PLC基礎(chǔ)編程軟件的四種形態(tài)解析

PLC和DCS、SCADA并列為工業(yè)控制領(lǐng)域的三大支柱。為擺脫基本依賴進(jìn)口的局面，改革開(kāi)放以來(lái)，國(guó)內(nèi)許多企業(yè)、高校和研究單位前赴后繼，投入了這三大系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)研制。比較而言，最有成效的應(yīng)該是DCS，以中控、和利時(shí)等為代表的科技企業(yè)引領(lǐng)了我國(guó)DCS技術(shù)和市場(chǎng)應(yīng)用的方向，占領(lǐng)了相當(dāng)部分的市場(chǎng)份額。盡管芯片等基礎(chǔ)元器件還不得不部分依賴進(jìn)口，但在軟件方面已經(jīng)立足于自行開(kāi)發(fā)，積累了相當(dāng)?shù)慕?jīng)驗(yàn)和訣竅。SCADA也有像亞控這樣的企業(yè)持續(xù)深耕，積累了相當(dāng)多的客戶，技術(shù)上也形成了一些特色，正在向融合性平臺(tái)方面發(fā)展。那么，PLC的狀況如何，是不是很樂(lè)觀呢？本文試圖在這一方面進(jìn)行探討，可能掛一漏萬(wàn)，誠(chéng)懇地希望各位讀者指正和補(bǔ)充。

總的來(lái)說(shuō)，這些年來(lái)我國(guó)PLC的技術(shù)也有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，在硬件和軟件兩個(gè)方向已經(jīng)很少看到仿造的痕跡，獨(dú)立開(kāi)發(fā)、自行設(shè)計(jì)已經(jīng)成為主流。特別是近幾年，龍芯致力于***在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用開(kāi)發(fā)，幫助一些企業(yè)走出了PLC系統(tǒng)獨(dú)立發(fā)展的新路；再加上眾多的PLC中小型企業(yè)鍥而不舍地辛勤耕耘，在硬件和軟件方面都呈現(xiàn)了若干亮點(diǎn)。目前國(guó)產(chǎn)的PLC在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的份額可能還沒(méi)有突破10%，但從發(fā)展的趨勢(shì)來(lái)說(shuō)完全可能加速。

PLC基礎(chǔ)軟件在我國(guó)發(fā)展的多元化展現(xiàn)

當(dāng)上世紀(jì)80年代PLC進(jìn)入我國(guó)的時(shí)候，PLC編程語(yǔ)言的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC 61131-3（那時(shí)被命名為IEC 1131-3）尚處于開(kāi)發(fā)起步的階段。在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)活躍的是隨成套火力發(fā)電裝備引進(jìn)而來(lái)的美國(guó)MODICON的中大型PLC，還有就是日本三菱電機(jī)、OMRON、富士電機(jī)等廠家的小型PLC。當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)缺乏這方面的開(kāi)發(fā)人員，軟件基本上照抄照搬。到了1993年正式頒布了PLC編程語(yǔ)言國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)之后，國(guó)際上陸續(xù)出現(xiàn)了基于IEC 61131-3標(biāo)準(zhǔn)的商品化的編程軟件平臺(tái)，并在大約2000年前后進(jìn)入了國(guó)內(nèi)的工控市場(chǎng)。國(guó)內(nèi)企業(yè)經(jīng)過(guò)幾年的熟悉和應(yīng)用，摸到了一些門道，于是在引進(jìn)的基礎(chǔ)上開(kāi)始尋找自主開(kāi)發(fā)的方法。又過(guò)了十幾二十年，國(guó)內(nèi)終于形成了目前的相當(dāng)斑斕的局面和多元化的特色。這一條路走得有點(diǎn)長(zhǎng)，一個(gè)重要原因是這類應(yīng)用場(chǎng)景相對(duì)專一的技術(shù)難入國(guó)家科學(xué)技術(shù)發(fā)展規(guī)劃的法眼，都是根據(jù)市場(chǎng)的發(fā)展和需求，各個(gè)有志于此的單位和人員在自行摸索和投入。

目前在PLC基礎(chǔ)編程軟件方面，呈現(xiàn)在我們面前的大約可以概括為4種形態(tài)：

1. 從自行開(kāi)發(fā)的基于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的PLC內(nèi)核發(fā)展為綜合集成的開(kāi)發(fā)環(huán)境IDE，但并非把商品化作為目標(biāo)，只為自身的控制系統(tǒng)服務(wù)，或?yàn)槎ㄖ苹目刂葡到y(tǒng)服務(wù)。這種形態(tài)的典型例子是杭州電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院嚴(yán)義團(tuán)隊(duì)的CAS S系統(tǒng)，還有和利時(shí)、中控、杭州優(yōu)穩(wěn)等，以服務(wù)自身的DCS產(chǎn)品為主。

2. 也是從自行開(kāi)發(fā)的基于國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的PLC內(nèi)核發(fā)展為綜合集成的開(kāi)發(fā)環(huán)境IDE，主要特色是已經(jīng)產(chǎn)品化，可以為社會(huì)上任何有需求的單位提供商品化的軟件套件。以有15年IEC 61131-3可編程系統(tǒng)研發(fā)經(jīng)驗(yàn)的團(tuán)隊(duì)為基礎(chǔ)的北京奧特斯技術(shù)是目前國(guó)內(nèi)此類商品化平臺(tái)最具代表性的公司。

3. 與國(guó)外的公司合作，在他們的PLC內(nèi)核基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)適合于國(guó)內(nèi)工控市場(chǎng)需求的的綜合開(kāi)發(fā)環(huán)境，包括為國(guó)產(chǎn)化嵌入式芯片提供完整的軟件環(huán)境和開(kāi)發(fā)路徑。典型的例子是上海翌控科技。

4. 完全立足于自行開(kāi)發(fā)并運(yùn)用IT業(yè)界最新技術(shù)所形成的軟件平臺(tái)。其特點(diǎn)是既能滿足傳統(tǒng)PLC編程的各種要求，又能適應(yīng)現(xiàn)代PLC運(yùn)用于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境的要求，以及方便地將人工智能引入。浙江清捷智能科技正在沿著這個(gè)方向做開(kāi)創(chuàng)性的工作，而且已經(jīng)取得了很好的成效。

如果從前瞻性和執(zhí)行力來(lái)評(píng)價(jià)一個(gè)科技機(jī)構(gòu)的發(fā)展?fàn)顩r，這四個(gè)典型可以說(shuō)各有專注，呈現(xiàn)出服務(wù)對(duì)象的差異化和技術(shù)特色的差異化?；究梢詽M足當(dāng)下國(guó)內(nèi)PLC市場(chǎng)對(duì)軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)不同的需求，又在數(shù)字化轉(zhuǎn)型時(shí)代具有不同的發(fā)展前景和方向，對(duì)今后PLC系統(tǒng)運(yùn)用AI服務(wù)所必須的數(shù)據(jù)治理，如何方便采用開(kāi)源的AI基礎(chǔ)算法庫(kù)等都有合適的解決路徑和實(shí)現(xiàn)方案。

杭州電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院嚴(yán)義教授、鄔惠峰教授團(tuán)隊(duì)是一支自主開(kāi)發(fā)IEC 61131-3編程系統(tǒng)平臺(tái)的有生力量。他們的IDE開(kāi)發(fā)環(huán)境CASS，配備了邏輯控制、順序控制、過(guò)程控制、機(jī)械安全控制、多軸協(xié)調(diào)的運(yùn)動(dòng)控制、視覺(jué)檢測(cè)和控制、現(xiàn)場(chǎng)總線和工業(yè)以太網(wǎng)通信等綜合功能，還創(chuàng)造性地將裝備數(shù)據(jù)庫(kù)的概念和實(shí)現(xiàn)引入PLC系統(tǒng)，智能裝備的運(yùn)行數(shù)據(jù)都可以以規(guī)定的數(shù)據(jù)格式實(shí)時(shí)輸入的時(shí)序數(shù)據(jù)庫(kù)，為人工智能、視覺(jué)等算法所用。其編程功能在2017年獲得PLCopen國(guó)際組織的認(rèn)證（見(jiàn)圖1）。CASS平臺(tái)具有寬泛的適應(yīng)性，功能配置和裁剪自如，既可為復(fù)雜的智能裝備提供應(yīng)用軟件集成開(kāi)發(fā)、調(diào)試和運(yùn)行維護(hù)，也可為國(guó)內(nèi)外各種型號(hào)的MCU提供嵌入式PLC系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境。它們提供的系統(tǒng)已在工業(yè)機(jī)器人、數(shù)控繞線機(jī)、數(shù)控彈簧機(jī)、全電動(dòng)注塑機(jī)、木材加工生產(chǎn)線、定制嵌入式PLC等獲得廣泛應(yīng)用。

北京奧特思技術(shù)有限公司提供國(guó)產(chǎn)化IEC61131-3可編程系統(tǒng)AnyControl。該軟件產(chǎn)品適用于PLC、DCS、運(yùn)動(dòng)控制器、機(jī)器人控制器、邊緣控制器、工控機(jī)、人機(jī)界面等，為用戶提供先進(jìn)的邏輯控制、運(yùn)動(dòng)控制和現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議轉(zhuǎn)換的自動(dòng)化軟件解決方案。公司對(duì)標(biāo)全球先進(jìn)的IEC61131-3可編程系統(tǒng)提供商，填補(bǔ)了中國(guó)自動(dòng)化控制底層核心技術(shù)的空白，為廣大用戶提供自主可控且標(biāo)準(zhǔn)化程度高、易用性好的產(chǎn)品及服務(wù)。公司產(chǎn)品和服務(wù)具有以下特點(diǎn)：自主開(kāi)發(fā)安全可控（系統(tǒng)基于開(kāi)源工具鏈自主開(kāi)發(fā)，不包含第三方不可控組件）；適配國(guó)產(chǎn)生態(tài)環(huán)境（可以運(yùn)行于并不限于國(guó)產(chǎn)操作系統(tǒng)和國(guó)產(chǎn)處理器芯片）；支持的指令平臺(tái)有：X86/64、ARMv7 Cortex-M/A 、ARMv8 Cortex-A 、龍芯（MIPS和LoongArch） 。支持處理器多核任務(wù)分配，支持基于優(yōu)先級(jí)的多任務(wù)調(diào)度；系統(tǒng)支持IEC61131-3規(guī)范的五種編程語(yǔ)言LD、FBD、ST、SFC和IL，并支持高級(jí)語(yǔ)言程序擴(kuò)展，用戶可編寫C/C++代碼集成到運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)；采用執(zhí)行效率高的編譯型（非解釋運(yùn)行）技術(shù)，將用戶邏輯直接編譯成可執(zhí)行的機(jī)器碼；支持主流的現(xiàn)場(chǎng)總線和OPC UA協(xié)議，并可根據(jù)用戶需求快速增加總線協(xié)議；集成運(yùn)動(dòng)控制功能，支持PLCopen運(yùn)動(dòng)控制規(guī)范；程序調(diào)試手段豐富，提供多種程序調(diào)試方法，包括斷點(diǎn)調(diào)試、調(diào)用棧、交叉引用、變量讀寫、強(qiáng)制、監(jiān)視列表、趨勢(shì)圖等。

典型應(yīng)用案例有：中科院自動(dòng)化研究所 機(jī)器人控制器；某核電集團(tuán) 核電DCS控制系統(tǒng)；某電網(wǎng)集團(tuán) 風(fēng)電PLC和通用PLC；中國(guó)華電集團(tuán) 風(fēng)電PLC和水電PLC；南京科唯信關(guān)鍵行業(yè)控制系統(tǒng)；深圳雷賽 PLC和運(yùn)動(dòng)控制器；儀綜所 邊緣控制網(wǎng)關(guān)；中國(guó)移動(dòng)研究院 邊緣控制網(wǎng)關(guān)；上海商飛網(wǎng)關(guān)控制一體機(jī)；四川某自動(dòng)化公司 通用PLC ；某航天自動(dòng)化 通用PLC。

上海翌控科技有限公司專注于IEC61131-3 標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)控制系統(tǒng)軟件解決方案，為國(guó)內(nèi)研發(fā)PLC控制器公司提供核心軟件平臺(tái)，其中包括：IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)發(fā)環(huán)境、運(yùn)行系統(tǒng)、主流現(xiàn)場(chǎng)總線等技術(shù)。采用高效的編譯型技術(shù)以及組件化輕量級(jí)內(nèi)核設(shè)計(jì)，對(duì)8/16/32位資源受限單片機(jī)或者Cortex-A以及x86平臺(tái)均有較好支持。通過(guò)組件化開(kāi)放式SDK接口，客戶可集成任意C/C++組件至運(yùn)行系統(tǒng)中（通訊協(xié)議、現(xiàn)場(chǎng)總線、專業(yè)算法函數(shù)與功能塊等）。同時(shí)IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)發(fā)環(huán)境可以支持基于HTML/C++/C#技術(shù)的擴(kuò)展開(kāi)發(fā)、品牌定制。

翌控科技核心團(tuán)隊(duì)具備十多年行業(yè)經(jīng)驗(yàn)，在IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)的控制器研發(fā)上具有較深入的理解，并堅(jiān)定本土化研發(fā)理念，圍繞研發(fā)IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)的控制系統(tǒng)可提供從處理器芯片選型、基礎(chǔ)驅(qū)動(dòng)優(yōu)化、操作系統(tǒng)選型、嵌入式中間件、控制器運(yùn)行系統(tǒng)集成，以及IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)的開(kāi)發(fā)環(huán)境二次開(kāi)發(fā)OEM定制等相關(guān)服務(wù)；同時(shí)攻克了多個(gè)關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)，如操作系統(tǒng)實(shí)時(shí)性優(yōu)化，Linux平臺(tái)EtherCAT驅(qū)動(dòng)瓶頸優(yōu)化等，其提供的基礎(chǔ)平臺(tái)協(xié)助客戶產(chǎn)品達(dá)到全球領(lǐng)先級(jí)別。

翌控科技還進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的工業(yè)控制器核心操作系統(tǒng)NXTOS、背板總線通訊協(xié)議、下一代工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)總線協(xié)議以及IEC61131-3開(kāi)發(fā)環(huán)境組件研發(fā)（見(jiàn)圖2、圖3）。NXTOS操作系統(tǒng)與國(guó)內(nèi)外優(yōu)秀的處理器以及核心模組伙伴進(jìn)行深度合作，從控制器硬件源頭入手，挑選適合用戶場(chǎng)景的處理器，把控控制器外圍硬件電路的設(shè)計(jì)與穩(wěn)定可靠的BOM選型，并對(duì)設(shè)備驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，更適合工業(yè)控制系統(tǒng)需求。此外還可提供面向不同場(chǎng)景需求的NXTOS硬件參考設(shè)計(jì)。面向工業(yè)自動(dòng)化市場(chǎng)，NXTOS提供差異化的技術(shù)實(shí)現(xiàn)，例如，NXTOS N1系列采用基于Cortex-M4處理器單芯片方案，除了支持IEC61131-3編程外，可以支持全功能EtherCAT主站，運(yùn)行在獨(dú)立控制器模式可支持9個(gè)從站，而運(yùn)行在協(xié)處理器模式下則可支持16個(gè)從站，最小EtherCAT周期可穩(wěn)定運(yùn)行在500μs，同時(shí)可切換為支持PROFINET IO Device固件版本支持RT級(jí)別的通訊，最小通訊周期可達(dá)1ms。NXTOS N2系列平臺(tái)則基于Cortex-M7處理器，可同時(shí)穩(wěn)定支持PROFINET IO Device與EtherCAT主站同時(shí)運(yùn)行，且以1ms的通訊周期運(yùn)行，支持的EtherCAT從站個(gè)數(shù)則增加到36個(gè)。而NXTOS P系列采用x86架構(gòu)則可實(shí)現(xiàn)125μs周期的EtherCAT通訊以及支持高達(dá)256個(gè)EtherCAT從站。未來(lái)NXTOS會(huì)推出數(shù)字化與IEC61131-3深度融合的技術(shù)解決方案。

圖2 翌控科技開(kāi)發(fā)的工業(yè)操作系統(tǒng)NXTOS特別適合工業(yè)邊緣控制計(jì)算

圖3 翌控科技支持的基礎(chǔ)硬件平臺(tái)

位于寧波的浙江清捷智能（Tsing-Jet）科技有限公司是一家初創(chuàng)公司，其開(kāi)發(fā)的新一代開(kāi)放式工業(yè)控制平臺(tái)解決方案WasomePLC，目標(biāo)是定義新一代工業(yè)PLC軟件平臺(tái)。該平臺(tái)以CODESYS為標(biāo)桿，提供技術(shù)更先進(jìn)的PLC軟件平臺(tái)與在線服務(wù)，希望構(gòu)建由中國(guó)廠商主導(dǎo)的PLC上“安卓”平臺(tái)。這一自主可控的國(guó)產(chǎn)軟件產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的戰(zhàn)術(shù)優(yōu)勢(shì)在于運(yùn)用超越業(yè)界最高水準(zhǔn)的PLC核心技術(shù)；而戰(zhàn)略優(yōu)勢(shì)在于擁抱云、人工智能和5G，并具有開(kāi)放生態(tài)。 主要特點(diǎn)是：1. 采用更先進(jìn)的核心技術(shù)。用WebAssembly標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)作為PLC/CNC引擎，支持更多的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言生態(tài)（IEC61131-3， C/C++， Rust， TypeScript.。），提供更好的運(yùn)行性能、隔離性、安全性和可靠性。2. 開(kāi)放的軟件生態(tài)。使用跨平臺(tái)技術(shù)，支持開(kāi)放應(yīng)用生態(tài)與應(yīng)用商店， 促進(jìn)控制算法市場(chǎng)化。3. 云定義控制，即云開(kāi)發(fā)、云控制、云連接、云管理、云運(yùn)維、云數(shù)據(jù)；兼顧本地和云端兩種模式閉環(huán)工作。 4. 開(kāi)放邊緣計(jì)算平臺(tái)，實(shí)時(shí)Linux，實(shí)時(shí)虛擬化容器（Docker）與微容器（ Wasm ） 。5. 分布式現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)，優(yōu)先使能5G。6. 人工智能的深度支持。7. 基于Web的IDE技術(shù)，更好的開(kāi)發(fā)體驗(yàn)；Web可視化應(yīng)用。

用WebAssembly標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)作為PLC/CNC/機(jī)器人控制的引擎，構(gòu)建開(kāi)放的應(yīng)用生態(tài)（見(jiàn)圖4 ）。 進(jìn)入 PLC開(kāi)放生態(tài)工具鏈的途徑有如下多種：由PLC的基本庫(kù)進(jìn)入；運(yùn)用IEC 61131-3編程語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的程序，通過(guò)PLC語(yǔ)言WebAssembly編譯器進(jìn)入；用C/C++， Rust， TypeScript編寫的應(yīng)用程序，經(jīng)過(guò)前端語(yǔ)言WebAssembly編譯器進(jìn)入； 由采用WebAssembly語(yǔ)言編寫的第三方算法庫(kù)（包括運(yùn)動(dòng)控制算法庫(kù)、運(yùn)動(dòng)軌跡算法庫(kù)等 ）進(jìn)入。針對(duì)具體項(xiàng)目的要求選擇的應(yīng)用程序被PLC/CNC安裝包安裝到目標(biāo)設(shè)備中的 PLC/CNC管理器，形成PLC/CNC等的運(yùn)行時(shí)程序。特別強(qiáng)調(diào)的是，作為W3C定義的標(biāo)準(zhǔn)格式，用WebAssembly語(yǔ)言寫的同一份二進(jìn)制代碼文件可下載運(yùn)行于任意硬件系統(tǒng)。也就是說(shuō)開(kāi)發(fā)者只要發(fā)布一份PLC/CNC的應(yīng)用庫(kù)，原則上可以運(yùn)行于任意PLC的環(huán)境中。這無(wú)疑大大方便了PLC/CNC應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，使終端用戶可以自行選擇最符合自己要求和偏愛(ài)的硬件系統(tǒng)，體現(xiàn)了開(kāi)放自動(dòng)化的精髓。

WasomePLC提供了工業(yè)界先進(jìn)的編譯器和工具鏈，將IEC61131-3及C/C++、Rust等多種語(yǔ)言程序均編譯至WebAssembly字節(jié)碼模塊，并設(shè)計(jì)了開(kāi)放的二進(jìn)制接口（ABI）鏈接不同語(yǔ)言生成模塊，從而支持使用者在開(kāi)發(fā)中對(duì)多種語(yǔ)言源碼交叉混合調(diào)試，這樣先進(jìn)的開(kāi)發(fā)環(huán)境在業(yè)界尚首次所見(jiàn)。

圖4 用WebAssebly構(gòu)建開(kāi)放的應(yīng)用生態(tài)

云開(kāi)發(fā)是一個(gè)快速增長(zhǎng)的開(kāi)發(fā)模式。WasomePLC基于Web技術(shù)構(gòu)建IDE，天然支持云開(kāi)發(fā)模式，開(kāi)發(fā)者使用瀏覽器從任何地方登錄即可使用，在云端完成應(yīng)用開(kāi)發(fā)、仿真和調(diào)試后，即可向目標(biāo)設(shè)備進(jìn)行云端連線部署，或下載后離線部署。遠(yuǎn)程開(kāi)發(fā)調(diào)試能力極大減輕運(yùn)維成本。平臺(tái)基于云邊協(xié)同的全新PLC/CNC分發(fā)、部署方式表現(xiàn)為在提供全新的云化的部署、開(kāi)發(fā)和維護(hù)模式的同時(shí)，兼容傳統(tǒng)單機(jī)PLC部署模式（見(jiàn)圖5 ）。在邊緣平臺(tái)（邊緣服務(wù)器）控制的核心解決方案除應(yīng)用WebAssembly的微容器技術(shù)支持PLC應(yīng)用的瞬時(shí)調(diào)度與啟動(dòng)之外（微容器技術(shù)的應(yīng)用可使二進(jìn)制文件的大小以指數(shù)級(jí)減少，可達(dá)到100μs以內(nèi)的冷啟動(dòng)速度）；還可通過(guò)云邊緣雙實(shí)例熱備份，再加上邊緣網(wǎng)關(guān)熱備份，來(lái)實(shí)現(xiàn)云邊緣三實(shí)例熱切換；以及深度支持英特爾的ECI先進(jìn)軟件平臺(tái)，可使用英特爾的實(shí)時(shí)虛擬化技術(shù)，降低因虛擬化而導(dǎo)致的I/O和網(wǎng)絡(luò)延遲。通過(guò)EtherCAT等現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，所有的PLC應(yīng)用都可運(yùn)行于邊緣服務(wù)器，并通過(guò)邊緣服務(wù)器與工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、PLC、CNC云平臺(tái)相連。

圖5 WasomePLC平臺(tái)基于云邊協(xié)同的全新PLC/CNC分發(fā)、部署方式

現(xiàn)代PLC需要具備人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)的能力，即需要支持 PLC的應(yīng)用程序中集成人工智能的算法，獨(dú)立完成人工智能的應(yīng)用。WasomePLC平臺(tái)深度集成人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)（見(jiàn)圖6），其Webassembly引擎通過(guò)共性的算法支持和更好地利用硬件的加速能力，完成人工智能算法的集成以及應(yīng)用訪問(wèn)，支持AI算法模型的動(dòng)態(tài)更新。第三方人工智能算法庫(kù)可直接編譯后集成到PLC應(yīng)用程序中，或者把C/C++源碼的人工智能庫(kù)中的算法集成到運(yùn)行引擎中去。如英特爾的深度學(xué)習(xí)推理工具套件openVINO，Tensorflow開(kāi)源機(jī)器學(xué)習(xí)資源庫(kù)，XNNPack高度優(yōu)化的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)解決方案（接口可以是ARM、x86、RISC-V）。

圖6 WasomePLC平臺(tái)可深度集成人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)

國(guó)產(chǎn)自主高端PLC系統(tǒng)發(fā)展概況

長(zhǎng)期以來(lái)國(guó)內(nèi)PLC的市場(chǎng)被進(jìn)口產(chǎn)品占領(lǐng)，國(guó)產(chǎn)份額不到10%，特別是配備運(yùn)動(dòng)控制功能的高端PLC進(jìn)口份額高達(dá)95%以上。近些年來(lái)國(guó)產(chǎn)PLC有所發(fā)展，低端、小型PLC國(guó)產(chǎn)化率逐年在提高，但高端可編程控制器及其綜合開(kāi)發(fā)軟件平臺(tái)往往還依賴進(jìn)口，高端自主可控的PLC產(chǎn)品少，發(fā)展更缺少生態(tài)。這幾年來(lái)這種狀況正在改變，支撐PLC等工業(yè)控制系統(tǒng)的核心技術(shù)包括芯片、操作系統(tǒng)、應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境和控制器等，都在不斷取得進(jìn)展和突破。

以往從芯片、操作系統(tǒng)再到應(yīng)用，IT領(lǐng)域已經(jīng)形成了Wintel（Windows+Intel）和AA（ARM+Androids）兩大生態(tài)?；趥鹘y(tǒng)指令集的全封閉結(jié)構(gòu)的PLC在工控市場(chǎng)中占據(jù)主流。即使是國(guó)內(nèi)開(kāi)發(fā)的工業(yè)控制系統(tǒng)，也基本采用進(jìn)口的芯片。經(jīng)過(guò)三年的聯(lián)合攻關(guān)和深度嵌合，2022年11月深圳華龍訊達(dá)和龍芯中科成功推出了以JIC PLC命名的完全自主的高速高端的大中型工業(yè)控制系統(tǒng)，采用龍芯100%自研LoongArch指令集和基礎(chǔ)操作系統(tǒng)，龍芯3A5000芯片，其程序執(zhí)行掃描時(shí)間低于1ms，非常適合于高速高生產(chǎn)節(jié)拍場(chǎng)景的應(yīng)用。這一成果的取得得益于龍芯開(kāi)放了底層的芯片指令集，而華龍迅達(dá)則將其融合在高速高動(dòng)態(tài)響應(yīng)的各種工業(yè)場(chǎng)景中。在國(guó)內(nèi)這種開(kāi)放指令集的動(dòng)作，對(duì)于在行業(yè)占主導(dǎo)地位的Intel或者ARM來(lái)說(shuō)是根本不可能的。而現(xiàn)在有了芯片、控制器和用戶的三方信任和聯(lián)動(dòng)，控制器開(kāi)發(fā)的進(jìn)展速度就很快。作者曾在上海家中通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)觀察到安裝在云南玉溪煙廠現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的JIC PLC，并可以遠(yuǎn)程改變伺服電機(jī)的運(yùn)行參數(shù)。 華龍訊達(dá)的自動(dòng)化平臺(tái)將各種工業(yè)軟件系統(tǒng)（包括控制軟件、數(shù)字孿生、標(biāo)識(shí)解析等）進(jìn)行原生的融合，例如在底層，龍芯指令集與華龍訊達(dá)工業(yè)控制系統(tǒng)指令集進(jìn)行了融合與匯編?；诖?，在控制器進(jìn)行編譯時(shí)，才可以實(shí)現(xiàn)原生的HMI和SCADA，實(shí)現(xiàn)各個(gè)機(jī)臺(tái)之間無(wú)差別的交互操作。按照他們的理念，工業(yè)控制才是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的核心能力。而工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的實(shí)施往往費(fèi)時(shí)費(fèi)力，難點(diǎn)在于OT與IT的融合，在于如何將控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)與其他源數(shù)據(jù)進(jìn)行同步分析與處理。芯片級(jí)的指令交互，是整個(gè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)大廈的根基。新的工業(yè)自動(dòng)化平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)平臺(tái)級(jí)的編譯，實(shí)現(xiàn)每個(gè)傳感器、每個(gè)工位，以及每個(gè)設(shè)備、生產(chǎn)線、車間、工廠的真正連接。通過(guò)平臺(tái)，向上可以與ERP、MES、物流、WMS等整個(gè)信息系統(tǒng)共享數(shù)據(jù)，向下可以和機(jī)器數(shù)據(jù)共享。這些只有在華龍訊達(dá)和龍芯的通力合作下才能實(shí)現(xiàn)，成為控制系統(tǒng)上通企業(yè)管理、下通現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的全棧式連通（見(jiàn)圖7）。

深圳市矩控新辰科技公司是一家有著十幾年P(guān)LC整機(jī)制造生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)的創(chuàng)新企業(yè)。最近幾年來(lái)圍繞工業(yè)邊緣計(jì)算和控制推出了邊緣智能可編程控制器、邊緣智能I/O、邊緣智能工作站、邊緣服務(wù)器和邊緣智能軟件平臺(tái)，為云-邊-端架構(gòu)下的智能制造提供了成套解決方案，包括數(shù)字化矩陣式工作島群、邊緣計(jì)算數(shù)據(jù)中心、智能倉(cāng)儲(chǔ)和物流調(diào)度、邊緣計(jì)算分析等已經(jīng)應(yīng)用于芯片制造、節(jié)能玻璃智能工廠，新能源汽車的焊接、沖壓、涂裝和總裝等車間，還有電子制造、機(jī)械裝備和能源等行業(yè)的邊緣智能系統(tǒng)。

智能制造完整的解決方案是由以下各系統(tǒng)構(gòu)建。邊緣智能可編程控制器是一類近年出現(xiàn)的PLC新品種，便于在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)部署實(shí)時(shí)控制、網(wǎng)絡(luò)通訊、實(shí)時(shí)/非實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)處理計(jì)算及存儲(chǔ)等功能，將這些功能融合為一體，不但能夠滿足工業(yè)實(shí)時(shí)控制的需求，同時(shí)也能提供智能邊緣服務(wù)并與云端協(xié)同工作，滿足制造業(yè)對(duì)設(shè)備互聯(lián)互通、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理及業(yè)務(wù)分析、設(shè)備安全運(yùn)營(yíng)維護(hù)等方面的關(guān)鍵需求，協(xié)助制造業(yè)突破數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化的瓶頸，有助于工業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型升級(jí)。邊緣智能I/O是一種實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)I/O系統(tǒng)，高達(dá)100μs響應(yīng)時(shí)間，采用模塊化設(shè)計(jì)和高密度集成，便于靈活配置。 數(shù)字化矩陣式工作島群是一種智能邊緣計(jì)算工作站，集成了邏輯控制、運(yùn)動(dòng)控制、機(jī)器視覺(jué)、機(jī)器人控制、數(shù)據(jù)處理和傳輸功能；作為智能化制造單元的邊緣智能工作站主要用于運(yùn)營(yíng)分析和預(yù)測(cè)維護(hù)，便利高端裝備智能控制、設(shè)備健康管理、產(chǎn)線級(jí)的人機(jī)交互等應(yīng)用。 邊緣智能服務(wù)器內(nèi)預(yù)裝Matrix Factory邊緣計(jì)算系統(tǒng)，可快速部署于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的邊緣智能數(shù)據(jù)中心；能夠適應(yīng)嚴(yán)苛的工業(yè)環(huán)境，滿足車間級(jí)的海量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集解析、存儲(chǔ)、分析、建模等需求；可為客戶提供模塊化、個(gè)性化、可擴(kuò)展的IT/OT融合的軟硬件平臺(tái)。邊緣智能軟件平臺(tái)是本公司開(kāi)發(fā)的工廠設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)管理的專用軟件平臺(tái)——Matrix Factory邊緣智能軟件平臺(tái)，適合在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)邊緣層的應(yīng)用，其中包含工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)箱即用的核心基礎(chǔ)功能，具備多源實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)接入、多維數(shù)據(jù)呈現(xiàn)、設(shè)備仿真與調(diào)試、數(shù)據(jù)管理優(yōu)化。以上的各種系統(tǒng)和部件構(gòu)成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的智能工廠架構(gòu)，在很大程度上為實(shí)現(xiàn)OT與IT互操作提供了便利，為處于邊緣層的工作島群OT和處于信息層IT管理提供了統(tǒng)一的、標(biāo)準(zhǔn)化的數(shù)據(jù)接口。所產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)在傳輸?shù)叫畔又?，已?jīng)在被所部署邊緣計(jì)算控制系統(tǒng)完成了數(shù)據(jù)清洗、壓縮、格式化、標(biāo)注、加密等處理，使海量的生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)可以方便的與處在同一邊緣層的其它系統(tǒng)進(jìn)行集成。

圖8 矩控新辰提供的工業(yè)邊緣計(jì)算控制的各種系統(tǒng)和部件

基于IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)的Matrix Logic是MatriBOX系列邊緣智能控制器的編程和綜合開(kāi)發(fā)平臺(tái)。支持五種編程語(yǔ)言（指令表、功能塊圖、梯形圖、結(jié)構(gòu)化文本、順序功能圖），以及支持C/C++高級(jí)語(yǔ)言編程。結(jié)構(gòu)先進(jìn)、易于掌握。配備豐富的功能庫(kù)文件，供編程直接調(diào)用。集成了人機(jī)界面的編寫，用戶可以通過(guò)功能來(lái)實(shí)現(xiàn)上位監(jiān)控程序、報(bào)警處理程序、軟件示波器等。支持運(yùn)程維護(hù)和訪問(wèn)，異常報(bào)警實(shí)時(shí)顯示，遠(yuǎn)程查看設(shè)備日志，可配置短信、郵件功能。支持OPC UA通信以及MQTT、Sparkplug、RESTful等協(xié)議。多重加密功能，有效的保護(hù)用戶知識(shí)產(chǎn)權(quán)。另外，還具有一定的運(yùn)動(dòng)控制功能，點(diǎn)位控制、編碼器反饋、JOG電子齒輪、電子凸輪等。

此外像專注于PLC開(kāi)發(fā)和產(chǎn)業(yè)化的藍(lán)普鋒科技有限公司，如今已經(jīng)成系列地提供大、中、小各型PLC。其大型PLC RPC3000具有CPU冗余、電源冗余、通信冗余等多重冗余功能，I/O容量可從數(shù)千點(diǎn)擴(kuò)展到4萬(wàn)點(diǎn)。

開(kāi)拓國(guó)內(nèi)PLC市場(chǎng)生態(tài)的一點(diǎn)粗淺意見(jiàn)

盡管這些年國(guó)內(nèi)在PLC的開(kāi)發(fā)技術(shù)和應(yīng)用技術(shù)都有長(zhǎng)足進(jìn)步，但生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)的質(zhì)量控制尤其是批量生產(chǎn)的質(zhì)量控制仍然有待提高。PLC市場(chǎng)在上世紀(jì)八九十年代涌現(xiàn)的快速推廣和增長(zhǎng)、拼產(chǎn)品、拼質(zhì)量、拼營(yíng)銷規(guī)模的方式已時(shí)過(guò)境遷，西門子、羅克韋爾自動(dòng)化和三菱電機(jī)三巨頭雄踞市場(chǎng)前列幾十年不變的局面短時(shí)間也難以改變，但他們?cè)噲D全面壟斷市場(chǎng)也不可能。原因也很清楚，技術(shù)在不斷進(jìn)步，工業(yè)市場(chǎng)新需求層出不窮，特別是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和智能制造的迅速發(fā)展為PLC的更新?lián)Q代、功能擴(kuò)展構(gòu)筑了很大的空間；在大宗PLC市場(chǎng)的周邊還有許多細(xì)分市場(chǎng)需要深耕和提供完整的解決方案。因此要建立我國(guó)國(guó)產(chǎn)PLC市場(chǎng)的生態(tài)，必須從策略、思路和方法上進(jìn)行研討和實(shí)踐。

進(jìn)口PLC占據(jù)國(guó)內(nèi)大多數(shù)的PLC市場(chǎng)，是有歷史原因的。在國(guó)內(nèi)還沒(méi)有能力提供PLC的八九十年代，PLC應(yīng)用市場(chǎng)是由美、德、日、法等PLC廠家推動(dòng)起來(lái)的。到了具有一定市場(chǎng)規(guī)模，而且客戶對(duì)其已經(jīng)形成依賴慣性之后，技術(shù)支持能力、應(yīng)用人員的培養(yǎng)和積蓄就成了重要的競(jìng)爭(zhēng)方式。從上世紀(jì)九十年代開(kāi)始，西門子、羅克韋爾、三菱電機(jī)等紛紛向相關(guān)專業(yè)的工科大學(xué)成批地捐贈(zèng)或低價(jià)提供PLC實(shí)驗(yàn)裝備，尋找和培育撰寫相關(guān)機(jī)型的PLC專業(yè)教材的大學(xué)教師，并和有關(guān)出版社合作出版大量的PLC書(shū)籍。這種策略的根本動(dòng)因就是希冀國(guó)內(nèi)形成只會(huì)使用、不會(huì)設(shè)計(jì)制造PLC的市場(chǎng)局面。從短期來(lái)看這種方式對(duì)雙方都有利可圖，從長(zhǎng)期來(lái)看就為國(guó)產(chǎn)PLC發(fā)展設(shè)置了人才、應(yīng)用習(xí)慣和偏好等重重門檻。盡管國(guó)內(nèi)的有識(shí)之士和PLCopen中國(guó)組織多年來(lái)一直呼吁和推動(dòng)以PLC編程語(yǔ)言國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC 61131-3為基礎(chǔ)的通識(shí)教育，獲得了一定成效；不過(guò)，讓廣大的工科學(xué)生和在職技術(shù)人員掌握PLC的基礎(chǔ)理論知識(shí)，改變以機(jī)型為核心的PLC課程設(shè)置，并沒(méi)有大面積地突破，尚未從根本上解決問(wèn)題。打破對(duì)進(jìn)口PLC的長(zhǎng)期依賴慣性，需要從PLC應(yīng)用工程師的后備隊(duì)伍抓起，需要系統(tǒng)性的方法或者說(shuō)形成良性循環(huán)的生態(tài)系統(tǒng)，需要長(zhǎng)期不懈的努力。

市場(chǎng)擴(kuò)展不妨從PLC的OEM市場(chǎng)尋求突破口?？傮w來(lái)講，對(duì)于中小型PLC OEM需求占比超過(guò)60%以上，贏得市場(chǎng)份額的因素在于從配置的合理性和經(jīng)濟(jì)性、響應(yīng)的快速性、質(zhì)量、價(jià)格等多方面滿足OEM廠家配套的要求。應(yīng)該說(shuō)，靈活性是國(guó)內(nèi)PLC廠家的優(yōu)勢(shì)，以嵌入式定制PLC作為應(yīng)對(duì)方法是一種很合適的選項(xiàng)；與此同時(shí)，穩(wěn)定的質(zhì)量是國(guó)內(nèi)廠家必須保證的目標(biāo)。這些年國(guó)內(nèi)諸多的PLC廠家還能生存和發(fā)展，經(jīng)驗(yàn)就是開(kāi)拓和服務(wù)于細(xì)分行業(yè)和市場(chǎng)。像新冠病毒肆虐期間對(duì)口罩生產(chǎn)線或裝備的需求一下子增加許多，而進(jìn)口PLC因芯片等原因交貨期延遲，這類相對(duì)簡(jiǎn)單的PLC系統(tǒng)國(guó)內(nèi)大可滿足，給了國(guó)產(chǎn)PLC一些機(jī)會(huì)，但顯而易見(jiàn)此類機(jī)會(huì)性需求是不會(huì)持久的。

從開(kāi)發(fā)的角度看，市場(chǎng)并不需要很多的PLC軟件IDE供應(yīng)商，但需要他們保持持久穩(wěn)定和高質(zhì)量的服務(wù)以及與時(shí)俱進(jìn)的技術(shù)進(jìn)步。只要看目前全世界的PLC軟件供應(yīng)商也就區(qū)區(qū)的幾個(gè)（如3S、KW、ISaGRAF、Axel、COPA-DATA等），便可明白這個(gè)道理。目前國(guó)內(nèi)涌現(xiàn)的這個(gè)小行當(dāng)還是有相當(dāng)活力的，不需要在數(shù)量上有大的擴(kuò)展，重要的是有足夠的行業(yè)支持，保證其長(zhǎng)期持續(xù)高質(zhì)量發(fā)展的動(dòng)力。從供應(yīng)鏈的角度看，PLC廠商是PLC軟件開(kāi)發(fā)商的下游。PLC軟件開(kāi)發(fā)商對(duì)其客戶（即PLC廠商）過(guò)去一般是銷售IDE軟件授權(quán)，可以針對(duì)客戶的MCU品種和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)再提供相關(guān)的運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)。最近幾年根據(jù)國(guó)內(nèi)的市場(chǎng)需求，國(guó)內(nèi)有的PLC軟件開(kāi)發(fā)商另辟蹊徑，為客戶提供基于ARM或X86（包括***）的PLC控制系統(tǒng)、I/O模塊、實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)主站和從站等的硬件設(shè)計(jì)參考模板。由于PLC軟件開(kāi)發(fā)商在軟件上的優(yōu)勢(shì)，可以在更小型化的MCU平臺(tái)上支持其它公司需要使用更高性能處理器才能完成的更多功能，而且還可保證更好的實(shí)時(shí)性和更低的硬件成本。當(dāng)然，作為具有工業(yè)質(zhì)量的硬件模板還需要有環(huán)境適應(yīng)性和電磁兼容性的保證。這種軟硬一體Design house的營(yíng)銷方式的潛力在于可以讓下游客戶、PLC集成商或終端用戶在短時(shí)間內(nèi)（譬如三個(gè)月或半年）擁有符合工業(yè)質(zhì)量的自有品牌產(chǎn)品。由PLC平臺(tái)軟件研發(fā)公司來(lái)把控PLC各種模塊的硬件選型及供貨渠道的確認(rèn)，無(wú)疑會(huì)為PLC產(chǎn)品質(zhì)量提供基本保證；PLC廠商應(yīng)該做的是批量生產(chǎn)時(shí)的質(zhì)量控制和如何把自己的知識(shí)訣竅通過(guò)軟件模塊集成到自己的系統(tǒng)中。這樣，一方面PLC軟件平臺(tái)供應(yīng)商就進(jìn)化為PLC ODM供應(yīng)商；另一方面在PLC的軟硬件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)和PLC產(chǎn)品的生產(chǎn)制造之間形成了良性發(fā)展的生態(tài)。

結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，我們高興地看到我國(guó)目前的PLC技術(shù)已經(jīng)有了質(zhì)的飛躍，其顯著的特點(diǎn)是不僅從硬件、軟件和系統(tǒng)，還是從應(yīng)用來(lái)看都沒(méi)有所謂被“卡脖子”的軟肋，而且正在根據(jù)我國(guó)工業(yè)市場(chǎng)的多樣化需求走自主可控的發(fā)展之路。這種狀態(tài)完全與往昔不可同日而語(yǔ)。為了今后更好地有序發(fā)展，必須建立良好的開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)、銷售、使用和服務(wù)各方合作的生態(tài)，推進(jìn)提高國(guó)產(chǎn)PLC的市場(chǎng)占有率。同時(shí)要繼續(xù)努力學(xué)習(xí)工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的質(zhì)量控制經(jīng)驗(yàn)，例如西門子的PLC生產(chǎn)制造的質(zhì)量控制人員其數(shù)量和質(zhì)量都不弱于開(kāi)發(fā)人員，日本三菱電機(jī)的小型PLC生產(chǎn)的零庫(kù)存供應(yīng)鏈管理和質(zhì)檢方法，等等。在這些方面我們還任重道遠(yuǎn)，還有許多工程技術(shù)問(wèn)題要一一攻克。

作者簡(jiǎn)介

彭瑜，教授級(jí)高工，上海工業(yè)自動(dòng)化儀表研究院技術(shù)顧問(wèn)，PLCopen中國(guó)組織名譽(yù)主席。

編輯：黃飛