)行監控。目前IT標準已進(jìn)入工業(yè)領(lǐng)域，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)已廣泛地應用到工業(yè)領(lǐng)域，但是它還沒(méi)有進(jìn)入到工業(yè)的核心領(lǐng)域——自動(dòng)控制系統。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的基礎已完成，各種的生產(chǎn)制造管理的IT軟件，如工業(yè)連接、高級分析、基于條件的監控、預測維護、機器學(xué)習和增強現實(shí)等應用已成為實(shí)現。由此一來(lái)，“IT融合OT”的口號應運而生，以IT技術(shù)為代表的廠(chǎng)商希望利用這個(gè)口號將工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)技術(shù)融合到OT的場(chǎng)景中去，希望利用打造工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的方法來(lái)融合OT技術(shù)。本質(zhì)上工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的產(chǎn)生是在傳統云平臺的基礎上疊加物聯(lián)網(wǎng)、大數據、人工智能等新興技術(shù)，實(shí)現海量數據匯聚與建模分析、工業(yè)經(jīng)驗知識軟件化與模塊化、工業(yè)創(chuàng )新應用開(kāi)發(fā)與運行，從而支撐生產(chǎn)智能決策、業(yè)務(wù)模式創(chuàng )新、資源優(yōu)化配置和產(chǎn)業(yè)生態(tài)培育的發(fā)展。不管是關(guān)注產(chǎn)品全生命周期為導向的大規模定制應用模式的互聯(lián)網(wǎng)平臺（試圖利用互聯(lián)網(wǎng)來(lái)對接企業(yè)與用戶(hù)，打通需求、設計、生產(chǎn)、服務(wù)等環(huán)節），還是打通產(chǎn)業(yè)鏈上下游，進(jìn)而優(yōu)化資源配置，或者依托平臺實(shí)現從企業(yè)管理層到生產(chǎn)層的縱向數據集成，進(jìn)而提升軟件的智能精準分析能力等等，這些互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)達成的平臺都沒(méi)有與控制的實(shí)時(shí)數據進(jìn)行交流，他們做了大量分析，但是對于現場(chǎng)的控制作用微乎其微。所以到目前為止所謂的“IT融合OT”實(shí)質(zhì)上僅僅是“IT湊合OT”。在這種形勢下，人們在思考，如何將IT技術(shù)真正地能引進(jìn)到控制領(lǐng)域從而使得控制系統數字化、網(wǎng)絡(luò )化和智能化成為可能。目前是否在IT領(lǐng)域和OT場(chǎng)景中加一個(gè)嵌入式運算載體，并且通過(guò)OPC UA的通訊接口或加上TSN技術(shù)將非實(shí)時(shí)數據的運算的結果送入PLC控制器就能實(shí)現IT融合OT呢？筆者認為采用這種方法并不能將迅猛發(fā)展的人工智能，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)，云計算，大數據技術(shù)真正地融合到OT領(lǐng)域。真正做到IO融合OT，PLC控制系統本身必須要做相應的改革，才能使得IT技術(shù)真正地進(jìn)入自動(dòng)化控制領(lǐng)域。從而更好地發(fā)揮人工智能、大數據等技術(shù)在智能制造上的作用。

2　智能制造條件下PLC控制系統的改革

筆者認為PLC自動(dòng)控制系統為了滿(mǎn)足智能制造生產(chǎn)模式的新要求，其本身必須進(jìn)行兩方面的革新：

2.1　重塑PLC框架結構，新型PLC控制系統不僅能處理實(shí)時(shí)數據，同時(shí)也能處理非實(shí)時(shí)數據

智能制造中的企業(yè)管理結構模式中：管理層是企業(yè)產(chǎn)品生命周期的管理；控制層是研發(fā)端、制造端和服務(wù)端的整合控制；現場(chǎng)層采集的信息一定要有可控、可觀(guān)、可測、可通訊的功能。在這種情況下，智能制造對自動(dòng)化系統提出了新的要求。PLC控制系統目前的最大問(wèn)題是不能處理、分析、歸納和總結管理、服務(wù)和研發(fā)的所謂的非實(shí)時(shí)數據。這個(gè)缺陷形成了PLC控制系統在智能制造中應用最大的瓶頸，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、大數據、人工智能技術(shù)不能直接進(jìn)入到控制系統的核心——PLC控制系統中，限制了迅猛發(fā)展的互聯(lián)網(wǎng)新技術(shù)在控制器層面的應用范圍。因此在這種情況下，當前的PLC控制系統必須進(jìn)行變革，才能滿(mǎn)足自動(dòng)化系統運行過(guò)程和控制相關(guān)的實(shí)時(shí)數據處理及管理、服務(wù)等非實(shí)時(shí)數據的分析、存儲、歸納等要求。

但是實(shí)時(shí)數據和非實(shí)時(shí)數據的性質(zhì)是完全不同的，如表1所示，由于非實(shí)時(shí)數據與實(shí)時(shí)數據在數量、時(shí)間、處理方法和傳輸效率方面的不同，使目前的PLC控制系統框架結構設計中僅對實(shí)時(shí)的控制數據進(jìn)行處理，而沒(méi)有考慮處理管理、研發(fā)、服務(wù)等非實(shí)時(shí)性數據的問(wèn)題。

表1 實(shí)時(shí)數據與非實(shí)時(shí)數據

為了滿(mǎn)足智能制造的要求，我們必須改變原來(lái)PLC控制系統設計中沒(méi)有的實(shí)現非實(shí)時(shí)數據（研發(fā)、管理和服務(wù)）處理的功能。因此傳統的PLC控制系統的框架結構必須進(jìn)行本質(zhì)上的變革，使PLC控制系統的硬件和操作系統能滿(mǎn)足處理實(shí)時(shí)數據和部分的非實(shí)時(shí)數據的功能。即產(chǎn)品生命周期的研發(fā)、服務(wù)和管理數據也能在控制器進(jìn)行運算和分析，這樣就形成一個(gè)全新的PLC控制系統，菲尼克斯公司開(kāi)發(fā)的PLCnext控制系統，其系統架構模型即是按照這種思路進(jìn)行設計的，其簡(jiǎn)化的描述如圖2所示。

圖2 新型PLC的系統機構-從制造數據到管理數據的處理

在德國推進(jìn)工業(yè)4.0的初期，菲尼克斯就針對智能制造對于新一代的PLC控制器提出的要求，開(kāi)始開(kāi)發(fā)了用于智能制造模式的新型PLC控制系統，并且命名為PLCnext。即互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的PLC控制系統，它的特點(diǎn)是既保留了傳統PLC編程的優(yōu)勢，同時(shí)通過(guò)擴大了編程語(yǔ)言、工具及開(kāi)源功能集成的自由度的能力，實(shí)現處理非實(shí)時(shí)性的數據的功能。其既能處理實(shí)時(shí)數據又能處理非實(shí)時(shí)數據的PLC控制系統平臺結構設計是采用了四大開(kāi)放性的技術(shù)來(lái)實(shí)現的。

（1）Linux的PLC開(kāi)放性控制平臺

PLCnext的操作系統是基于Linux系統開(kāi)發(fā)的，這種系統是一種自由和開(kāi)放源碼的類(lèi)Unix操作系統，同時(shí)是一款免費的操作系統，用戶(hù)可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò )或其他途徑免費獲得，并可以任意修改其源代碼。相對于傳統的操作系統，它有以下優(yōu)點(diǎn)：由于Linux的內核大部分是用C語(yǔ)言編寫(xiě)的，并采用了可移植的Unix標準應用程序接口，所以它可以支持許多的硬件平臺包括嵌入式系統在內的各種硬件設備。同時(shí)Linux系統中有許多辦公軟件、圖形處理工具、多媒體播放軟件和網(wǎng)絡(luò )工具，使企業(yè)管理的信息處理與控制系統的數據處理可以有機地結合在一起。更主要Linux系統繼承了Unix系統的特點(diǎn)，是一個(gè)真正的多用戶(hù)多任務(wù)的操作系統。這個(gè)特性使得PLC控制系統既要處理實(shí)時(shí)數據又要處理非實(shí)時(shí)數據的設想成為可能。在PLCnext的操作系統中多名開(kāi)發(fā)人員也可以同時(shí)在不同的開(kāi)發(fā)環(huán)境中從事同一個(gè)項目。這種功能使得來(lái)自產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、設備工程、生產(chǎn)部門(mén)的團隊可以在新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)階段就跨部門(mén)合作，協(xié)同配合。真正能夠滿(mǎn)足智能制造對PLC提出的全生命周期管理的生產(chǎn)制造模式的要求。

圖3 Plcnext技術(shù)

• PLCnext的系統架構
  

PLCnext 系統架構由PLCnext實(shí)時(shí)操作系統、內部用戶(hù)組件和外部用戶(hù)組件等3個(gè)部分組成，為自動(dòng)化解決方案提供具有開(kāi)放接口和最大靈活性的面向未來(lái)的控制架構。它采用實(shí)時(shí)Linux操作系統，其技術(shù)基于一個(gè)具有來(lái)自yocto（https://www.yoctoproject.org/ ) 的PREEMPT-RT 實(shí)時(shí)補?。∣SADL）的自身的Linux發(fā)布，來(lái)完成這些需求。在硬件方面，采用高性能的多核處理器和大容量的內存空間，支持信息安全IEC 62443標準。

• PLCnext實(shí)時(shí)操作系統
  

PLCnext實(shí)時(shí)運行系統用于執行實(shí)時(shí)用戶(hù)程序，支持IEC 61131-3、C/C++、C#、Matlab Simulink等多種開(kāi)發(fā)環(huán)境。PLCnext Engineer工程軟件是PLCnext控制器的組態(tài)、編程、調試和可視化的工程工具，方便熟悉IEC 61131-3編程標準的用戶(hù)進(jìn)行軟件編程。采用Visual Studio的專(zhuān)用插件，可以使用C＃開(kāi)發(fā)和集成功能塊，使用C＃創(chuàng )建的IEC 61131功能塊通過(guò)eCLR運行系統實(shí)時(shí)執行。同時(shí)，用戶(hù)可以采用Eclipse或者Visual Studio開(kāi)發(fā)符合標準的C/C++用戶(hù)程序, 通過(guò)與PLCnext技術(shù)平臺的簡(jiǎn)易接口, 直接由任務(wù)進(jìn)行調用，并支持遠程調試。采用 MATLAB Simulink開(kāi)發(fā)的代碼，可以以用戶(hù)程序的方式直接導入到PLCnext Engineer軟件中，可實(shí)現基于模型設計和開(kāi)發(fā)無(wú)縫一致的集成。

實(shí)時(shí)操作系統的服務(wù)組件提供了內置的OPC UA服務(wù)器、Web服務(wù)器和WebHMI、數據記錄、PROFICLOUD網(wǎng)關(guān)和IT協(xié)議支持等多種重要組件?，F場(chǎng)總線(xiàn)管理器用來(lái)支持不同實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)和現場(chǎng)總線(xiàn)的連接，包括PROFINET、EtherCAT、Axioline本地 I/O總線(xiàn)和PCIe總線(xiàn)擴展功能。

為了保證在操作系統中進(jìn)行實(shí)施任務(wù)和非實(shí)時(shí)任務(wù)的同時(shí)運行以及實(shí)時(shí)數據與非實(shí)時(shí)數據交換的完整性和擬同步性，PLCnext有兩個(gè)已申請專(zhuān)利的專(zhuān)門(mén)核心技術(shù)：執行和同步管理器（Execuzation& Synchonization Manager，簡(jiǎn)稱(chēng)ESM）和全局數據空間（Global Data Space，簡(jiǎn)稱(chēng)GDS）。ESM組件負責處理多核處理器和多任務(wù)系統的實(shí)時(shí)應用，它提供空閑、周期和事件任務(wù)并通過(guò)看門(mén)狗功能監視應用的正確執行，不同開(kāi)發(fā)環(huán)境編寫(xiě)的用戶(hù)程序可以在同一個(gè)控制器下運行。與ESM相結合，通過(guò)GDS，以一種方便和簡(jiǎn)單易用的方式來(lái)管理任務(wù)、程序和組件之間的實(shí)時(shí)和周期一致的數據傳輸。用戶(hù)只需要在PLCnext Engineer工程軟件或基于XML的配置文件中通過(guò)進(jìn)口（IN-Port）和出口（OUT-Port）來(lái)配置程序之間的數據交換連接，而無(wú)需經(jīng)過(guò)全局變量或共享內存區。

圖4 任務(wù)同步和實(shí)時(shí)性

• 內部用戶(hù)組件和外部用戶(hù)組件
  

PLCnext包含了兩個(gè)非常重要的功能擴展，從而方便地實(shí)現對各種開(kāi)源軟件和額外功能擴展的支持。內部用戶(hù)組件是PLCnext的實(shí)時(shí)功能擴展，用于執行具有一定實(shí)時(shí)性要求的用戶(hù)組件，例如SQL、Modbus TCP、MQTT、工業(yè)云通信接口等。外部用戶(hù)組件則是PLCnext的非實(shí)時(shí)功能擴展，用于執行沒(méi)有實(shí)時(shí)通信要求的應用程序，例如JAVA應用、.Net應用、Python應用、OPENCV圖像處理等，大大便利了大數據，人工智能等算法在PLC層面的編制和運行。使得互聯(lián)網(wǎng)軟件技術(shù)與PLC控制系統可以方便地融為一體。

同時(shí) PLCnext技術(shù)獨立創(chuàng )建的程序部件和完整應用程序的任意組合的功能。 以及使用開(kāi)源軟件和App的方法，非常顯著(zhù)提高開(kāi)發(fā)過(guò)程的效率。借助于菲尼克斯電氣發(fā)布的PLCnext Store，供應商和系統集成商可以自由開(kāi)發(fā)各種工業(yè)apps，在PLCnext Store開(kāi)放的平臺上發(fā)布和分享，供客戶(hù)下載使用。PLCnext功能擴展的5種類(lèi)型如圖5所示。

圖5 PLCnext功能擴展的5種類(lèi)型

由于采用了開(kāi)放的控制架構，PLCnext 技術(shù)可以自由地實(shí)施自動(dòng)化項目而不受專(zhuān)有系統的限制。用戶(hù)可以自由使用喜愛(ài)的編程語(yǔ)言和開(kāi)發(fā)工具、開(kāi)源軟件和應用程序，還可以單獨集成云服務(wù)和未來(lái)技術(shù)。

（2）開(kāi)放性的軟件編程語(yǔ)言

PLCnext以IEC61131-3編程標準為基礎，開(kāi)放性的采用C/C++, C#或者M(jìn)atlab Simulink等語(yǔ)言來(lái)開(kāi)發(fā)的不同的功能塊和控制程序。同時(shí)用戶(hù)也可以利用已有的開(kāi)源代碼方便地與菲尼克斯電氣PLCnext平臺結合起來(lái)，搭建一個(gè)用戶(hù)為導向的自動(dòng)化控制系統。比如可以直接用于運動(dòng)控制的Matlab進(jìn)行編程，并將其運動(dòng)控制算法融合到常用的邏輯運算中，大大地提高了PLC系統的運算功能。同時(shí)又對應用于Web開(kāi)發(fā)，大數據開(kāi)發(fā)，Android開(kāi)發(fā)的JAVA語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)放，使得信息控制的算法和功能可以整合到PLC控制平臺上。開(kāi)放性的軟件應用平臺使得Visual Studio、Eclipse、Matlab Simulink、PC Worx等首次進(jìn)行多用戶(hù)多任務(wù)的平行運行，共同實(shí)時(shí)地共享數據信息資源。使PLC的功能不僅僅局限于處理控制信息，同時(shí)還能處理生產(chǎn)研發(fā)、管理的有效信息，為ICT的信息順利地進(jìn)入到OT領(lǐng)域打開(kāi)了一個(gè)通路?；ヂ?lián)網(wǎng)技術(shù)可以方便地與PLC控制系統有機地整合起來(lái)。從編程的環(huán)境中滿(mǎn)足了前面所提到的控制系統縱向的發(fā)展的要求。

（3）開(kāi)放性的功能塊開(kāi)發(fā)平臺

PLCnext采用了全新的人機界面PC-WorxEngineer，為用戶(hù)提供IEC 61131-3標準下進(jìn)行編程和體驗的自適應工程平臺。該工程平臺設計的獨特性，適應性、便捷性、直觀(guān)的界面，以及人性化的功能設置使得用戶(hù)能以最快的速度掌握界面的操作，并且用戶(hù)不僅可以免費使用PLCnext提供的標準功能塊，同時(shí)結合自己的應用場(chǎng)景編寫(xiě)自己所需要的專(zhuān)用功能模塊一并使用。值得一提的是這種用戶(hù)自行使用和編寫(xiě)的的自動(dòng)化軟件功能塊通過(guò)PLCnext Engineer的編譯系統自動(dòng)生成的功能安全、信息安全功能，大大減少了開(kāi)發(fā)時(shí)間。PCnext Engineer軟件開(kāi)發(fā)平臺為開(kāi)放性功能塊的開(kāi)發(fā)提供了一個(gè)高效且面向未來(lái)的工程平臺。

當然所有以上的用戶(hù)編寫(xiě)的程序都放在PLCnext的功能塊數據庫里，其調用的方法需要在PLCnext Engineer中進(jìn)行參數化和連接。而對于一些解決方案為導向的應用程序，菲尼克斯還提供了APPStore的技術(shù)建立了PLCnext Store的數據庫，用戶(hù)可以直接用JAVA，Python開(kāi)放的自行編寫(xiě)專(zhuān)門(mén)的功能塊，存入Store里供大家使用，更有意義的是它還可以利用其它的實(shí)時(shí)操作系統如Codesys進(jìn)行程序的編譯，自行生成一個(gè)專(zhuān)用“獨立微控制系統”，這種開(kāi)放性的用戶(hù)開(kāi)發(fā)平臺為PLCnext建立用戶(hù)的生態(tài)圈打下了基礎，用戶(hù)可以從大量擴展軟件功能包中尋找自己所需要的功能包。同時(shí)，菲尼克斯公司提供的PLCnext Community也為這種開(kāi)放性的PLC控制系統提供一個(gè)開(kāi)放性的開(kāi)發(fā)生態(tài)圈。

（4）開(kāi)放性的各種通信接口平臺

一般的PLC控制系統都采用自己的通信協(xié)議和通信方法。如西門(mén)子公司的PLC系統往往采用自己的PROFINET或PROFIBUS。倍福的控制器采用EnterCat或Can-bus，貝加萊采用PowerLink，就是傳統的菲尼克斯控制系統也采用Profinet 或Interbus。這種各控制系統通訊協(xié)議的不一致性，往往給用戶(hù)帶來(lái)了極大的不方便。特別在系統的更新?lián)Q代時(shí)無(wú)法使用最佳的控制系統解決方案。PLCnext特別考慮了通訊接口的開(kāi)放性和兼容性, PLCnext Technology控制平臺為連接其他國際網(wǎng)絡(luò )傳輸協(xié)議整合了各種協(xié)議轉換調整技術(shù)，用戶(hù)可以按照不同的應用場(chǎng)景作出最靈活的選擇。PLCnext對于幾乎所有的通信協(xié)議，無(wú)論現場(chǎng)總線(xiàn)，工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)還是TSN都是開(kāi)放的。解決了控制系統使用最大的瓶頸。此外，PLCnext控制平臺還支持云計算服務(wù)，基于PLCnext技術(shù)用戶(hù)可以很便捷地將每個(gè)PLCnext設備連接到云端并可集成自己的云計算方案，這樣使得進(jìn)行預測診斷和（IoT）的融合又邁近了一步。

總結起來(lái)，PLCnext和傳統PLC相比主要具有以下5個(gè)方面的優(yōu)勢：

• 增強的連接性：PLCnext技術(shù)能夠在高度網(wǎng)絡(luò )化的自動(dòng)化系統中集成當前和未來(lái)的接口和協(xié)議，實(shí)現開(kāi)放式通信。通過(guò)與基于云的服務(wù)和數據庫的直接連接，實(shí)現基于IoT的新業(yè)務(wù)模式。
  

• 增強的自由性： 靈活地集成開(kāi)源軟件和App 。PLCnext技術(shù)支持獨立創(chuàng )建的程序部件和完整應用程序的任何所需組合。使用開(kāi)源軟件和工業(yè)App（例如，PLCnext Store）可提高開(kāi)發(fā)流程的效率。對于未來(lái)的功能擴展，沒(méi)有任何限制。
  

• 增強的便利性：PLCnext技術(shù)的開(kāi)放性使用戶(hù)使用喜愛(ài)的編程語(yǔ)言成為可能，無(wú)論是 IEC 61131 還是高級語(yǔ)言?？梢栽谑煜さ拈_(kāi)發(fā)環(huán)境中舒適地開(kāi)發(fā)個(gè)性化的解決方案，例如PLCnext Engineer、Matlab Simulink、Eclipse 或Visual Studio。
  

• 增強的開(kāi)發(fā)能力：借助PLCnext技術(shù)，不同年代的多個(gè)開(kāi)發(fā)人員可以使用不同的編程語(yǔ)言并行而獨立地處理一個(gè)控制器程序。因此，用戶(hù)可以利用傳統 PLC的優(yōu)勢以及PLCnext技術(shù)的開(kāi)放性和靈活性快速開(kāi)發(fā)復雜的應用程序。
  

• 增強的性能：根據需要可以將不同語(yǔ)言的程序序列合并到任務(wù)中。PLCnext 技術(shù)的任務(wù)處理機制，使得不同來(lái)源的程序例程像傳統的IEC 61131的PLC代碼一樣運行，高級語(yǔ)言程序將自動(dòng)具體時(shí)間確定性。該平臺可確保一致的數據交換和程序代碼的同步執行。
  

2.2　PLC控制系統必須整合人工智能的功能

PLC控制系統需要智能化的功能，唯一的方法就是將人工智能的技術(shù)整合到整個(gè)PLC控制系統的設計中去。那么什么叫人工智能呢？ 清華大學(xué)孫富春教授曾經(jīng)做了這樣的描述：人工智能的最終目標就是探討智能形成的基本機理，研究利用自動(dòng)機模擬人的思維過(guò)程。而近期的目標如何用計算機去做那些靠人的智力才能做的工作，一是模擬人的思維過(guò)程，二是模擬人的能力。從而可以認為人工智能就是按照人的功能進(jìn)行開(kāi)發(fā)研究的一種技術(shù)。反過(guò)來(lái)講，人有什么功能呢？有眼睛、耳朵、大腦、手腳、神經(jīng)、消化、呼吸。人們正是仿照這些功能產(chǎn)生人工智能，即人工智能的七大功能，如圖6所示。

圖6 人工智能的七大功能

那么人工智能如何用到自動(dòng)化上去？如何與PLC自動(dòng)化系統結合起來(lái)？ 按照人工智能的7大部分的作用，我們做了以下分類(lèi)：感知，認知和明知。感知就是視覺(jué)和圖像識別、機器人的深度化應用、聲控和自然語(yǔ)言系統；認知就是機器學(xué)習、深度學(xué)習，一直到神經(jīng)學(xué)習；明知就是預測，專(zhuān)家系統和最佳策劃功能。

圖7 人工智能應用到自動(dòng)化

為什么要把人工智能分成三類(lèi)？這恰恰符合了自動(dòng)化控制系統的三大功能：即數據采集、數據處理和數據分析。

圖8 PLCnext控制器增加的功能

筆者在PLCnext控制器中非實(shí)時(shí)數據的分析管理中增加了人工智能的明知部分，使得PLCnext內容可以對一些生產(chǎn)、研發(fā)服務(wù)等管理數據進(jìn)行分析歸納總結，實(shí)現預測、專(zhuān)家系統和最佳策劃的功能。而在PLCnext的邏運算部分增加了人工智能的認知部分，使得控制器的運算部分增加了機器學(xué)習的功能。通過(guò)機器學(xué)習的辨識、建模和決策的功能使得PLCnext控制器不僅能夠按照已知對象的調節規律進(jìn)行控制，同時(shí)也可以對未知的對象通過(guò)自學(xué)習的方法進(jìn)行自適應控制，使得控制器有了人工智能的功能。在數據采集上即現場(chǎng)層增加了視覺(jué)控制，聲控和語(yǔ)言功能，這些功能不僅使我們對于控制對象的現狀、運行狀態(tài)以及未來(lái)的預測有了更多的現場(chǎng)數據，同時(shí)與機器人組成為一體，使機器人也有了視覺(jué)和語(yǔ)言功能，機器人的應用場(chǎng)合會(huì )越來(lái)越多，智能化的程度也愈來(lái)愈高了，進(jìn)行分析的數據量更多更豐富。利用PLCnext控制平臺，有機地整合了人工智能的功能，PLCnext的新型框架結構使智能制造實(shí)現有了新的可能，同時(shí)也實(shí)現了智能制造的生產(chǎn)模式即全產(chǎn)品生命周期的生產(chǎn)制造模式。

3　總結

按照以上的闡述作為拋磚引玉，提出以下一些觀(guān)點(diǎn)：

（1）自動(dòng)化制造不是智能化制造，其根本區別在于智能制造具有對外部變化的自適應能力，即 ：對實(shí)時(shí)和非實(shí)時(shí)數據的分析、歸納、總結和制定規律的能力。

（2）在PLC控制系統的運算中嵌入人工智能的功能是實(shí)現智能制造的重要條件。

（3）要實(shí)現智能制造，PLC控制系統本身框架結構必須進(jìn)行變革。

目前，菲尼克斯正依據PLCnext平臺，開(kāi)展了以人工智能為導向的智能制造探索工作。首先與大專(zhuān)院校合作，開(kāi)發(fā)應用人工智能的各種工業(yè)場(chǎng)景的模塊化實(shí)訓平臺，如采用VR/AR與人工智能的算法相結合形成遠程預測監控系統，將機器學(xué)習算法嵌入到PLC的運行控制功能塊實(shí)現自學(xué)習的識別建?？刂茮Q策，采用大數據的基本算法在管理層自行生成專(zhuān)家系統以及最佳策劃的智能機理等。PLCnext新的控制平臺為IT真正融合OT打開(kāi)了一個(gè)新的思路，開(kāi)拓一個(gè)新的路徑。希望控制界的工程師們關(guān)注這一新的理念，讓我們共同拭目以待。

作者簡(jiǎn)介：

杜品圣，現任菲尼克斯電氣中國公司副總裁、總工程師，兼任中國自動(dòng)化學(xué)會(huì )理事、上海仿真學(xué)會(huì )常委、武漢理工大學(xué)客座教授、同濟中德工程學(xué)院客座教授、南京大學(xué)學(xué)生創(chuàng )業(yè)導師、中德工業(yè)4.0智能制造標準化工作委員會(huì )德國代表等。

摘自《自動(dòng)化博覽》2020年1月刊