智能制造時(shí)代,PLC發(fā)展應(yīng)用的新需求和新基礎(chǔ)

　　自1969年第一臺(tái)PLC誕生之日起，PLC成為了工業(yè)界的掌上明珠。經(jīng)過近半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，PLC已成為工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的核心組成部分。在產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的智能化時(shí)代，PLC除滿足控制功能外，還具備數(shù)據(jù)分析、流程優(yōu)化、網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)、故障預(yù)測(cè)等功能，完成了從經(jīng)典控制到智能控制的轉(zhuǎn)變。

　　1.傳統(tǒng)PLC發(fā)展及應(yīng)用狀況

　　1.1 國(guó)際PLC發(fā)展應(yīng)用史

　　PLC，也稱為可編程邏輯控制器，是Richard E.Morley于1968年發(fā)明的自動(dòng)化設(shè)備。其核心設(shè)計(jì)思想是使用軟件編程代替硬連線繼電器控制來建程序控制系統(tǒng)。同年，通用汽車公司制定了PLC的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。自此PLC廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)領(lǐng)域。

　　20世紀(jì)70年代是PLC的崛起期。自羅克韋爾自動(dòng)化于1977年首次提出基于8位微處理器的PLC以來，許多制造商紛紛效仿并生產(chǎn)基于8位微處理器的PLC產(chǎn)品，如Intel8080和Zilog的Z80。

　　20世紀(jì)80年代，隨著微電子技術(shù)和微處理器技術(shù)的發(fā)展以及PC的應(yīng)用，PLC技術(shù)處于成熟階段。Athani設(shè)計(jì)了基于8位微處理器8085的PLC，它具有手動(dòng)編程器和CRT顯示終端，程序段可以顯示在CRT上。

　　20世紀(jì)90年代，隨著PLC國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC61131的正式頒布，PLC技術(shù)進(jìn)入了第三個(gè)發(fā)展時(shí)期。這時(shí)，在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上從傳統(tǒng)的單機(jī)到多處理器的發(fā)展，在控制系統(tǒng)配置上從獨(dú)立控制系統(tǒng)到分布式和遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的開發(fā)；在編程語(yǔ)言中，傾向于多樣化和相互轉(zhuǎn)化。除自動(dòng)化生產(chǎn)線以外，還開發(fā)了基于PLC的分布式控制系統(tǒng)（DCS）、監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（SCADA）、靈活多變制造系統(tǒng)（FMS）、安全聯(lián)鎖保護(hù)（ESD）系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)等，以提高PLC在各方面的應(yīng)用范圍和水平。

　　自20世紀(jì)90年代末以來，由于信息技術(shù)的飛速發(fā)展和用戶對(duì)開放性的強(qiáng)烈需求，在保留PLC功能的前提下，面向現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)，采用開放式通信接口。逐步打破每個(gè)PLC產(chǎn)品封閉狀態(tài)，采用相關(guān)的國(guó)際工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，使用戶開發(fā)的應(yīng)用可以移植到不同的PLC產(chǎn)品之間。

　　綜上所述，自PLC問世以來，它始終表現(xiàn)出強(qiáng)大的生命力和快速的增長(zhǎng)。目前，全球有200多家PLC制造商，以及數(shù)千種各類產(chǎn)品。

　　1.2 國(guó)內(nèi)PLC發(fā)展應(yīng)用史

　　在中國(guó)，自20世紀(jì)70年代以來，中國(guó)開始了PLC的研究和應(yīng)用。1974年，中國(guó)首次復(fù)制了在美國(guó)生產(chǎn)的第二代PLC。1977年，中國(guó)采用美國(guó)摩托羅拉公司的mc14500集成芯片，成功開發(fā)出第一臺(tái)在中國(guó)具有實(shí)用價(jià)值的PLC。1979年，從美國(guó)引進(jìn)MODICON584的PLC首先在電站的輔助設(shè)備成功應(yīng)用。

　　20世紀(jì)80年代初，在積極引進(jìn)國(guó)外PLC生產(chǎn)線的同時(shí)，國(guó)內(nèi)開發(fā)了一些自己的PLC產(chǎn)品，可靠性得到了極大提高，逐步得到用戶的認(rèn)可。

　　據(jù)了解，國(guó)內(nèi)PLC市場(chǎng)總需求較大，而國(guó)內(nèi)PLC占整個(gè)市場(chǎng)份額微乎其微，造成國(guó)內(nèi)PLC落后的原因一是技術(shù)問題，缺乏開放性；二是缺乏大量資金，沒有形成規(guī)模；三是制造工藝需要加強(qiáng)；四是亟需提升競(jìng)爭(zhēng)力，形成品牌。因此我們應(yīng)該集中資金和技術(shù)，開發(fā)自主產(chǎn)權(quán)的系列產(chǎn)品。特別是要抓住智能制造時(shí)代的機(jī)遇，充分利用軟件和硬件性能不斷提升的時(shí)代優(yōu)勢(shì)，開發(fā)面向大數(shù)據(jù)的專業(yè)化、高性能、智能的PLC。

　　2.智能制造時(shí)代，PLC發(fā)展應(yīng)用的新需求和新基礎(chǔ)

　　2.1 PLC發(fā)展的新需求

　　2.1.1 近年來 PLC的市場(chǎng)發(fā)展對(duì)PLC提出新要求

　　根據(jù)Frorst＆Sullivan發(fā)布的全球PLC市場(chǎng)報(bào)告，PLC市場(chǎng)在多個(gè)領(lǐng)域都在積極發(fā)展。據(jù)估計(jì)PLC的裝機(jī)容量目前為5200萬臺(tái)，其中微型PLC占相當(dāng)數(shù)量，預(yù)計(jì)到2019年將達(dá)到6500萬臺(tái)，其中大部分將被更換。在未來五年內(nèi)更換現(xiàn)有的PLC將是PLC市場(chǎng)增長(zhǎng)的重要因素。由于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的迅速普及以及云服務(wù)逐漸進(jìn)入工業(yè)市場(chǎng)，PLC需要直接與MES和ERP等上層管理軟件信息系統(tǒng)連接。PLC系統(tǒng)必須適應(yīng)硬件和軟件的智能制造需求［2］。作為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的一部分，PLC作為邊緣計(jì)算變得越來越重要。將PLC部署為靠近設(shè)備或流程的第一層計(jì)算功能可實(shí)現(xiàn)智能或協(xié)調(diào)的事件響應(yīng)，并有助于減少云的數(shù)據(jù)處理負(fù)擔(dān)。在具有數(shù)十個(gè)、數(shù)百個(gè)甚至數(shù)千個(gè)傳感器的系統(tǒng)中，來自這些傳感器的大部分?jǐn)?shù)據(jù)可能沒有多大價(jià)值，僅報(bào)告“正?！惫ぷ鳁l件。PLC可以過濾、丟棄或更有效地重新組裝數(shù)據(jù)，以便傳輸?shù)皆七M(jìn)行存儲(chǔ)和分析。當(dāng)發(fā)生關(guān)鍵事件時(shí)，PLC可以快速確定正確的響應(yīng)，向連接的設(shè)備發(fā)出適當(dāng)?shù)闹噶?，并在適合云使用的報(bào)告中匯總事件。

　　2.1.2　面向復(fù)雜控制的需求對(duì)PLC功能提出新要求

　　在機(jī)器控制領(lǐng)域，需要一些類似于過程控制領(lǐng)域的PID調(diào)整、工藝算法，要求PLC具有卓越的算法設(shè)計(jì)和處理能力；運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用更加廣泛，PLC需要滿足電子齒輪，電子凸輪和定位控制的要求，同時(shí)需要開發(fā)安全和設(shè)備安全要求的產(chǎn)品。為滿足機(jī)器人的復(fù)雜路徑規(guī)劃和矩陣變換，需要將CNC和機(jī)器人庫(kù)集成到PLC中。

　　2.1.3 大數(shù)據(jù)的需求對(duì)PLC功能提出新要求

　　越來越多的傳感器用于監(jiān)控環(huán)境、設(shè)備的健康狀態(tài)以及生產(chǎn)過程的各種參數(shù)，這些工業(yè)大數(shù)據(jù)的有效收集迫使PLC采用嵌入式PLC并盡可能地完成日益復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)，大大提高了無縫連接性，相關(guān)控制參數(shù)和設(shè)備狀態(tài)可以直接傳輸?shù)缴蠈酉到y(tǒng)和應(yīng)用軟件，甚至發(fā)送到云端。

　　2.2 PLC發(fā)展的新基礎(chǔ)

　　2.2.1 PLC硬件助力智能制造的要求

　　SoC芯片在主鐘頻率越來越高的同時(shí)而功耗卻顯著減小，為開發(fā)更小體積、更高I/O密度、更多功能的PLC奠定了基礎(chǔ)。多核SoC的發(fā)展，可以進(jìn)行高速的運(yùn)動(dòng)控制處理、視覺算法的處理等；而通信技術(shù)的進(jìn)展使得分布式I/O運(yùn)用越來越多，泛在的I/O運(yùn)用也有了起步。

　　2.2.2 PLC軟件助力智能制造的要求

　　為解決PLC控制系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)、編程、操作、管理使用不同的軟件，導(dǎo)致同一對(duì)象命名不一致的現(xiàn)象，PLCopenInternational致力于與許多國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織和基金會(huì)合作，開發(fā)IEC61131-3，OPC UA ClientFB，OPC UA ServerFB的信息模型，并建立了一個(gè)開放的標(biāo)準(zhǔn)生態(tài)系統(tǒng)。

　　2.2.3 IT技術(shù)助力智能制造的要求

　　隨著IT技術(shù)的發(fā)展，CPU處理能力、通信速度、存儲(chǔ)和擴(kuò)展能力，軟件功能塊（OPC），診斷和維護(hù)能力以及顯示能力都得到了極大提高，而IT技術(shù)的發(fā)展也帶來硬件成本不斷下降。

　　3.智能制造時(shí)代PLC發(fā)展新趨勢(shì)

　　3.1 性能指標(biāo)不斷增強(qiáng)

　　隨著IT技術(shù)的發(fā)展，PLC的性能指標(biāo)從速度轉(zhuǎn)向安全性、穩(wěn)定可靠性、通訊能力、運(yùn)動(dòng)控制能力、實(shí)時(shí)通信能力、數(shù)據(jù)處理能力、流程優(yōu)化能力、故障診斷能力更加綜合的指標(biāo)。

　　3.2 網(wǎng)絡(luò)支持能力不斷增強(qiáng)

　　隨著現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備智能化的提升和控制系統(tǒng)為保障可靠穩(wěn)定性和可用性的需要，網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力直接決定了系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工藝設(shè)備的控制水平。因此，PLC將從總線、以太網(wǎng)、實(shí)時(shí)以太網(wǎng)等方面進(jìn)行接口支持能力增強(qiáng)。以太網(wǎng)更高速度數(shù)據(jù)傳輸滿足了視頻數(shù)據(jù)、視覺識(shí)別、圖像處理等工業(yè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用。實(shí)時(shí)以太網(wǎng)滿足了對(duì)于機(jī)器人、CNC、運(yùn)動(dòng)控制和Safety高速同步控制方面的數(shù)據(jù)交換能力需求，其數(shù)據(jù)刷新速度在μs級(jí)，同步精度在0.1μs。

　　3.3 軟件支持能力不斷增強(qiáng)

　　為完成智能控制，軟件開發(fā)平臺(tái)必須具備支持復(fù)雜算法的高級(jí)語(yǔ)言。高端PLC使用RTOS可以改進(jìn)實(shí)時(shí)處理并支持多任務(wù)處理。為了實(shí)現(xiàn)邏輯和運(yùn)動(dòng)控制的統(tǒng)一編程和安全性，PLCopen對(duì)程序接口和自定義庫(kù)的支持進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。

　　3.4 安全技術(shù)不斷增強(qiáng)

　　“一網(wǎng)到底”整個(gè)網(wǎng)被連通了以后，現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)工藝設(shè)備和上面的管理軟件甚至云端連在一起以后，對(duì)信息安全的保障要求更高，因此必須遵循IEC61508標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，加強(qiáng)SafetyPLC研究和總線安全研究。

　　3.5 軟件平臺(tái)集成度不斷增強(qiáng)

　　集成平臺(tái)代表的是整體方案提供能力，通過基礎(chǔ)PLC技術(shù)、HMI技術(shù)、Motion技術(shù)、傳感器技術(shù)、總線技術(shù)的集成，提供包括編程、仿真、測(cè)試、維護(hù)、診斷等功能全產(chǎn)品生命周期PLC的服務(wù)能力，為客戶提供價(jià)值。

　　3.6 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)不斷增強(qiáng)

　　IEC / PLCopen組織集成了PLCopenLogic、XML、Safety、Motion、Hydraulic、IEC61131-3等標(biāo)準(zhǔn)，可以輕松開發(fā)基于這些庫(kù)的軟件應(yīng)用程序。通用標(biāo)準(zhǔn)Unicode可以滿足系統(tǒng)的多語(yǔ)言支持庫(kù)，確保PLC產(chǎn)品可以支持世界各地的各種語(yǔ)言，使產(chǎn)品能夠在全球范圍內(nèi)銷售。為了能夠與上層SCADA和管理層的ERP系統(tǒng)連接，微軟和其他自動(dòng)化制造商聯(lián)合開發(fā)了用于不同PLC連接的OPC服務(wù)器，以確保與管理系統(tǒng)的連接［5］。

　　3.7 信息處理能力不斷增強(qiáng)

　　在智能制造系統(tǒng)中，PLC不僅是控制器，還有收集器和中繼器。只有使用面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)（SOA）的功能，PLC才能完成這些重要的任務(wù)。SOAPLC實(shí)際上將支持信息安全的虛擬專用網(wǎng)絡(luò)（VPN）的Web服務(wù)放入PLC中。該服務(wù)權(quán)執(zhí)行面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)通信，包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)、警報(bào)數(shù)據(jù)和其他服務(wù)。通過這些服務(wù)，PLC將相應(yīng)的大量數(shù)據(jù)連接到上級(jí)服務(wù)和數(shù)據(jù)層，以便建模和使用信息模型。允許PLC集成OPC UA的服務(wù)器功能和OPCUA的客戶端功能，確保PLC可以通過VPN執(zhí)行安全的數(shù)據(jù)通信。

　　3.8 用戶體驗(yàn)性能不斷增強(qiáng)

　　將來，所有設(shè)備都將智能開發(fā)、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和現(xiàn)場(chǎng)儀表通過以太網(wǎng)直接連接到控制系統(tǒng)。監(jiān)控系統(tǒng)的屏幕將變得非常大，但設(shè)備應(yīng)盡可能小，以提高舒適度，從而提高效率。這需要解決EMC干擾、解決散熱問題、解決電路布局問題，以及在更小的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)大的控制器。

　　3.9 專業(yè)品質(zhì)能力不斷增強(qiáng)

　　為了降低系統(tǒng)的生產(chǎn)和制造成本，PLC產(chǎn)品不斷向模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)邁進(jìn)。由于硬件的泛化和標(biāo)準(zhǔn)化降低了系統(tǒng)的成本，并且為了尋求差異化的競(jìng)爭(zhēng)力，高端PLC將更多地關(guān)注軟件功能和行業(yè)應(yīng)用程序庫(kù)的開發(fā)，而更細(xì)分的市場(chǎng)使得應(yīng)用程序的差異化成為具有競(jìng)爭(zhēng)力的武器。
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