1.2.5 PLC在智能制造系统中的定位

1.智能制造对PLC功能的新要求

PLC作为设备和装置的控制器，除了传统的逻辑控制、顺序控制、运动控制及安全控制功能之外，还承担着工业4.0和智能制造赋予的下列任务：

①越来越多的传感器被用来监控环境、设备的健康状态和生产过程的各类参数，这些工业大数据的有效采集，迫使PLC的I/O必须由集中安装在机架的方式转型为分布式I/O方式。

②各类智能部件普遍采用嵌入式PLC，或者微小型PLC，尽可能地在现场就完成越来越复杂的控制任务。

③应用软件编程的平台化，进一步发展工程设计的自动化和智能化。

④大幅提升无缝连通能力，相关的控制参数和设备的状态可直接传输至上位的各个系统和应用软件，甚至送往云端。

⑤在实现实体资产（包括硬件和软件）数字化的过程中提供足够的支持，便于将资产转化为信息和数据。

PLC系统作为工业控制主力军的地位不会因为智能制造/智慧工厂的兴起而被逐步替代。同时，这也加速了PLC软硬件技术进行适应性的转型和升级。事实上，PLC的软件技术以PLCopen国际组织为先导，一直在为满足工业4.0和智能制造日益清晰的要求做足了准备。图1-16显示PLCopen历年来所开发的各种规范（运动控制、安全控制、OPC UA通信及XML等）在工业4.0参考架构模型（RAMI 4.0）相应的制造环境的功能层级维度及其层级中的位置，可以明显看到，PLCopen国际组织长期以来执着地为提高自动化效率所做的卓有成效的工作，使得今天就可应用未来的科学技术。

总之，PLC可谓是工业自动化控制的常青树，即使是在工业转型升级的智能制造年代或者是工业4.0的时代，它仍然能胜任各种控制要求和通信要求。但它早已不再是三四十年前的只能完成逻辑控制、顺序控制的继电逻辑系统的替代物，它已完成了由经典PLC向现代PLC的蜕变。继承了高性价比、高可靠性及高易用性的特点，具有了分布式I/O、嵌入式智能和无缝链接的性能，尤其是在强有力的PLC软件平台的支持下，完全可以相信PLC将持久不衰地活跃在工业自动化的世界中。

2.PLC硬件如何适应智能制造的要求

人们较普遍的认识是尽管PLC硬件技术进步是渐进的，但也不能否认，PLC的硬件技术一直在为满足工业4.0和智能制造日益清晰的要求积累经验。

特别是微电子技术的飞跃进展，使得SoC芯片在主钟频率越来越高的同时功耗却显著减小；多核的SoC的发展，又促进了在PLC的逻辑和顺序控制处理的同时，可以进行高速的运动控制处理、视觉算法的处理等；而通信技术的进展使得分布式I/O运用越来越多、泛在的I/O运用也有了起步。

面对工业4.0的挑战，PLC硬件设计还可以进行以下几方面的创新和完善：

①极大改善能耗和减小空间。PCB板85%的空间被模拟芯片和离散元器件所占，需要采取将离散元器件的功能集中于单个芯片中、采用新型的流线模拟电路等措施。

②增加I/O模块的密度。

③进行良好的散热设计，降低热耗散。

④突破信息安全的瓶颈（如何防范黑客攻击、恶意软件和病毒）。

概括起来说，PLC的硬件必须具备综合的性能，即更小的体积、更高的I/O密度以及更多的功能。

举例来说，选用新型的器件收效显著：为了减小I/O模块的体积，减少元器件的数量，采用多通道的并行/串行信号转换芯片（serializer），可以对传感器24V的输出信号进行转换、调理和滤波，并以5V的CMOS兼容电平输入PLC的MCU。这样可把必要的光电隔离器件减少至3个，来自多通道的并行/串行信号转换芯片的信号，可共享相同的光电隔离资源。

Maxim公司的模拟器件集成设计，简化了信号链，使±10V的双极性输入可以多通道采样、放大、滤波和模/数变换，而且只需单路的5V电源。这种设计取消了±15V的电源，减少了元器件的数量和系统成本，降低了功耗，缩小了元器件所占用的面积。

3.PLC软件如何适应智能制造的要求

可编程控制器作为一类重要的工业控制器装置，之所以能够在长达数十年的工控市场上长盛不衰，本质上的原因必须从其内部去发掘。其中，软件与硬件发展的相辅相成、相得益彰，应该是重要原因。

IEC 61131-3推动PLC在软件方面的进步，体现在以下几方面：

①编程的标准化，促进了工控编程从语言到工具性平台的开放；同时为工控程序在不同硬件平台间的移植创造了前提条件。

②为控制系统创立统一的工程应用软环境打下坚实基础。从应用工程程序设计的管理，到提供逻辑和顺序控制、过程控制、批量控制、运动控制、传动以及人机界面等统一的设计平台，甚至于将调试、投运和投产后的维护等纳入统一的工程平台。

③应用程序的自动生成工具和仿真工具。

④为适应工业4.0和智能制造的软件需求，IEC 61131-3的第3版将面向对象的编程OOP纳入标准。

不少厂商之前已开发了许多为PLC控制系统工程设计、编程和运行以及管理的工具性软件。其中包括控制电路设计软件包、接线设计软件、PLC编程软件包、人机界面和SCADA软件包、程序调试仿真软件以及自动化维护软件等。尽管这些软件都是为具体的工程服务的，但是，即使在对同一对象进行控制设计和监控，它们却都互不关联。不同的控制需求（如逻辑和顺序控制、运动控制、过程控制等）要用不同的开发软件；在不同的工作阶段（如编程组态、仿真调试、维护管理等）又要用不同的软件。而且往往在使用不同的软件时必须自行定义标签变量（tags），而定义变量的规则又往往各取其便，导致对同一物理对象的相同控制变量不能做到统一的、一致的命名。

缺乏公用的数据库和统一的变量命名规则，造成在使用不同软件时不得不进行烦琐的变量转换，重复劳动导致人力资源成本高，效率低下。

工控编程语言是一类专用的计算机语言，建立在对控制功能和要求的描述及表达的基础上。作为实现控制功能的语言工具，工控编程语言不可能是一成不变的。其进步和发展受到两方面的影响：计算机软件技术和编程语言的发展；它所服务的控制工程在描述和表达控制要求及功能的方法的影响。

但是不论其如何发展和变化，这些年来的事实表明，它总是在IEC 61131-3标准的基础和框架上展开的。这就告诉我们，IEC 61131-3不仅仅是工控编程语言的规范，也是编程系统实现架构的基础和参照。

长期以来PLCopen国际组织注重与许多国际标准化组织和基金会（譬如ISA、OPC基金会等）的合作，开发了基础性的规范。例如与OPC基金会合作开发的IEC 61131-3的信息模型（2010.5发布）、IEC 61131-3的OPC UA Client FB客户端功能块（2015.3发布）以及IEC 61131-3的OPC UA Server FB服务端功能块（2015.3发布）。这些工作都为智能制造和工业4.0的应用和发展做了许多先导性的探索和准备，从而打下了坚实的基础。再如，与ISA合作，将这些开放标准成功地应用于包装行业，建立了PackML系列规范，大大简化了包装机械与上位生产管理系统的通信。

这些标准扩展了当前广泛运用于计算技术行业的面向服务的架构（SOA）应用范围，也推进了一度落后于计算技术和软件的自动化系统技术，使之快速跟上IT技术的进展。

4.PLC是发展智能制造和工业物联网的先行官

中国制造2025和工业4.0大环境下的智能制造的实现，必须建立在一类包括实时控制和及时监控在内的、强有力的联网技术和规范的基础上。这类联网技术和规范可以在一定程度上继承原有的联网技术和规范，但更重要的是一定要突破原有技术和规范的局限，以及明显不能满足实现工业4.0、智慧工厂和智能制造的多层递阶的架构和按功能分层进行通信的思维。这就是说，除了对时间有严格要求的实时控制和对安全有严格要求的功能安全仍然保留在工厂层，所有的制造功能都将按产品、生产制造和经营管理这三个维度做到通信扁平化，实现信息虚拟化，从而构成全链接和全集成的智能制造生态系统（见图1-17）。

目前，在MES级与PLC之间的数据交换通常是通过一个耗时的握手过程。例如MES系统发出一个信号要向PLC传送一个配方数据，等待PLC确认信号返回；接着MES系统向PLC传送该配方数据，当PLC接收到这一组数据后向MES发出接收确认信号。如果PLC同时具有OPC UA的服务端功能和客户端的功能，这种PLC就是一种面向服务架构的PLC（也可简称为SOA-PLC）。这时MES系统向PLC传送一个配方数据就是执行一次通信服务，这次服务的输入参数是配方，输出数据是PLC的确认信号，再也不需要MES系统和PLC之间的多次握手过程。实际上就是OPC UA远程调用了PLC的功能块，大大地缩短了MES与PLC之间通信往来过程，提高了生产调度安排的效率，同时显著减少了工程成本，极大地加强了工厂层与上位执行调度和管理层的数据通信能力。

一台SOA-PLC实际上是把支持确保信息安全的虚拟专用网络（VPN）的Web服务权植入PLC。这种服务权执行面向对象的数据通信，包括实时数据和历史数据、报警数据和其他服务。PLC通过这类服务把对应的大量数据连接至上级的服务和数据层，供信息模型的建模能力使用和处理。

让一台PLC集成了OPC UA的服务端功能和OPC UA的客户端功能，就能保证这台PLC通过VPN进行有安全保证的数据通信。正如前面所述，PLCopen和OPC基金会合作制定了IEC 61131-3的OPC UA信息模型，使PLC的相关信息都可以运用OPC UA的通信机制进行传输。而PLCopen组织所发布的OPC UA的服务端功能块的规范和客户端的功能块规范，为实现这类通信的模块化和便利化奠定了标准基础。从图1-18可以看出不同厂商的PLC可以实现OPC的通信、PLC与MES/ERP之间可以实现OPC的通信，PLC还可以通过OPC实现与微软的Azure公共云和亚马逊的AWS公共云的直接通信。

现在已经有一些公司能够提供在PLC上完整实现OPC UA通信的软件平台支持。德国菲尼克斯软件公司开发的PC WORX UA软件平台支持200台PLC之间进行PLCopen所规范的OPC UA的通信，选用不同的版本，通信变量可以是10万个、1万个和5千个。

顺便指出，至少到目前为止OPC UA并不适合于硬实时的M2M的通信，而非常适合于监控级或生产管理执行级的软实时B2M的通信以及软实时的B2B的通信。

5.RAMI 4.0的物理实体虚拟映射维度中PLCopen的功能性

在工业4.0参考架构模型RAMI 4.0中有一个维度专门用于将物理实体资产经过数字化的途径映射为相关资产的产品描述（数据性能），如何使这一过程标准化呢？显然，PLCopen国际组织在PLC这一大类产品的产品描述方向上具有不可推卸的责任和义务。目前他们正在酝酿技术路线和可行性。

一种可行的方法是按照国际标准化组织制定的国际标准ISO 29002-5-2009，即《工业自动化系统和集成.特征数据交换》的第五部分：标识方法，利用分类的产品描述eCl@ss Version9.1，用URI和URL进行唯一资源标识和唯一资源定位。

ISO 29002-5-2009规定了唯一标识管理项的数据元素和语法。管理项可以是概念词典中的一个概念或概念信息元素。概念信息元素包括如下的术语内容（名称、缩略词、定义、图片和符号等），将一个概念归类于某个相同概念类（概念类型），以及参照于源文件。

图1-19给出用URL唯一标识定位一个工业4.0的基本单元的管理壳，而管理壳的产品描述则依据eCl@ss Version9.1。

将PLCopen多年所积累的软件技术迅速地融入工业4.0的一个可行的途径是——参与产品的描述。工业4.0需要组织数量极大的不同类型的标准化数据元件，而PLCopen能够为描述与PLC技术相关的类型提供规范和发展新的方法。事实上，PLCopen已经定义了许多不同的功能块集合，利用这些功能块集合，可以进行以工业4.0基本元件为目标的扩展，定义有关的功能性或软件，建立潜在功能性的抽象层。并通过工业4.0的AAS（资产管理壳），从资产层（或集成层）映射至功能层。为了实现上述功能，PLCopen的一项新工作就是定义了一类AAS功能块，这些AAS功能块可以被嵌入在PLC的程序中，从而使PLC程序能够提供工业4.0基本元件的管理壳的有关信息。详见图1-20。

以伺服驱动的功能性为例（见图1-21），可在eCl@ss中规定伺服驱动的物理特性，并使之可供应用。而其功能性则在PLCopen的运动控制规范中的功能块予以表达，当然这也包括驱动的动态过程。所有有关的功能性都可以在由资产层到信息层和功能层中被上传、表达和使用。只要用一个标准化的接口经过工业4.0基本元件的管理壳，将物理资产转换为性能，再转换为功能性，就可被上传、表达和使用。