久久久91-久久久91精品国产一区二区-久久久91精品国产一区二区三区-久久久999国产精品-久久久999久久久精品

當(dāng)前，我們已進入了互聯(lián)網(wǎng)時代，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以不可阻擋的潮流進入各行各業(yè)，給各行各業(yè)的變革帶來強大的動力，同時也對各行各業(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)時代的產(chǎn)物，智能制造的概念誕生了。互聯(lián)網(wǎng)時代涌現(xiàn)出的許多新技術(shù)推動了智能制造的發(fā)展。當(dāng)然如何應(yīng)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題。 德國數(shù)年前提出的所謂“工業(yè)4.0”的口號，其主要任務(wù)就是實現(xiàn)“智能工廠”和“智能生產(chǎn)”。從這個概念出發(fā)，無論是智能工廠還是智能生產(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(biāo)就是對目前的生產(chǎn)制造模式進行轉(zhuǎn)型升級，從而達到改善和優(yōu)化生產(chǎn)制造價值鏈，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，使得推入到市場的產(chǎn)品質(zhì)量更好、成本更低、速度更快、效率更高。一句話，企業(yè)在市場的競爭力更高。那么智能制造的生產(chǎn)模式需要什么樣的自動控制系統(tǒng)？這種控制系統(tǒng)與工業(yè)3.0中的自動化技術(shù)有什么區(qū)別？應(yīng)用到智能制造中的自動控制技術(shù)要做什么樣的演變，才能滿足智能制造的生產(chǎn)模式的要求？這些都是我們現(xiàn)在要探索的問題。

1　自動化制造生產(chǎn)模式VS智能制造生產(chǎn)模式

要實現(xiàn)智能制造是否要對目前的PLC控制系統(tǒng)（或自動化控制系統(tǒng)）進行改革呢？這里我們必須要了解工業(yè)4.0創(chuàng)導(dǎo)的智能制造模式與自動化制造模式有什么區(qū)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(tǒng)提出了新的需求。

1.1　自動化制造生產(chǎn)模式

德國工業(yè)4.0將第三次工業(yè)革命定義為以自動化技術(shù)為核心的生產(chǎn)制造模式。通過廣泛地采用了自動化技術(shù)、機器人技術(shù)、IT和通訊技術(shù)構(gòu)成了一個以自動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，PLC技術(shù)無論是在運行速度、應(yīng)用范圍、數(shù)據(jù)處理能力還是通信能力上（如現(xiàn)場總線，工業(yè)實時以太網(wǎng)）均大大提高。一個完美成熟的PLC系統(tǒng)已經(jīng)形成，成為了推動工業(yè)3.0發(fā)展的中堅力量。然而PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計原理及功能主要是解決生產(chǎn)制造運行的過程和狀態(tài)的控制問題。（CPU速度、容量、通信接口、控制點數(shù)），即對生產(chǎn)制造系統(tǒng)中實時數(shù)據(jù)的控制和處理，而對非實時數(shù)據(jù)的分析、存儲、歸納、總結(jié)等任務(wù)，往往通過工業(yè)以太網(wǎng)接口送到上位信息化平臺進行處理。因此目前的PLC自動化控制平臺沒有涉及到生產(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(tǒng)就不能很好地與生產(chǎn)管理系統(tǒng)MES和企業(yè)管理系統(tǒng)ERP整合起來。往往一家生產(chǎn)型企業(yè)管理系統(tǒng)的制定要有三家從事不同軟件公司參加（ERP、MES和PLC供應(yīng)商）。由于各家公司專業(yè)的差異性，各種技術(shù)應(yīng)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的價值也沒有在工業(yè)領(lǐng)域得到普遍的認(rèn)同，僅僅起到錦上添花式的功能，沒有在工業(yè)生產(chǎn)制造領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。另一方面，PLC控制系統(tǒng)的任務(wù)也僅僅限于生產(chǎn)制造流水線運行控制監(jiān)視和維護，而對于產(chǎn)品生命周期的整個管理任務(wù)也沒有牽涉到。所以目前的PLC系統(tǒng)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(biāo)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翻譯成兩個字，一個叫“智”，一個叫“能”，“智”是指人的思維，分析歸納總結(jié)。“能”是指人的本事，技能技巧。所以智能不僅強調(diào)技能技巧，而更要突出應(yīng)用思維分析能力的重要性。因此“智能”制造相對于自動化制造其構(gòu)成的系統(tǒng)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(biāo)就是對目前的生產(chǎn)制造模式進行轉(zhuǎn)型升級，解決目前采用自動化制造生產(chǎn)模式不能解決的問題，即在互聯(lián)網(wǎng)時代產(chǎn)品生命周期不斷縮短的問題: 由于產(chǎn)品的生命周期越來越短，產(chǎn)品更新?lián)Q代的快速響應(yīng)要求越來越高，產(chǎn)品的品種越來越多，但是數(shù)量越來越少。多批量性生產(chǎn)成為目前產(chǎn)品市場需求的發(fā)展趨勢。而產(chǎn)品數(shù)量的減少又給產(chǎn)品的成本帶來了前所未有的壓力。成本降低然而投資商獲取利潤時間上的快速性要求又對傳統(tǒng)的生產(chǎn)制造企業(yè)的盈利模式帶來了極大的沖擊; 與此同時能源使用效率、節(jié)能減排等要求，使得傳統(tǒng)的生產(chǎn)制造業(yè)面臨了前所未有的挑戰(zhàn)。正因為這些挑戰(zhàn)，智能制造生產(chǎn)模式提到了議事日程。

智能制造的基本戰(zhàn)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(tǒng)的自動化生產(chǎn)制造模式進行變革，將IT技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)融合于自動控制PLC系統(tǒng)中，改變傳統(tǒng)自動化生產(chǎn)制造模式。按照靈活性、快速響應(yīng)性、成本效率性以及投資回報率短期性的要求，建立一個高度靈活、數(shù)字化的智能生產(chǎn)制造系統(tǒng)，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)制造這一端來解決成本、效率、速度、質(zhì)量和靈活性的問題，更從產(chǎn)品生命周期的管理的方法來全面地解決這些問題。使得研發(fā)、生產(chǎn)的產(chǎn)品的市場競爭力更強，產(chǎn)品的性價比更高，產(chǎn)品的更新?lián)Q代更能滿足市場和客戶的需要。

因此，智能制造相對于傳統(tǒng)的生產(chǎn)制造模式有著本質(zhì)上的變革和提升，在互聯(lián)網(wǎng)時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(shè)計、分析、加工、裝配，預(yù)測產(chǎn)品的綜合性能、成本、市場響應(yīng)和服務(wù)（采購、庫存、銷售、發(fā)送、維護、報廢、回收）的產(chǎn)品生命周期的全過程。它既考慮了產(chǎn)品的質(zhì)量、成本，同時又考慮了企業(yè)內(nèi)部的運行模式、企業(yè)的應(yīng)變能力以及企業(yè)在市場和客戶中的定位等，因此，可以最大限度地節(jié)約成本、時間，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，獲得巨大的經(jīng)濟效益與社會效益。與此同時建立企業(yè)的互聯(lián)網(wǎng)生態(tài)圈，更加貼近用戶意識。無論是研發(fā)與設(shè)計、生產(chǎn)與制造，還是營銷與服務(wù)都可以滿足消費者需求作為出發(fā)點和歸宿點，推行用戶體驗式的設(shè)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。同時產(chǎn)品的數(shù)字化，制造的數(shù)字化和管理的數(shù)字化保證了人、機和產(chǎn)品之間的無縫連接，制造信息流、管理信息流及研發(fā)和客戶信息流可以在控制系統(tǒng)中進行通訊和交換，這樣的生產(chǎn)制造系統(tǒng)具有自適應(yīng)功能，以及柔性靈活、快速重構(gòu)等智能化的特點。智能化的生產(chǎn)制造模式不但具有對大規(guī)模生產(chǎn)的適應(yīng)能力，而且具備快速實現(xiàn)小批量、多品種的定制生產(chǎn)能力，滿足互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟下快速迭代的客戶個性化需求，使得企業(yè)快速贏得客戶、占領(lǐng)市場先機。

按照以上的分析，原來的自動控制系統(tǒng)的金字塔的內(nèi)容也有了新的含義，如圖1所示。

圖1 自動控制系統(tǒng)的金字塔

傳統(tǒng)的自動化金字塔結(jié)構(gòu)分為現(xiàn)場層、控制層和管理層。主要做三件事情，即生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)的采集、處理（控制）、顯示，這三層之間的數(shù)據(jù)通過運用現(xiàn)場總線技術(shù)、工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)和其他的專用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)了生產(chǎn)制造現(xiàn)場I/O信號，控制數(shù)據(jù)和管理數(shù)據(jù)的通訊和交換。在現(xiàn)場層主要采用現(xiàn)場總線實現(xiàn)了現(xiàn)場生產(chǎn)的運行狀態(tài)，組態(tài)和執(zhí)行等信號的采集和分配。在控制層對工程、生產(chǎn)和設(shè)備的運行數(shù)據(jù)進行處理和分析，將處理好的數(shù)據(jù)反饋到現(xiàn)場層，對于現(xiàn)場的設(shè)備進行控制。同時采用工業(yè)以太網(wǎng)的方法將控制數(shù)據(jù)和一部分現(xiàn)場數(shù)據(jù)送到相應(yīng)的管理層。在傳統(tǒng)的金字塔模型中管理層收集這些控制或現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行顯示，同時送入上位機。而上位機才對這些非實時的數(shù)據(jù)結(jié)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(shè)備維護、產(chǎn)品服務(wù)、采購、供貨期、產(chǎn)品反饋）進行綜合性能指標(biāo)分析和運算，然后調(diào)度生產(chǎn)制造現(xiàn)場進行執(zhí)行。所以，在自動化金字塔中，非實時性信息的處理往往離線或由上位工控機來執(zhí)行。大量的企業(yè)管理、生產(chǎn)管理的非實時性數(shù)據(jù)的分析、判斷和處理不能在控制層進行，這是目前金字塔式自動化控制系統(tǒng)最大的缺陷。如現(xiàn)在所用的MES、ERP、EPLM系統(tǒng)不能在PLC系統(tǒng)中運行，PLC要通過專用接口將相關(guān)的數(shù)據(jù)先送入上位機，然后在將上位工控機計算好后的部分結(jié)果送到PLC層面上進行監(jiān)控。目前IT標(biāo)準(zhǔn)已進入工業(yè)領(lǐng)域，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)已廣泛地應(yīng)用到工業(yè)領(lǐng)域，但是它還沒有進入到工業(yè)的核心領(lǐng)域——自動控制系統(tǒng)。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)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(jiān)控、預(yù)測維護、機器學(xué)習(xí)和增強現(xiàn)實等應(yīng)用已成為實現(xiàn)。由此一來，“IT融合OT”的口號應(yīng)運而生，以IT技術(shù)為代表的廠商希望利用這個口號將工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)技術(shù)融合到OT的場景中去，希望利用打造工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的方法來融合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(tǒng)云平臺的基礎(chǔ)上疊加物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新興技術(shù)，實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)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(yīng)用開發(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(dǎo)向的大規(guī)模定制應(yīng)用模式的互聯(lián)網(wǎng)平臺（試圖利用互聯(lián)網(wǎng)來對接企業(yè)與用戶，打通需求、設(shè)計、生產(chǎn)、服務(wù)等環(huán)節(jié)），還是打通產(chǎn)業(yè)鏈上下游，進而優(yōu)化資源配置，或者依托平臺實現(xiàn)從企業(yè)管理層到生產(chǎn)層的縱向數(shù)據(jù)集成，進而提升軟件的智能精準(zhǔn)分析能力等等，這些互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)達成的平臺都沒有與控制的實時數(shù)據(jù)進行交流，他們做了大量分析，但是對于現(xiàn)場的控制作用微乎其微。所以到目前為止所謂的“IT融合OT”實質(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)真正地能引進到控制領(lǐng)域從而使得控制系統(tǒng)數(shù)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場景中加一個嵌入式運算載體，并且通過OPC UA的通訊接口或加上TSN技術(shù)將非實時數(shù)據(jù)的運算的結(jié)果送入PLC控制器就能實現(xiàn)IT融合OT呢？筆者認(rèn)為采用這種方法并不能將迅猛發(fā)展的人工智能，移動互聯(lián)網(wǎng)，云計算，大數(shù)據(jù)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(tǒng)本身必須要做相應(yīng)的改革，才能使得IT技術(shù)真正地進入自動化控制領(lǐng)域。從而更好地發(fā)揮人工智能、大數(shù)據(jù)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(tǒng)的改革

筆者認(rèn)為PLC自動控制系統(tǒng)為了滿足智能制造生產(chǎn)模式的新要求，其本身必須進行兩方面的革新：

2.1　重塑PLC框架結(jié)構(gòu)，新型PLC控制系統(tǒng)不僅能處理實時數(shù)據(jù)，同時也能處理非實時數(shù)據(jù)

智能制造中的企業(yè)管理結(jié)構(gòu)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(xiàn)場層采集的信息一定要有可控、可觀、可測、可通訊的功能。在這種情況下，智能制造對自動化系統(tǒng)提出了新的要求。PLC控制系統(tǒng)目前的最大問題是不能處理、分析、歸納和總結(jié)管理、服務(wù)和研發(fā)的所謂的非實時數(shù)據(jù)。這個缺陷形成了PLC控制系統(tǒng)在智能制造中應(yīng)用最大的瓶頸，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能技術(shù)不能直接進入到控制系統(tǒng)的核心——PLC控制系統(tǒng)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(yīng)用范圍。因此在這種情況下，當(dāng)前的PLC控制系統(tǒng)必須進行變革，才能滿足自動化系統(tǒng)運行過程和控制相關(guān)的實時數(shù)據(jù)處理及管理、服務(wù)等非實時數(shù)據(jù)的分析、存儲、歸納等要求。

但是實時數(shù)據(jù)和非實時數(shù)據(jù)的性質(zhì)是完全不同的，如表1所示，由于非實時數(shù)據(jù)與實時數(shù)據(jù)在數(shù)量、時間、處理方法和傳輸效率方面的不同，使目前的PLC控制系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)設(shè)計中僅對實時的控制數(shù)據(jù)進行處理，而沒有考慮處理管理、研發(fā)、服務(wù)等非實時性數(shù)據(jù)的問題。

表1 實時數(shù)據(jù)與非實時數(shù)據(jù)

為了滿足智能制造的要求，我們必須改變原來PLC控制系統(tǒng)設(shè)計中沒有的實現(xiàn)非實時數(shù)據(jù)（研發(fā)、管理和服務(wù)）處理的功能。因此傳統(tǒng)的PLC控制系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)必須進行本質(zhì)上的變革，使PLC控制系統(tǒng)的硬件和操作系統(tǒng)能滿足處理實時數(shù)據(jù)和部分的非實時數(shù)據(jù)的功能。即產(chǎn)品生命周期的研發(fā)、服務(wù)和管理數(shù)據(jù)也能在控制器進行運算和分析，這樣就形成一個全新的PLC控制系統(tǒng)，菲尼克斯公司開發(fā)的PLCnext控制系統(tǒng)，其系統(tǒng)架構(gòu)模型即是按照這種思路進行設(shè)計的，其簡化的描述如圖2所示。

圖2 新型PLC的系統(tǒng)機構(gòu)-從制造數(shù)據(jù)到管理數(shù)據(jù)的處理

在德國推進工業(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，開始開發(fā)了用于智能制造模式的新型PLC控制系統(tǒng)，并且命名為PLCnext。即互聯(lián)網(wǎng)時代的PLC控制系統(tǒng)，它的特點是既保留了傳統(tǒng)PLC編程的優(yōu)勢，同時通過擴大了編程語言、工具及開源功能集成的自由度的能力，實現(xiàn)處理非實時性的數(shù)據(jù)的功能。其既能處理實時數(shù)據(jù)又能處理非實時數(shù)據(jù)的PLC控制系統(tǒng)平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計是采用了四大開放性的技術(shù)來實現(xiàn)的。

（1）Linux的PLC開放性控制平臺

PLCnext的操作系統(tǒng)是基于Linux系統(tǒng)開發(fā)的，這種系統(tǒng)是一種自由和開放源碼的類Unix操作系統(tǒng)，同時是一款免費的操作系統(tǒng)，用戶可以通過網(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(tǒng)的操作系統(tǒng)，它有以下優(yōu)點：由于Linux的內(nèi)核大部分是用C語言編寫的，并采用了可移植的Unix標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)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(tǒng)在內(nèi)的各種硬件設(shè)備。同時Linux系統(tǒng)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(tǒng)的數(shù)據(jù)處理可以有機地結(jié)合在一起。更主要Linux系統(tǒng)繼承了Unix系統(tǒng)的特點，是一個真正的多用戶多任務(wù)的操作系統(tǒng)。這個特性使得PLC控制系統(tǒng)既要處理實時數(shù)據(jù)又要處理非實時數(shù)據(jù)的設(shè)想成為可能。在PLCnext的操作系統(tǒng)中多名開發(fā)人員也可以同時在不同的開發(fā)環(huán)境中從事同一個項目。這種功能使得來自產(chǎn)品開發(fā)、設(shè)備工程、生產(chǎn)部門的團隊可以在新產(chǎn)品開發(fā)階段就跨部門合作，協(xié)同配合。真正能夠滿足智能制造對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(tǒng)架構(gòu)
  

PLCnext 系統(tǒng)架構(gòu)由PLCnext實時操作系統(tǒng)、內(nèi)部用戶組件和外部用戶組件等3個部分組成，為自動化解決方案提供具有開放接口和最大靈活性的面向未來的控制架構(gòu)。它采用實時Linux操作系統(tǒng)，其技術(shù)基于一個具有來自yocto（https://www.yoctoproject.org/ ) 的PREEMPT-RT 實時補丁（OSADL）的自身的Linux發(fā)布，來完成這些需求。在硬件方面，采用高性能的多核處理器和大容量的內(nèi)存空間，支持信息安全IEC 62443標(biāo)準(zhǔn)。

• PLCnext實時操作系統(tǒng)
  

PLCnext實時運行系統(tǒng)用于執(zhí)行實時用戶程序，支持IEC 61131-3、C/C++、C#、Matlab Simulink等多種開發(fā)環(huán)境。PLCnext Engineer工程軟件是PLCnext控制器的組態(tài)、編程、調(diào)試和可視化的工程工具，方便熟悉IEC 61131-3編程標(biāo)準(zhǔn)的用戶進行軟件編程。采用Visual Studio的專用插件，可以使用C＃開發(fā)和集成功能塊，使用C＃創(chuàng)建的IEC 61131功能塊通過eCLR運行系統(tǒng)實時執(zhí)行。同時，用戶可以采用Eclipse或者Visual Studio開發(fā)符合標(biāo)準(zhǔn)的C/C++用戶程序, 通過與PLCnext技術(shù)平臺的簡易接口, 直接由任務(wù)進行調(diào)用，并支持遠程調(diào)試。采用 MATLAB Simulink開發(fā)的代碼，可以以用戶程序的方式直接導(dǎo)入到PLCnext Engineer軟件中，可實現(xiàn)基于模型設(shè)計和開發(fā)無縫一致的集成。

實時操作系統(tǒng)的服務(wù)組件提供了內(nèi)置的OPC UA服務(wù)器、Web服務(wù)器和WebHMI、數(shù)據(jù)記錄、PROFICLOUD網(wǎng)關(guān)和IT協(xié)議支持等多種重要組件。現(xiàn)場總線管理器用來支持不同實時工業(yè)以太網(wǎng)和現(xiàn)場總線的連接，包括PROFINET、EtherCAT、Axioline本地 I/O總線和PCIe總線擴展功能。

為了保證在操作系統(tǒng)中進行實施任務(wù)和非實時任務(wù)的同時運行以及實時數(shù)據(jù)與非實時數(shù)據(jù)交換的完整性和擬同步性，PLCnext有兩個已申請專利的專門核心技術(shù)：執(zhí)行和同步管理器（Execuzation& Synchonization Manager，簡稱ESM）和全局?jǐn)?shù)據(jù)空間（Global Data Space，簡稱GDS）。ESM組件負責(zé)處理多核處理器和多任務(wù)系統(tǒng)的實時應(yīng)用，它提供空閑、周期和事件任務(wù)并通過看門狗功能監(jiān)視應(yīng)用的正確執(zhí)行，不同開發(fā)環(huán)境編寫的用戶程序可以在同一個控制器下運行。與ESM相結(jié)合，通過GDS，以一種方便和簡單易用的方式來管理任務(wù)、程序和組件之間的實時和周期一致的數(shù)據(jù)傳輸。用戶只需要在PLCnext Engineer工程軟件或基于XML的配置文件中通過進口（IN-Port）和出口（OUT-Port）來配置程序之間的數(shù)據(jù)交換連接，而無需經(jīng)過全局變量或共享內(nèi)存區(qū)。

圖4 任務(wù)同步和實時性

• 內(nèi)部用戶組件和外部用戶組件
  

PLCnext包含了兩個非常重要的功能擴展，從而方便地實現(xiàn)對各種開源軟件和額外功能擴展的支持。內(nèi)部用戶組件是PLCnext的實時功能擴展，用于執(zhí)行具有一定實時性要求的用戶組件，例如SQL、Modbus TCP、MQTT、工業(yè)云通信接口等。外部用戶組件則是PLCnext的非實時功能擴展，用于執(zhí)行沒有實時通信要求的應(yīng)用程序，例如JAVA應(yīng)用、.Net應(yīng)用、Python應(yīng)用、OPENCV圖像處理等，大大便利了大數(shù)據(jù)，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(tǒng)可以方便地融為一體。

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

圖5 PLCnext功能擴展的5種類型

由于采用了開放的控制架構(gòu)，PLCnext 技術(shù)可以自由地實施自動化項目而不受專有系統(tǒng)的限制。用戶可以自由使用喜愛的編程語言和開發(fā)工具、開源軟件和應(yīng)用程序，還可以單獨集成云服務(wù)和未來技術(shù)。

（2）開放性的軟件編程語言

PLCnext以IEC61131-3編程標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)，開放性的采用C/C++, C#或者Matlab Simulink等語言來開發(fā)的不同的功能塊和控制程序。同時用戶也可以利用已有的開源代碼方便地與菲尼克斯電氣PLCnext平臺結(jié)合起來，搭建一個用戶為導(dǎo)向的自動化控制系統(tǒng)。比如可以直接用于運動控制的Matlab進行編程，并將其運動控制算法融合到常用的邏輯運算中，大大地提高了PLC系統(tǒng)的運算功能。同時又對應(yīng)用于Web開發(fā)，大數(shù)據(jù)開發(fā)，Android開發(fā)的JAVA語言進行開放，使得信息控制的算法和功能可以整合到PLC控制平臺上。開放性的軟件應(yīng)用平臺使得Visual Studio、Eclipse、Matlab Simulink、PC Worx等首次進行多用戶多任務(wù)的平行運行，共同實時地共享數(shù)據(jù)信息資源。使PLC的功能不僅僅局限于處理控制信息，同時還能處理生產(chǎn)研發(fā)、管理的有效信息，為ICT的信息順利地進入到OT領(lǐng)域打開了一個通路。互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以方便地與PLC控制系統(tǒng)有機地整合起來。從編程的環(huán)境中滿足了前面所提到的控制系統(tǒng)縱向的發(fā)展的要求。

（3）開放性的功能塊開發(fā)平臺

PLCnext采用了全新的人機界面PC-WorxEngineer，為用戶提供IEC 61131-3標(biāo)準(zhǔn)下進行編程和體驗的自適應(yīng)工程平臺。該工程平臺設(shè)計的獨特性，適應(yīng)性、便捷性、直觀的界面，以及人性化的功能設(shè)置使得用戶能以最快的速度掌握界面的操作，并且用戶不僅可以免費使用PLCnext提供的標(biāo)準(zhǔn)功能塊，同時結(jié)合自己的應(yīng)用場景編寫自己所需要的專用功能模塊一并使用。值得一提的是這種用戶自行使用和編寫的的自動化軟件功能塊通過PLCnext Engineer的編譯系統(tǒng)自動生成的功能安全、信息安全功能，大大減少了開發(fā)時間。PCnext Engineer軟件開發(fā)平臺為開放性功能塊的開發(fā)提供了一個高效且面向未來的工程平臺。

當(dāng)然所有以上的用戶編寫的程序都放在PLCnext的功能塊數(shù)據(jù)庫里，其調(diào)用的方法需要在PLCnext Engineer中進行參數(shù)化和連接。而對于一些解決方案為導(dǎo)向的應(yīng)用程序，菲尼克斯還提供了APPStore的技術(shù)建立了PLCnext Store的數(shù)據(jù)庫，用戶可以直接用JAVA，Python開放的自行編寫專門的功能塊，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時操作系統(tǒng)如Codesys進行程序的編譯，自行生成一個專用“獨立微控制系統(tǒng)”，這種開放性的用戶開發(fā)平臺為PLCnext建立用戶的生態(tài)圈打下了基礎(chǔ)，用戶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，菲尼克斯公司提供的PLCnext Community也為這種開放性的PLC控制系統(tǒng)提供一個開放性的開發(fā)生態(tài)圈。

（4）開放性的各種通信接口平臺

一般的PLC控制系統(tǒng)都采用自己的通信協(xié)議和通信方法。如西門子公司的PLC系統(tǒng)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(tǒng)的菲尼克斯控制系統(tǒng)也采用Profinet 或Interbus。這種各控制系統(tǒng)通訊協(xié)議的不一致性，往往給用戶帶來了極大的不方便。特別在系統(tǒng)的更新?lián)Q代時無法使用最佳的控制系統(tǒng)解決方案。PLCnext特別考慮了通訊接口的開放性和兼容性, 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(zhuǎn)換調(diào)整技術(shù)，用戶可以按照不同的應(yīng)用場景作出最靈活的選擇。PLCnext對于幾乎所有的通信協(xié)議，無論現(xiàn)場總線，工業(yè)實時以太網(wǎng)還是TSN都是開放的。解決了控制系統(tǒng)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)用戶可以很便捷地將每個PLCnext設(shè)備連接到云端并可集成自己的云計算方案，這樣使得進行預(yù)測診斷和（IoT）的融合又邁近了一步。

總結(jié)起來，PLCnext和傳統(tǒng)PLC相比主要具有以下5個方面的優(yōu)勢：

• 增強的連接性：PLCnext技術(shù)能夠在高度網(wǎng)絡(luò)化的自動化系統(tǒng)中集成當(dāng)前和未來的接口和協(xié)議，實現(xiàn)開放式通信。通過與基于云的服務(wù)和數(shù)據(jù)庫的直接連接，實現(xiàn)基于IoT的新業(yè)務(wù)模式。
  

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

• 增強的便利性：PLCnext技術(shù)的開放性使用戶使用喜愛的編程語言成為可能，無論是 IEC 61131 還是高級語言。可以在熟悉的開發(fā)環(huán)境中舒適地開發(fā)個性化的解決方案，例如PLCnext Engineer、Matlab Simulink、Eclipse 或Visual Studio。
  

• 增強的開發(fā)能力：借助PLCnext技術(shù)，不同年代的多個開發(fā)人員可以使用不同的編程語言并行而獨立地處理一個控制器程序。因此，用戶可以利用傳統(tǒng) PLC的優(yōu)勢以及PLCnext技術(shù)的開放性和靈活性快速開發(fā)復(fù)雜的應(yīng)用程序。
  

• 增強的性能：根據(jù)需要可以將不同語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，使得不同來源的程序例程像傳統(tǒng)的IEC 61131的PLC代碼一樣運行，高級語言程序?qū)⒆詣泳唧w時間確定性。該平臺可確保一致的數(shù)據(jù)交換和程序代碼的同步執(zhí)行。
  

2.2　PLC控制系統(tǒng)必須整合人工智能的功能

PLC控制系統(tǒng)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PLC控制系統(tǒng)的設(shè)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(biāo)就是探討智能形成的基本機理，研究利用自動機模擬人的思維過程。而近期的目標(biāo)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程，二是模擬人的能力。從而可以認(rèn)為人工智能就是按照人的功能進行開發(fā)研究的一種技術(shù)。反過來講，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化上去？如何與PLC自動化系統(tǒng)結(jié)合起來？ 按照人工智能的7大部分的作用，我們做了以下分類：感知，認(rèn)知和明知。感知就是視覺和圖像識別、機器人的深度化應(yīng)用、聲控和自然語言系統(tǒng)；認(rèn)知就是機器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)，一直到神經(jīng)學(xué)習(xí)；明知就是預(yù)測，專家系統(tǒng)和最佳策劃功能。

圖7 人工智能應(yīng)用到自動化

為什么要把人工智能分成三類？這恰恰符合了自動化控制系統(tǒng)的三大功能：即數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)分析。

圖8 PLCnext控制器增加的功能

筆者在PLCnext控制器中非實時數(shù)據(jù)的分析管理中增加了人工智能的明知部分，使得PLCnext內(nèi)容可以對一些生產(chǎn)、研發(fā)服務(wù)等管理數(shù)據(jù)進行分析歸納總結(jié)，實現(xiàn)預(yù)測、專家系統(tǒng)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(rèn)知部分，使得控制器的運算部分增加了機器學(xué)習(xí)的功能。通過機器學(xué)習(xí)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(diào)節(jié)規(guī)律進行控制，同時也可以對未知的對象通過自學(xué)習(xí)的方法進行自適應(yīng)控制，使得控制器有了人工智能的功能。在數(shù)據(jù)采集上即現(xiàn)場層增加了視覺控制，聲控和語言功能，這些功能不僅使我們對于控制對象的現(xiàn)狀、運行狀態(tài)以及未來的預(yù)測有了更多的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，同時與機器人組成為一體，使機器人也有了視覺和語言功能，機器人的應(yīng)用場合會越來越多，智能化的程度也愈來愈高了，進行分析的數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)使智能制造實現(xiàn)有了新的可能，同時也實現(xiàn)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(jié)

按照以上的闡述作為拋磚引玉，提出以下一些觀點：

（1）自動化制造不是智能化制造，其根本區(qū)別在于智能制造具有對外部變化的自適應(yīng)能力，即 ：對實時和非實時數(shù)據(jù)的分析、歸納、總結(jié)和制定規(guī)律的能力。

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

（3）要實現(xiàn)智能制造，PLC控制系統(tǒng)本身框架結(jié)構(gòu)必須進行變革。

目前，菲尼克斯正依據(jù)PLCnext平臺，開展了以人工智能為導(dǎo)向的智能制造探索工作。首先與大專院校合作，開發(fā)應(yīng)用人工智能的各種工業(yè)場景的模塊化實訓(xùn)平臺，如采用VR/AR與人工智能的算法相結(jié)合形成遠程預(yù)測監(jiān)控系統(tǒng)，將機器學(xué)習(xí)算法嵌入到PLC的運行控制功能塊實現(xiàn)自學(xué)習(xí)的識別建模控制決策，采用大數(shù)據(jù)的基本算法在管理層自行生成專家系統(tǒng)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打開了一個新的思路，開拓一個新的路徑。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。

作者簡介：

杜品圣，現(xiàn)任菲尼克斯電氣中國公司副總裁、總工程師，兼任中國自動化學(xué)會理事、上海仿真學(xué)會常委、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(dǎo)師、中德工業(yè)4.0智能制造標(biāo)準(zhǔn)化工作委員會德國代表等。

摘自《自動化博覽》2020年1月刊