PLC軟件如何適應智能制造的要求

　　可編程控制器作為一類重要的工業控制器裝置，之所以能夠在長達數十年的工控市場上長盛不衰，本質上的原因必須從其內部去發掘。其中，軟件與硬件發展的相輔相成、相得益彰應該是重要原因。

　　IEC61131-3推動PLC在軟件方面的進步，體現在：

　　（1）編程的標準化，促進了工控編程從語言到工具性平臺的開放，同時為工控程序在不同硬件平臺間的移植創造了前提條件。

　　（2）為控制系統創立統一的工程應用軟環境打下堅實基礎。從應用工程程序設計的管理，到提供邏輯和順序控制、過程控制、批量控制、運動控制、傳動、人機界面等統一的設計平臺，以至于將調試、投運和投產后的維護等，統統納入統一的工程平臺。

　　（3）應用程序的自動生成工具和仿真工具。

　　（4）為適應工業4.0和智能制造的軟件需求， I E C61131-3的第3版將面向用戶的編程OOP納入標準。

　　之前已開發了許多為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化維護軟件等等。盡管這些軟件都是為具體的工程服務的，但即使在對同一對象進行控制設計和監控，它們卻都互不關聯。不同的控制需求（如邏輯和順序控制、運動控制、過程控制等）要用不同的開發軟件，在不同的工作階段（如編程組態、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不得不進行繁瑣的變量轉換，重復勞動導致人力資源成本高、效率低下。

　　工控編程語言是一類專用的計算機語言，建立在對控制功能和要求的描述和表達的基礎上。作為實現控制功能的語言工具，工控編程語言不可能是一成不變的。其進步必然受到計算機軟件技術和編程語言的發展，以及它所服務的控制工程在描述和表達控制要求和功能的方法的影響。

　　但是不論其如何發展和變化，這些年來的事實表明，它總是在IEC 61131-3標準的基礎和框架上展開的。這就告訴我們，IEC61131-3不僅僅是工控編程語言的規范，也是編程系統實現架構的基礎和參照。

　　長期以來PLCopen國際組織注重與許多國際標準化組織和基金會（如ISA、OPC基金會等）合作，開發了基礎性的規范。圖2對此形象地做了詮釋。這些工作都為智能制造和工業4.0的應用和發展做了很多先導性的探索和準備，從而打下了堅實的基礎。

　　多年來PLCopen一直堅持與開放標準化組織合作建立一種開放標準的生態系統。譬如與OPC基金會合作開發的：IEC61131-3的信息模型（2010年5月發布），IEC 61131-3 的OPC UA Client FB客戶端功能塊（2015年3月發布），IEC 61131-3的OPC UA Server FB服務端功能塊（2015年3月發布）。已經成功地應用于包裝行業建立PackML系列規范，大大簡化了包裝機械與上位生產管理系統的通信。

　　這些標準拓展了如今廣泛運用于計算技術行業的SOA面向服務的架構的應用范圍，同時也推進了一度落后于計算技術和軟件的自動化系統技術，快速跟上IT技術的進展。

　　PLC是智能制造和工業物聯網的先行官

　　實現工業4.0、智慧工廠和智能制造，必須建立在一類包括實時控制和及時監控在內的、強有力的聯網技術和規范的基礎上。這類聯網技術和規范可以在一定程度上繼承原有的聯網技術和規范，但更重要的是一定要突破原有技術和規范的局限，以及明顯不能滿足實現工業4.0、智慧工廠和智能制造的多層遞階的架構和按功能分層進行通信的思維。這就是說，除了對時間有嚴酷要求的實時控制和對安全有嚴酷要求的功能安全仍然保留在工廠層而外，所有的制造功能都將按產品、生產制造和經營管理這三個維度做到通信扁平化，實現信息虛擬化，從而構成全鏈接和全集成的智能制造生態系統。

　　在智能制造系統中，PLC不僅僅是機械裝備和生產線的控制器，而且還是制造信息的采集器和轉發器。從這個意義上講，只有PLC具有面向服務架構（SOA）的功能，才有可能完成這些重要任務。譬如PLC調用視覺系統的攝像頭所攝制的圖像服務，或者PLC調用某個RFID讀取器的服務，都需要視覺系統或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。還可以把有關信息送至SAP云中。

　　目前，在MES級與PLC的數據交換通常是通過一個耗時的握手過程。例如MES系統發出一個信號要向PLC傳送一個配方數據，等待PLC確認信號返回；接著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發出接收確認信號。如果PLC同時具有OPC UA的服務端功能和客戶端的功能，這種PLC就是一種面向服務架構的PLC（也可簡稱為SOA-PLC）。這時MES系統向PLC傳送一個配方數據就是執行一次通信服務，這次服務的輸入參數是配方，輸出數據是PLC的確認信號，再也不需要MES系統和PLC之間的多次握手過程。實際上就是OPC UA遠程調用了PLC的功能塊，大大縮短了MES與PLC之間通信來往過程，提高了生產調度安排的效率。同時顯著減少了工程成本，極大地加強了工廠層與上位執行調度和管理層的數據通信能力。

　　一臺SOA-PLC實際上是把支持確保信息安全的虛擬專用網絡（VPN）的Web服務權植入PLC。這種服務權執行面向對象的數據通信，包括實時數據和歷史數據、報警數據和其它服務。PLC通過這類服務把對應的大量數據連接至上級的服務和數據層，供信息模型的建模能力使用和處理。

　　讓一臺PLC集成了OPC UA的服務端功能和OPC UA的客戶端功能，就能保證這臺PLC通過VPN進行有安全保證的數據通信。正如前面所述PLCopen和OPC基金會合作制定了IEC61131-3的OPC UA信息模型，使PLC的相關信息都可以運用OPC UA的通信機制進行傳輸。而PLCopen組織所發布的OPC UA的服務端功能塊的規范和客戶端的功能塊規范，為實現這類通信的模塊化和便利化奠定了標準基礎。由圖5可以看出不同廠商的PLC可以實現OPC的通信、PLC與MES/ERP之間可以實現OPC的通信，PLC還可以通過OPC實現與微軟的Azure公共云和亞馬遜的AWS公共云的直接通信。

　　現在已經有一些公司能夠提供在PLC上完整實現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發的PC WORX UA軟件平臺支持200臺PLC之間進行PLCopen所規范的OPC UA的通信，選用不同的版本通信變量可以是10萬個、1萬個、5千個。

　　在此順便指出，至少到目前為止OPC UA并不適合于硬實時的M2M的通信，而非常適合于監控級或生產管理執行級的軟實時B2M的通信，以及軟實時的B2B的通信。對此應該有清醒的認識。

　　結語

　　PLC可謂是工業自動化控制的常青樹，即使是在工業轉型升級的智能制造年代，或者是工業4.0的時代，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，它已完成了由經典PLC向現代PLC的蛻變。繼承了高性價比、高可靠性、高易用性的特點，再具有了分布式I/O、嵌入式智能和無縫聯接的性能，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自動化的世界中。

　　作者：彭瑜（1938-）男，湖南長沙人，教授級高級工程師，早年畢業于清華大學熱能工程系，現任上海工業自動化儀表研究院教授級高工、顧問，PLCopen中國組織名譽主席，中國自動化學會儀表和裝置專委會名譽常務委員，PowerLink中國用戶協會理事長，工信部智能制造標準化體系建設工作組專家，國家智能制造標準化協調推進組專家咨詢組專家。迄今為止，已經為中國工業自動化技術的發展服務了50多年，領域涉及流程工業、離散制造業等的檢測、控制、生產制造、執行管理等多個方面。自1993年起，因對工業技術的突出貢獻獲得國務院特殊津貼和相關證書。