智能制造是基于新一代信息技術(shù)，貫穿設計、生產(chǎn)、管理、服務(wù)等制造活動(dòng)各個(gè)環(huán)節，具有信息深度自感知、智慧優(yōu)化自決策、精準控制自執行等功能的先進(jìn)制造過(guò)程、系統與模式的總稱(chēng)。具有以智能工廠(chǎng)為載體，以關(guān)鍵制造環(huán)節智能化為核心，以端到端數據流為基礎、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(yíng)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。智能制造系統是智能制造模式展現的載體，也是信息技術(shù)與控制技術(shù)集成應用的環(huán)境，其核心是大規模信息處理、識別、分析、決策等工業(yè)控制技術(shù)的研發(fā)和應用，因此工業(yè)控制系統是智能制造系統里自動(dòng)化和信息化的基礎，其中可編程邏輯控制器（PLC）又是工業(yè)控制系統廣泛應用的核心部件。隨著(zhù)互聯(lián)網(wǎng)和信息技術(shù)的發(fā)展，智能制造應用的全面推進(jìn)，PLC作為傳統的自動(dòng)化的關(guān)鍵設備也必將得到更加廣泛的應用，新技術(shù)的不斷出現將使PLC向智能化、網(wǎng)絡(luò )化的方向發(fā)展。智能制造時(shí)代，PLC產(chǎn)品面臨著(zhù)全新的機遇和挑戰。

韓立新：全新一代控制系統技術(shù)架構正在孕育

北京機械工業(yè)自動(dòng)化研究所有限公司副總工程師、研究員韓立新

PLC問(wèn)世50年了，作為工業(yè)3.0時(shí)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的當下，PLC面臨怎樣的變革呢？

工業(yè)4.0和智能制造，有著(zhù)共同目標指向，都是技術(shù)進(jìn)步推動(dòng)產(chǎn)業(yè)轉型升級，從而實(shí)現經(jīng)濟社會(huì )更好發(fā)展。智能工廠(chǎng)是智能制造的載體，也是制造企業(yè)轉型升級的愿景。工廠(chǎng)自動(dòng)化是PLC的傳統領(lǐng)域，智能制造PLC不會(huì )缺席。

智能工廠(chǎng)具有全面感知、優(yōu)化決策、精準執行，自動(dòng)化方式實(shí)現的業(yè)務(wù)管理和制造作業(yè)過(guò)程的特點(diǎn)。而這些的實(shí)現，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)中的現有存量來(lái)看，PLC具有得天獨厚的優(yōu)勢，但也面臨全新的挑戰。

挑戰首先來(lái)自于需求端。智能工廠(chǎng)要全面感知，挖掘數據價(jià)值，前提條件是互通互聯(lián)和數據采集。原來(lái)現場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò )和車(chē)間一級的網(wǎng)絡(luò )與互聯(lián)網(wǎng)是隔離的，互通互聯(lián)與數據采集解決問(wèn)題的重點(diǎn)在多種現場(chǎng)通信協(xié)議間的信息交換?，F在的橫向集成、縱向集成、端到端集成，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)構建與應用等，實(shí)現互通互聯(lián)的同時(shí)，也帶來(lái)了網(wǎng)絡(luò )安全問(wèn)題。對于PLC來(lái)說(shuō)，互通互聯(lián)帶來(lái)的安全問(wèn)題又分為信息安全和功能安全兩個(gè)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(diǎn)所在。如何確?？刂葡到y在互通互聯(lián)的環(huán)境中的功能安全，要研究的問(wèn)題還很多。

智能工廠(chǎng)的優(yōu)化決策要在各個(gè)層級上實(shí)現，在設備和產(chǎn)線(xiàn)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(jué)、深度學(xué)習等人工智能算法，提供IEC61131-3標準以外的高級語(yǔ)言編程等。

現場(chǎng)的同一臺設備、同一個(gè)工藝段、產(chǎn)線(xiàn)，可能有多個(gè)或多類(lèi)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(gè)控制器完成？其實(shí)PLC、CNC、機器人控制器、DCS功能相互的融合伴隨著(zhù)各自的發(fā)展歷程。

挑戰同時(shí)來(lái)自新技術(shù)對原有產(chǎn)品和解決方案的顛覆，其中最主要的挑戰來(lái)自云計算模式。云計算的本質(zhì)是大規模分布式計算，它將非關(guān)即開(kāi)的數字化設備模型化為傳統上的“模擬”系統，增進(jìn)了系統的伸縮性和可靠性，并且規模越大越經(jīng)濟，使我們今天擁有似乎無(wú)窮無(wú)盡的網(wǎng)絡(luò )資源和計算能力，擁有了7×24運行的各種線(xiàn)上系統。

PLC產(chǎn)品和技術(shù)發(fā)展到今天，大型PLC系統本身已經(jīng)是一個(gè)分布式計算系統，只不過(guò)這種分布式系統是基于現場(chǎng)總線(xiàn)和局域網(wǎng)的。支撐云模式分布式計算系統的相關(guān)技術(shù)應用于工業(yè)控制領(lǐng)域，將帶來(lái)工業(yè)控制系統體系結構、技術(shù)架構、產(chǎn)品形式、應用方式的革命性變革。

邊緣計算興起就是這種變革的一個(gè)體現。邊緣計算提出了云、管、邊的體系架構，我們也可以簡(jiǎn)化為云、邊的結構。在云端，標準硬件組合而成的機器構建的基礎實(shí)施，大幅降低單位計算成本的同時(shí)，提供了強大的計算能力，使得在計算機系統的虛擬空間里構建模型、進(jìn)行仿真運行和優(yōu)化運算有了更好的選擇?，F場(chǎng)I/O和實(shí)時(shí)控制由邊緣控制器實(shí)現，軟件自動(dòng)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，可以更好地提供現場(chǎng)控制所需的智能，并且解決了傳統控制系統產(chǎn)品升級換代時(shí)需要重新配置系統、編制用戶(hù)程序所帶來(lái)的不便。因為是重新規劃的系統，統一的技術(shù)架構和通信協(xié)議可以更好地實(shí)現互通互聯(lián)。

華為邊緣智能小超人—Atlas 500智能小站和一些傳統PLC廠(chǎng)家的產(chǎn)品創(chuàng )新，都是對技術(shù)發(fā)展趨勢的現實(shí)響應。雖然還有許多理論和技術(shù)問(wèn)題需要研究和解決，但新的體系架構可能催生的全新一代控制系統技術(shù)架構正在孕育。5G乃至更新的通訊技術(shù)，降低了分布式系統各功能組件間的信息交換時(shí)延，將會(huì )加速這個(gè)進(jìn)程。對這些挑戰的積極應對，將為PLC迎來(lái)新的發(fā)展機遇。

李方園：PLC技術(shù)面臨的編程語(yǔ)言挑戰及工業(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(hù)經(jīng)常會(huì )碰到所謂日系和德系的區分，在高校的自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)教學(xué)中，也是分西門(mén)子和三菱兩種機型進(jìn)行教學(xué)。兩者的區別就在于，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(lái)說(shuō)，入門(mén)簡(jiǎn)單，應用方便；而德系的PLC，以西門(mén)子博途編程軟件為例，它占用空間巨大，但系統嚴謹，功能強大，可以使用高級語(yǔ)言編程。無(wú)論是哪一種，都在IEC61131標準中得到了規范。該規范是將信息技術(shù)領(lǐng)域的一些先進(jìn)的思想和技術(shù)引入工業(yè)控制領(lǐng)域，如軟件工程、結構化編程、模塊化編程、面向對象的思想以及網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)，彌補和克服了傳統控制系統開(kāi)放性差、兼容性差、應用軟件可維護性差以及可再用性差等弱點(diǎn)。對于符合這一標準的控制器，即使它們由不同制造商生產(chǎn)，其編程語(yǔ)言也是相同的，其使用方法也是類(lèi)似的，因此，工程師們可以做到“一次學(xué)習、到處使用”，從而減少了企業(yè)在人員培訓、技術(shù)咨詢(xún)、系統調試和軟件維護等方面的成本。

西門(mén)子PLC的高級語(yǔ)言（即SCL語(yǔ)言）編程時(shí)，主要用IF...THEN、CASE...OF...、FOR、WHILE...DO、REPEAT...UNTIL等語(yǔ)句去構造條件、循環(huán)、判斷這樣的結構，在這些結構中再添加指令，去實(shí)現邏輯判斷。所有程序的編寫(xiě)都是在純文本的環(huán)境下編輯，不像梯形圖那么直觀(guān)，但應用起來(lái)非常靈活，這也是目前主流PLC支持的編程語(yǔ)言和IEC61131-3規范。以伺服控制為例，根據輸入的距離計算伺服電機的脈沖數，并根據反饋的脈沖數計算實(shí)際的距離，其數學(xué)計算簡(jiǎn)單且易表達，但用梯形圖來(lái)描述，估計要一個(gè)屏幕，恐怕還不夠，這時(shí)采用IEC61131標準的高級語(yǔ)言就可以很輕松地來(lái)編程，無(wú)論浮點(diǎn)數計算，還是跟梯形圖共用，都非常容易上手。

PLC的變化除了編程語(yǔ)言更簡(jiǎn)潔之外，還在于工業(yè)4.0帶動(dòng)下通信模式的改變。盡管PLC的通信系統可以通過(guò)ProfiNet、CC-Link、DeviceNet等組網(wǎng)構成更加復雜的控制系統，但與周邊的一些設備卻格格不入，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的前提是數據采集，無(wú)論是企業(yè)車(chē)間現場(chǎng)的生產(chǎn)物資管理，還是車(chē)間現場(chǎng)的設備管理，其數據都需要融入到MES系統中去，這樣才能為企業(yè)的生產(chǎn)制造、倉儲、物流運輸、銷(xiāo)售管理、售后服務(wù)得以全面實(shí)現數字化管理提供了強大的硬件基礎。

因此，很多第三方企業(yè)與PLC廠(chǎng)商合作，為PLC控制器用戶(hù)提供整套的物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，助力制造業(yè)廠(chǎng)家邁入“工業(yè)4.0”時(shí)代。也有PLC廠(chǎng)商直接推出自帶物聯(lián)網(wǎng)功能的PLC，通過(guò)內置的功能塊，直接實(shí)現數據接入，實(shí)現設備管理，維修工單管理、遠程售后、大數據分析等功能。

王德吉：工廠(chǎng)邊緣智能化是實(shí)現智能的關(guān)鍵所在

中國煙草總公司職工進(jìn)修學(xué)院研究員王德吉

控制系統是制造企業(yè)制造過(guò)程中的神經(jīng)中心、操作中心和安全屏障。它實(shí)現了監視、控制和優(yōu)化整個(gè)過(guò)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。隨著(zhù)控制系統技術(shù)的不斷改進(jìn)和發(fā)展，其在工業(yè)控制領(lǐng)域的應用日益成熟。然而，隨著(zhù)智能制造時(shí)代的到來(lái)，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層和自動(dòng)化控制層的核心，控制系統不可避免地面臨新的挑戰。智能制造基于數據，因此有必要獲得完整且相互關(guān)聯(lián)的全局數據，以更好地協(xié)調整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程?？刂葡到y是整個(gè)智能制造架構中硬功能的核心鏈接。它需要具有更強大的數據采集、存儲、計算和分析功能，以更好地支持上層智能軟件的開(kāi)發(fā)。具體說(shuō)來(lái)，PLC面臨以下挑戰：

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(lái)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(gè)內核，這必將導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(gè)PLC系統中支持多種工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，而企業(yè)連接性則需要對應用程序互連接性框架（如OPC-UA）的支持。

安全的通信：工廠(chǎng)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(wèn)題。

跨平臺的互連接性：選擇錯誤的處理器可能會(huì )導致代價(jià)高昂的錯誤，因為不同系統之間的功能互連接性要求使用在非專(zhuān)有處理器內核上運行的標準化操作系統。

市場(chǎng)的多變性：隨著(zhù)連接性和互連接性環(huán)境的不斷發(fā)展，市場(chǎng)需求的更改變得更加頻繁，這需要對軟件和硬件設計進(jìn)行更改。

此外，傳統的挑戰仍然存在，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(zhù)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的逐步實(shí)現，工廠(chǎng)邊緣智能化是實(shí)現智能的關(guān)鍵所在。PLC面臨著(zhù)大數據、高性能控制、互連接性、安全性、跨平臺等挑戰。通過(guò)片上系統（SoC）現場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）設計的片上PLC能夠應對這一挑戰。片上PLC通過(guò)云實(shí)現工廠(chǎng)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(guò)程數據，提高了效率，還支持海量定制，通過(guò)預測性維護降低了由于工廠(chǎng)停工帶來(lái)的高成本。

摘自《自動(dòng)化博覽》2020年4月刊