自動化是一個有核心技術的行業(yè)嗎？大家能分出差異嗎？

正能量聲明

這樣的題目會很容易引發(fā)爭議，因為牽扯到同業(yè)內(nèi)的產(chǎn)品技術，此文純屬討論，我也不是那么深入了解同業(yè)的產(chǎn)品技術—為了避免被追溯法律責任，我決定一概賦予“正能量“。

真的要分個高端低端出來？

高端是一個很有意思的詞—人人都喜歡用，然而，自動化本身只是一個“應用型“行業(yè)，產(chǎn)品技術更多是”集成“-例如，芯片、傳感器都是來自跨領域，那么在某種意義上，自動化是一個有核心技術的行業(yè)嗎？大家能分出差異嗎？大家在一個公開的市場采購元器件、使用Open的軟件，那么自動化的高端用什么來體現(xiàn)的呢？

自動化是一個應用行業(yè)，則客戶的需求才是決定行業(yè)地位的真正力量，所有自認為是高端的產(chǎn)品、技術、公司都必須接受最嚴苛的產(chǎn)業(yè)應用挑戰(zhàn)，在最嚴苛的客戶—也即產(chǎn)業(yè)里最頂級的客戶那里獲得支持的才能說高端，任何號稱的高端都是沒有意義的。

如果單純的講PLC的性能、功能進行列項比較，是無法反映高端PLC的全貌的，只能在局部看PLC，而必須結合產(chǎn)業(yè)需求、高端PLC廠商的產(chǎn)品設計架構與理念等來綜合考量。

PLC其實只是控制的一部分，核心在控制，圖1就展示了控制的發(fā)展過程，當然，PLC已經(jīng)延伸到帶有總線、實時以太網(wǎng)、信息集成的各個階段了、PLC與PC在融合。

為了討論方便，我們沒必要討論行業(yè)具體應用，否則問題變得復雜，且涉及了不同公司的商業(yè)機密—客戶資料。

PLC的幾個趨勢

01

比較硬件 毫無意義

今天，PLC已經(jīng)不應該去比較誰的CPU執(zhí)行速度更快？比較誰的存儲更大？誰能帶的I/O點更多？能夠用什么編程語言？PLC作為工業(yè)控制的核心產(chǎn)品，其已經(jīng)產(chǎn)生了很多變化，這一切要歸因于IT技術帶來的革命。

存儲越來越便宜而且越來越大，使得你在PLC上可以存儲大量的實時數(shù)據(jù)，而CPU則越來越快，以前那些解決不了的問題正在被輕松解決，而顯示屏也越來越多樣和豐富，硬件的需求越來越高速，但是，標準化和通用化是未來的趨勢，因此，競爭已經(jīng)不在硬件本身。性能決定一切的時代即將過去。

02

PLC將更加開放的融合各種技術

功能時代已經(jīng)到來，這就包括了運動控制、安全、液壓，機器人、CNC、實時通信、FDT、無線以太網(wǎng)、GPRS等都在廣泛的滲透到控制中，PLC要變得更加開放才能在未來的競爭中生存。

03

技術正在走向融合-集成解決方案

PC技術的廣泛應用使得控制器的能量無限擴大，而豐富的軟件應用也讓CPU必須更快，更強，IT技術提供了這一切，Intel架構的嵌入式CPU已經(jīng)被廣泛應用于工業(yè)控制，而PAC,PCC,PLC,PC,DCS,SCADA這些概念正在相互融合，并且逐漸的與GIS、SQL Server等專業(yè)技術相互接口融合，控制技術正在構成一個集成的整體，單個的PLC或者PC已經(jīng)在整個控制應用的需求中變得扁平，界限也開始模糊，專用控制器，通用控制器的概念也開始模糊，世界正在走向融合。

高端PLC技術的驅(qū)動力

01IT行業(yè)對于自動化行業(yè)的推動

1.1 使得硬件更加通用化-隨著IT技術的發(fā)展，CPU的處理能力、通信速度（以太網(wǎng)技術）、存儲及擴展能力、軟件功能塊(OPC)、診斷與維護能力(基于IT技術的維護)能力和顯示能力都得到了大幅度的提高，并且，IT技術的發(fā)展也導致了硬件成本的不斷下降，并且，IT的競爭使得芯片更容易獲取，而成本卻更低。

1.2 標準化與模塊化設計-為了降低系統(tǒng)的生產(chǎn)與制造成本，PLC產(chǎn)品不斷的走向模塊化與標準化設計。

因此，發(fā)展國產(chǎn)PLC產(chǎn)品要時刻關注IT技術對于自動化的發(fā)展的推動，關注IT技術如何被集成到自動化技術中。

02面向復雜控制的需求拉動PLC的發(fā)展

無論是PLC,PCC,PAC技術，其發(fā)展宗旨均是為了滿足更為復雜的機器與生產(chǎn)現(xiàn)場的控制需求，分布式計算對于總線提出新的需求，生產(chǎn)集成對于軟件SCADA和DCS的需求不斷增加，PLC將在這里擔負更多的功能。

PLC最初的應用主要為了邏輯控制而開發(fā)，而隨著IT技術、通信技術、傳感器技術以及生產(chǎn)管理對于現(xiàn)場數(shù)據(jù)的需求，為了跟蹤生產(chǎn)過程，分析工藝和質(zhì)量的影響因素，對于現(xiàn)場數(shù)據(jù)的需求不斷提高，對于環(huán)境和安全的需求也帶來了安全技術的發(fā)展，這些影響了PLC對于控制的要求：

2.1 復雜的算法設計:今天在機器控制領域已經(jīng)有些類似于過程控制領域的PID調(diào)節(jié)、工藝算法設計（套色、張力、稱重、牽伸、放卷、收卷）等需要PLC具有超強的算法設計和處理能力，例如:B&R的PCC就可以采用C,C++編程，這對于復雜算法設計更為容易，而Bachmann的PLC則可以基于C,C++,Java編程，SoftPLC的SoftPLC則也可以基于Java編程。

2.2 運動控制:由于以前的機器上，運動控制執(zhí)行件較少，通常都采用專用的運動控制器，而現(xiàn)在的運動控制應用更為廣泛，在各個機械制造領域，以及造紙、啤酒生產(chǎn)線、煙草等領域都有更為廣泛的應用，而這對于運動控制如電子齒輪、電子凸輪、定位控制有了更多的要求，如SIEMENS的T-CPU系列即可完成運動控制任務的處理，而B&R的PCC則可以直接通過總線控制伺服驅(qū)動器實現(xiàn)各種運動控制的算法。

2.3 安全技術-隨著對于人身安全及設備安全的需求，各個PLC廠商均開發(fā)了為安全應用而設計的SafetyLOGIC產(chǎn)品，如SIEMENS的317F,319F CPU即為安全應用而設計，ABB的PLUTO安全PLC、Rockwell Automation的，而B&R則開發(fā)了SafetLOGIC PLC。

2.4 CNC與機器人:傳統(tǒng)意義的機器人與CNC通常采用專用系統(tǒng)，因為這些系統(tǒng)需求是更為復雜的路徑規(guī)劃與矩陣轉換，這就使得PLC無法滿足而采用了專用的系統(tǒng)，早在1997年，B&R在其PLC中可以集成CNC，并在2006年開始集成機器人庫。

03激烈的市場競爭促進了軟件的發(fā)展

3.1 軟件的發(fā)展-由于硬件的通用化和標準化降低了系統(tǒng)的成本，而為了尋求差異化競爭力，高端PLC將注意力更多的集中到了軟件功能與行業(yè)應用庫的開發(fā)上，更為細分的市場使得應用的差異化成為了競爭的利器。

3.2 軟件封裝了客戶的內(nèi)在競爭力-保護了知識產(chǎn)權。

豐富的總線支持能力

01總線控制的優(yōu)勢

基于總線的控制技術，高端的PLC具有豐富的總線接口支持能力，總線式連接帶來了以下一些好處：

1.1 總線連接減少了電纜的數(shù)量:通過總線連接的分布式I/O站，減少了為了連接到中央控制單元的接線數(shù)量。

1.2 使得控制更為靈活:總線使得分布式控制得到了實現(xiàn)，對于分布式控制系統(tǒng)而言，總線是不可或缺的組成部分。

1.3 使得機器設計更為靈活-在OEM機械制造中，總線使得機械的模塊化設計成為可能，每個獨立的機械單元帶有本地獨立的控制器，通過總線實現(xiàn)整個生產(chǎn)線的集成，而這些僅僅需要通信電纜的連接即可。

02總線的分類

2.1 現(xiàn)場總線技術

傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線包括Profibus, CANopen, CC-link, FF ,HSE,DeviceNet, Modbus等，有多少個自動化廠商就有多少個總線，各種總線定義了不同的應用層協(xié)議和行規(guī)(Profile)，這些總線之間不能互聯(lián)，或者為了互聯(lián)而需要增加額外的交換與網(wǎng)關設備。

圖-各種總線集成形成了總線之爭

2.2 標準以太網(wǎng)技術

IT業(yè)界技術的發(fā)展使得Ethernet技術得到了更為廣泛的應用，由于它具有開放性好、速度高、成本低廉的原因，越來越多的自動化廠商開始在其自動化組件中集成了Ethernet技術，它主要帶來了以下幾個好處：

A.它速度更高-100Mbps的數(shù)據(jù)傳輸滿足了視頻數(shù)據(jù)、視覺識別、圖像處理等工業(yè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽茫?/p>

B.它開放性好-無需支付任何License費用即可使用;

C.它成本低-由于大量的標準應用，Ethernet的數(shù)據(jù)電纜價格、芯片價格都大幅度降低，使得它成為價格低廉的技術被廣泛使用。

目前，Ethernet技術已經(jīng)在各個自動化廠商的產(chǎn)品包括PLC、HMI、傳感器、安全系統(tǒng)、DCS中得到了廣泛的應用，是發(fā)展最為迅速的技術。

2.3 實時以太網(wǎng)技術

Ethernet技術的發(fā)展帶來了如此多的好處，但是對于機器人、CNC、運動控制和Safety技術領域，Ethernet數(shù)據(jù)交換的不確定性是一個巨大的障礙，因此，各個公司又在以太網(wǎng)技術基礎上開發(fā)了實時以太網(wǎng)，以滿足對于實時性更為苛刻的需求，通常我們將數(shù)據(jù)刷新速度在uS級、同步精度在0.1uS的以太網(wǎng)稱為實時以太網(wǎng)。

這里比較典型的技術包括了：

A.Ethernet POWERLINK技術 這個是最早的實時以太網(wǎng)技術，早在2001年，始創(chuàng)公司B&R就開發(fā)了這一技術并投入使用，它采用輪詢機制來進行數(shù)據(jù)交換的管理，由一個MN(主節(jié)點)調(diào)度時間片給每個CN(從節(jié)點)，可以達到的刷新速度為100uS,其物理介質(zhì)采用滿足IEEE802.3規(guī)范的物理層，其應用層則采用CANopen的Profile，目前它是自動化業(yè)界唯一的開源技術Open Source Technology。支持該總線的包括ABB,Schneider和LENZE,Baldor以及一些運動控制系統(tǒng)廠商。

B.SERCOSIII 在Rexroth公司1994年開發(fā)的SERCOS現(xiàn)場總線基礎上發(fā)展起來的以太網(wǎng)技術，其同樣輪詢方式的管理機制，可以達到100Mbps的傳輸速度，uS級的刷新周期，目前包括Rockwell AB、Schneider一些自動化公司支持該總線。

C.Profinet 由SIEMENS開發(fā)并投入使用的實時以太網(wǎng)技術，但是，其多個版本中目前ProfiNet和ProfiNet RT已經(jīng)可以使用，而其基于ASIC技術的硬件實時的ProfiNet IRT尚未有完全推出，IRT可實現(xiàn)uS級的數(shù)據(jù)刷新，高時鐘同步。

D.EtherCAT 基于集束幀的方式傳輸?shù)膶崟r以太網(wǎng)，其主站是標準以太網(wǎng)，但是從站非標準以太網(wǎng)，采用ASIC實現(xiàn)，可實現(xiàn)100uS的數(shù)據(jù)刷新。

實時以太網(wǎng)主要解決了在高速同步控制方面的數(shù)據(jù)交換能力。

圖-各種實時以太網(wǎng)技術

目前國內(nèi)的自動化廠商，如PLC廠商普遍能夠做到的是ProfiBus,CANopen這類總線，國內(nèi)自主開發(fā)的EPA目前僅部分創(chuàng)始廠商如浙大中控和和利時在使用，而且是使用在DCS中，而實時以太網(wǎng)的應用主要是在運動控制和機器人這些領域要求較高。

強大的軟件能力

高端PLC與普通的PLC的功能應用強大在于其軟件能力，這些軟件能力分為幾個層面：

圖-高端PLC的軟件體系

01

開發(fā)平臺軟件

是否具備完整的開發(fā)平臺和庫的調(diào)用,是其能否完成機器控制、工廠設備集成的關鍵，如果沒有強大的開發(fā)平臺，則無法完成復雜控制任務的軟件系統(tǒng)構建。

1.1 開發(fā)語言的支持能力

除了常用的梯形圖、指令表、結構文本，一些PLC支持復雜的算法設計的高級語言，如B&R支持C,C++,C#的編程，Bachmann的PLC支持C++,Java,SoftPLC也支持Java編程，因為其本身有操作系統(tǒng)，可運行編譯系統(tǒng)和Java虛擬主機。

1.2 全生命周期服務的開發(fā)平臺

工具而非平臺，這個概念正說明PLC正在變化，已經(jīng)不能用工具來簡單描述，因為，不僅僅是一個開發(fā)工具，它包含了越來越多的功能。

02

操作系統(tǒng)的支持

與傳統(tǒng)PLC不同的是，今天基于PC的控制、PAC、PCC已經(jīng)由于其所運行的操作系統(tǒng)平臺的不同而產(chǎn)生了能力的巨大差異，操作系統(tǒng)使得很多豐富的IT-Based軟件可以運行其上，大大的豐富了PLC產(chǎn)品的軟件運行環(huán)境和支持庫的數(shù)量。

圖-主要的RTOS

高端的PLC采用了RTOS來提高處理的實時性，支持多任務，如Rockwell Automation的ControlLogix支持多個任務的處理，而B&R的PLC則支持8個不同的任務等級，并且每種任務可以設定不同的循環(huán)周期。

03

應用庫的支持

為了實現(xiàn)針對Logic和Motion,Safety的編程統(tǒng)一，PLCopen標準化了一些程序接口，這些軟件模塊的調(diào)用可以實現(xiàn)一些簡單的控制需求，但是，這遠遠不夠，還需要能夠自定義庫的支持，例如針對不同行業(yè)的需求而產(chǎn)生的應用軟件包－這些構成了其自身的核心競爭力。

圖-PLCopen庫

此處增加PLCopenMotion Part 4中關于協(xié)同運動控制的問題，傳統(tǒng)的PLC無法完成運動控制，必須依賴于專用運動控制器或者模塊—往往比CPU價格更高，但是，新的PLC將直接運行運動控制，而PLCopen則從軟件的角度為這種融合解決了實際問題。

安全技術集成

01

Safety PLC

眾多的歐美高端PLC廠商均推出Safety PLC,遵循IEC61508標準規(guī)范，由TUV和TUV南德意志認證并已經(jīng)開始投入使用有以下一些典型的。

1.1 RockwellAB GuardLogix系統(tǒng)滿足TUV SIL3認證

圖-Rockwell安全PLC

1.2 貝加萊SafetLOGIC

圖-B&R安全PLC,SafeLOGIC

1.3 SIEMENS S7300F,S7-400F/H

圖-SIEMENS安全PLC

1.4 ABB 800xA和SafetyGuard400系列

圖-ABB 800xA PLC

1.5 EmersonDeltaV SIS

圖-EmersonDeltaV SIS PLC

02

安全技術的未來

2.1進入門檻：如果中國的自動化產(chǎn)品需要進入歐美市場，以及在一些對安全性有需求的核電、機器控制、石化領域應用的話，未來需要開發(fā)滿足國際標準IEC61508,61511的安全標準產(chǎn)品。

2.2政策要求：越來越重視人的生命與安全的要求在未來必然在政府的強制性要求中體現(xiàn)。

高端PLC仿真能力

MATLAB/Simulink是廣泛應用于科研領域的工程開發(fā)與仿真平臺，通過基于建模的開發(fā)模式，可以降低整個系統(tǒng)研發(fā)的成本，尤其是在航空航天、高鐵、汽車制造、建筑工程、電力等領域的系統(tǒng)仿真，可以大量節(jié)省項目的測試成本。

2008年B&R與Rockwell AB即與Mathworks合作，通過開發(fā)數(shù)據(jù)接口，MATLAB/Simulink仿真后自動生成的C代碼可以在這兩家公司的CPU上直接運行，可以實現(xiàn)硬件再環(huán)測試（Hardware In the Loop），目前這一技術已經(jīng)在風力發(fā)電行業(yè)得到了應用，B&R為風力發(fā)電開發(fā)的系統(tǒng)即采用MATLAB/Simulink仿真然后代碼運行到CPU上，也包括防搖算法、機器人慣量前饋等應用。

圖-Simulink過程

2010年 Mathworks又繼續(xù)由此延伸開發(fā)了滿足IEC61131-3的代碼，包括ST的支持，SIEMENES開始對此的支持，這使得PLC可以直接獲取這些代碼并運行，這可以大大降低開發(fā)費用，另外，在風力發(fā)電領域的知名控制器廠商Bachmann、Phoenix、Beckhoff也能夠與SIMULINK相結合，實現(xiàn)風電主控控制等。

高端PLC的軟件平臺集成度

集成工程平臺正在成為一種潮流，各個自動化廠商正在向著這個方向發(fā)展，這體現(xiàn)了幾個方面的優(yōu)勢：

01集成平臺

代表的是整體方案提供能力-高端PLC產(chǎn)品的提供商能夠完成系統(tǒng)的集成能力，例如：其有PLC技術、HMI技術、Motion技術、傳感器技術、總線技術，這些系統(tǒng)的集成使得它能夠牢牢的把握客戶，從而獲得高度的客戶忠誠度。

相應的，國產(chǎn)的自動化廠商現(xiàn)在還不能提供完整的平臺，因為，PLC廠商往往沒有運動控制，變頻器的不作PLC,做伺服的不做變頻器,也就是尚未形成一個能夠提供真正整體解決方案的廠商。

如果無法提供整體的硬件平臺和軟件開發(fā)的高度集成性，那么”TotalSolution”就成為空話，國產(chǎn)的自動化廠商要發(fā)展就得往集成方向去走，否則的話，如果只有PLC而沒有其它配套的系統(tǒng)組件，則仍然無法鞏固整個市場。

圖-集成開發(fā)平臺能力支持

盡管自動化市場很大，但真正有集成開發(fā)平臺的就只有SIEMENSPortal、B&R的Autoation Studio、Rockwell 的Logix等極少數(shù)幾個平臺，其它都還沒有到較全面集成的能力。

02集成工程平臺是向服務轉型的基礎

大家都說未來是服務的競爭，而軟件平臺則是服務的利器，能夠提供全產(chǎn)品生命周期PLC(ProductLife Cycle的服務能力，集成化的工程平臺就是必須的，不僅包括編程，也包括仿真、測試、維護、診斷等功能。

圖-集成開發(fā)平臺功能與任務支持

高端PLC廠商參與行業(yè)標準的制定

01

IEC/PLCopen組織

PLCopen庫包括了PLCopenLogic,XML,Safety,Motion,Hydraulic,IEC61131-3等，如果能夠支持這些庫的話就可以輕松的開發(fā)基于這些庫的軟件應用。

02

開放機器自動化與控制OMAC

為了提高包裝機械與機床等機器的控制系統(tǒng)一致性操作成立了OMAC組織，由End User里的代表廠商如波音飛機、P&G、SAB等組成了該國際組織，力圖推廣統(tǒng)一的機器操作與控制的標準，而眾多的技術提供者也深入其中，成為未來技術標準的制定者。

包括RockwellAB,SIEMENS,Rexroth,B&R,Elau,ABB等均為該組織的成員，共同支持OMAC技術在全球的推廣。

圖-OMAC PackML核心會員

03

EUROMap-在塑料機械領域使用的機械手連接標準庫

包括Rexroth,B&R,KEBA,SIEMENS等均支持該庫以獲得在該領域的應用支持。

04

Unicode能夠滿足系統(tǒng)支持多種語言的庫

它能保證PLC產(chǎn)品能夠支持全球各種語言，使得產(chǎn)品能向全球銷售。

05

OPC UA

為了能夠?qū)崿F(xiàn)與上位SCADA以及管理層的ERP系統(tǒng)的連接，由Microsoft等與自動化廠商共同開發(fā)了針對不同的PLC連接的OPC Server來保證與管理系統(tǒng)的連接。

自動化在各個應用領域與自身的標準方面，國際知名廠商都積極參與其中，并在標準上領先國內(nèi)廠商，而且，這些標準正在被積極的執(zhí)行。