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      近年來國內PLC技術的進展和市場發展展望
      PLC和DCS、SCADA并列為工業控制領域的三大支柱。為擺脫基本依賴進口的局面,改革開放以來,國內許多企業、高校和研究單位前赴后繼,投入了這三大系統的開發研制。比較而言,***有成效的應該是DCS,以中控、和利時等為代表的科技企業******了我國DCS技術和市場應用的方向,占領了相當部分的市場份額。盡管芯片等基礎元器件還不得不部分依賴進口,但在軟件方面已經立足于自行開發,積累了相當的經驗和訣竅。SCADA也有像亞控這樣的企業持續深耕,積累了相當多的客戶,技術上也形成了一些特色,正在向融合性平臺方面發展。那么,PLC的狀況如何,是不是很樂觀呢?本文試圖在這一方面進行探討,可能掛一漏萬,誠懇地希望各位讀者指正和補充。

        總的來說,這些年來我國PLC的技術也有了長足的******,在硬件和軟件兩個方向已經很少看到仿造的痕跡,獨立開發、自行設計已經成為主流。特別是近幾年,龍芯******于國產芯片在工業領域的應用開發,幫助一些企業走出了PLC系統獨立發展的新路;再加上眾多的PLC中小型企業鍥而不舍地辛勤耕耘,在硬件和軟件方面都呈現了若干亮點。目前國產的PLC在國內市場的份額可能還沒有突破10%,但從發展的趨勢來說******可能加速。

        PLC基礎軟件在我國發展的多元化展現

        當上世紀80年代PLC進入我國的時候,PLC編程語言的國際標準IEC 61131-3(那時被命名為IEC 1131-3)尚處于開發起步的階段。在國內市場活躍的是隨成套火力發電裝備引進而來的美國MODICON的中大型PLC,還有***是日本三菱電機、OMRON、富士電機等廠家的小型PLC。當時國內缺乏這方面的開發人員,軟件基本上照抄照搬。到了1993年正式頒布了PLC編程語言國際標準之后,國際上陸續出現了基于IEC 61131-3標準的商品化的編程軟件平臺,并在大約2000年前后進入了國內的工控市場。國內企業經過幾年的熟悉和應用,摸到了一些門道,于是在引進的基礎上開始尋找自主開發的方法。又過了十幾二十年,國內終于形成了目前的相當斑斕的局面和多元化的特色。這一條路走得有點長,一個重要原因是這類應用場景相對專一的技術難入國家科學技術發展規劃的法眼,都是根據市場的發展和需求,各個有志于此的單位和人員在自行摸索和投入。

        目前在PLC基礎編程軟件方面,呈現在我們面前的大約可以概括為4種形態:

        1. 從自行開發的基于國際標準的PLC內核發展為綜合集成的開發環境IDE,但并非把商品化作為目標,只為自身的控制系統服務,或為定制化的控制系統服務。這種形態的典型例子是杭州電子科技大學計算機學院嚴義團隊的CAS S系統,還有和利時、中控、杭州優穩等,以服務自身的DCS產品為主。

        2. 也是從自行開發的基于國際標準的PLC內核發展為綜合集成的開發環境IDE,主要特色是已經產品化,可以為社會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可編程系統研發經驗的團隊為基礎的北京奧特斯技術是目前國內此類商品化平臺***具代表性的公司。

        3. 與國外的公司合作,在他們的PLC內核基礎上開發適合于國內工控市場需求的的綜合開發環境,包括為國產化嵌入式芯片提供完整的軟件環境和開發路徑。典型的例子是上海翌控科技。

        4. ******立足于自行開發并運用IT業界***新技術所形成的軟件平臺。其特點是既能滿足傳統PLC編程的各種要求,又能適應現代PLC運用于工業互聯網環境的要求,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方向做開創性的工作,而且已經取得了很好的成效。

        如果從前瞻性和執行力來評價一個科技機構的發展狀況,這四個典型可以說各有專注,呈現出服務對象的差異化和技術特色的差異化?;究梢詽M足當下國內PLC市場對軟件開發平臺不同的需求,又在數字化轉型時代具有不同的發展前景和方向,對今后PLC系統運用AI服務所必須的數據治理,如何方便采用開源的AI基礎算法庫等都有合適的解決路徑和實現方案。

        杭州電子科技大學計算機學院嚴義教授、鄔惠峰教授團隊是一支自主開發IEC 61131-3編程系統平臺的有生力量。他們的IDE開發環境CASS,配備了邏輯控制、順序控制、過程控制、機械安全控制、多軸協調的運動控制、視覺檢測和控制、現場總線和工業以太網通信等綜合功能,還創造性地將裝備數據庫的概念和實現引入PLC系統,智能裝備的運行數據都可以以規定的數據格式實時輸入的時序數據庫,為人工智能、視覺等算法所用。其編程功能在2017年獲得PLCopen國際組織的認證。CASS平臺具有寬泛的適應性,功能配置和裁剪自如,既可為復雜的智能裝備提供應用軟件集成開發、調試和運行維護,也可為國內外各種型號的MCU提供嵌入式PLC系統的軟件開發環境。它們提供的系統已在工業機器人、數控繞線機、數控彈簧機、全電動注塑機、木材加工生產線、定制嵌入式PLC等獲得廣泛應用。

        北京奧特思技術有限公司提供國產化IEC61131-3可編程系統AnyControl。該軟件產品適用于PLC、DCS、運動控制器、機器人控制器、邊緣控制器、工控機、人機界面等,為用戶提供******的邏輯控制、運動控制和現場總線協議轉換的自動化軟件解決方案。公司對標全球******的IEC61131-3可編程系統提供商,填補了中國自動化控制底層核心技術的空白,為廣大用戶提供自主可控且標準化程度高、易用性好的產品及服務。公司產品和服務具有以下特點:自主開發安全可控(系統基于開源工具鏈自主開發,不包含第三方不可控組件);適配國產生態環境(可以運行于并不限于國產操作系統和國產處理器芯片);支持的指令平臺有:X86/64、ARMv7 Cortex-M/A 、ARMv8 Cortex-A 、龍芯(MIPS和LoongArch) 。支持處理器多核任務分配,支持基于優先級的多任務調度;系統支持IEC61131-3規范的五種編程語言LD、FBD、ST、SFC和IL,并支持******語言程序擴展,用戶可編寫C/C++代碼集成到運行時系統;采用執行效率高的編譯型(非解釋運行)技術,將用戶邏輯直接編譯成可執行的機器碼;支持主流的現場總線和OPC UA協議,并可根據用戶需求快速增加總線協議;集成運動控制功能,支持PLCopen運動控制規范;程序調試手段豐富,提供多種程序調試方法,包括斷點調試、調用棧、交叉引用、變量讀寫、強制、監視列表、趨勢圖等。

        典型應用案例有:中科院自動化研究所 機器人控制器;某核電集團 核電DCS控制系統;某電網集團 風電PLC和通用PLC;中國華電集團 風電PLC和水電PLC;南京科唯信關鍵行業控制系統;深圳雷賽 PLC和運動控制器;儀綜所 邊緣控制網關;中國移動研究院 邊緣控制網關;上海商飛網關控制一體機;四川某自動化公司 通用PLC ;某航天自動化 通用PLC。

        上海翌控科技有限公司專注于IEC61131-3 標準的工業控制系統軟件解決方案,為國內研發PLC控制器公司提供核心軟件平臺,其中包括:IEC61131-3標準的開發環境、運行系統、主流現場總線等技術。采用高效的編譯型技術以及組件化輕量級內核設計,對8/16/32位資源受限單片機或者Cortex-A以及x86平臺均有較好支持。通過組件化開放式SDK接口,客戶可集成任意C/C++組件至運行系統中(通訊協議、現場總線、專業算法函數與功能塊等)。同時IEC61131-3標準的開發環境可以支持基于HTML/C++/C#技術的擴展開發、品牌定制。

        翌控科技核心團隊具備十多年行業經驗,在IEC61131-3標準的控制器研發上具有較深入的理解,并堅定本土化研發理念,圍繞研發IEC61131-3標準的控制系統可提供從處理器芯片選型、基礎驅動優化、操作系統選型、嵌入式中間件、控制器運行系統集成,以及IEC61131-3標準的開發環境二次開發OEM定制等相關服務;同時攻克了多個關鍵技術點,如操作系統實時性優化,Linux平臺EtherCAT驅動瓶頸優化等,其提供的基礎平臺協助客戶產品達到全球******級別。

        主要特點是:

        1. 采用更******的核心技術。用WebAssembly標準和技術作為PLC/CNC引擎,支持更多的開發語言生態(IEC61131-3, C/C++, Rust, TypeScript..),提供更好的運行性能、隔離性、安全性和******性。

        2. 開放的軟件生態。使用跨平臺技術,支持開放應用生態與應用商店, 促進控制算法市場化。

        3. 云定義控制,即云開發、云控制、云連接、云管理、云運維、云數據;兼顧本地和云端兩種模式閉環工作。

        4. 開放邊緣計算平臺,實時Linux,實時虛擬化容器(Docker)與微容器( Wasm ) 。

        5. 分布式現場網絡,優先使能5G。

        6. 人工智能的深度支持。

        7. 基于Web的IDE技術,更好的開發體驗;Web可視化應用。

        國產自主高端PLC系統發展概況

        以往從芯片、操作系統再到應用,IT領域已經形成了Wintel(Windows+Intel)和AA(ARM+Androids)兩大生態?;趥鹘y指令集的全封閉結構的PLC在工控市場中占據主流。即使是國內開發的工業控制系統,也基本采用進口的芯片。經過三年的聯合攻關和深度嵌合,2022年11月深圳華龍訊達和龍芯中科成功推出了以JIC PLC命名的******自主的高速高端的大中型工業控制系統,采用龍芯****自研LoongArch指令集和基礎操作系統,龍芯3A5000芯片,其程序執行掃描時間低于1ms,非常適合于高速高生產節拍場景的應用。這一成果的取得得益于龍芯開放了底層的芯片指令集,而華龍迅達則將其融合在高速高動態響應的各種工業場景中。在國內這種開放指令集的動作,對于在行業占主導地位的Intel或者ARM來說是根本不可能的。而現在有了芯片、控制器和用戶的三方信任和聯動,控制器開發的進展速度***很快。作者曾在上海家中通過互聯網觀察到安裝在云南玉溪煙廠現場運行的JIC PLC,并可以遠程改變伺服電機的運行參數。

        華龍訊達的自動化平臺將各種工業軟件系統(包括控制軟件、數字孿生、標識解析等)進行原生的融合,例如在底層,龍芯指令集與華龍訊達工業控制系統指令集進行了融合與匯編?;诖?,在控制器進行編譯時,才可以實現原生的HMI和SCADA,實現各個機臺之間無差別的交互操作。按照他們的理念,工業控制才是工業互聯網平臺的核心能力。而工業互聯網平臺的實施往往費時費力,難點在于OT與IT的融合,在于如何將控制系統的數據與其他源數據進行同步分析與處理。芯片級的指令交互,是整個工業互聯網大廈的根基。新的工業自動化平臺可以實現平臺級的編譯,實現每個傳感器、每個工位,以及每個設備、生產線、車間、工廠的真正連接。通過平臺,向上可以與ERP、MES、物流、WMS等整個信息系統共享數據,向下可以和機器數據共享。這些只有在華龍訊達和龍芯的通力合作下才能實現,成為控制系統上通企業管理、下通現場設備的全棧式連通。

        深圳市矩控新辰科技公司是一家有著十幾年PLC整機制造生產經驗的創新企業。***近幾年來圍繞工業邊緣計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、邊緣服務器和邊緣智能軟件平臺,為云-邊-端架構下的智能制造提供了成套解決方案,包括數字化矩陣式工作島群、邊緣計算數據中心、智能倉儲和物流調度、邊緣計算分析等已經應用于芯片制造、節能玻璃智能工廠,新能源汽車的焊接、沖壓、涂裝和總裝等車間,還有電子制造、機械裝備和能源等行業的邊緣智能系統。

        智能制造完整的解決方案是由以下各系統構建。邊緣智能可編程控制器是一類近年出現的PLC新品種,便于在工業現場部署實時控制、網絡通訊、實時/非實時的數據處理計算及存儲等功能,將這些功能融合為一體,不但能夠滿足工業實時控制的需求,同時也能提供智能邊緣服務并與云端協同工作,滿足制造業對設備互聯互通、實時數據處理及業務分析、設備安全運營維護等方面的關鍵需求,協助制造業突破數字化和網絡化的瓶頸,有助于工業數字化轉型升級。邊緣智能I/O是一種實時工業以太網I/O系統,高達100μs響應時間,采用模塊化設計和高密度集成,便于靈活配置。 數字化矩陣式工作島群是一種智能邊緣計算工作站,集成了邏輯控制、運動控制、機器視覺、機器人控制、數據處理和傳輸功能;作為智能化制造單元的邊緣智能工作站主要用于運營分析和預測維護,便利高端裝備智能控制、設備健康管理、產線級的人機交互等應用。 邊緣智能服務器內預裝Matrix Factory邊緣計算系統,可快速部署于工業現場的邊緣智能數據中心;能夠適應嚴苛的工業環境,滿足車間級的海量實時數據采集解析、存儲、分析、建模等需求;可為客戶提供模塊化、個性化、可擴展的IT/OT融合的軟硬件平臺。邊緣智能軟件平臺是本公司開發的工廠設備現場數據管理的專用軟件平臺——Matrix Factory邊緣智能軟件平臺,適合在工業現場實現邊緣層的應用,其中包含工業物聯網開箱即用的核心基礎功能,具備多源實時數據接入、多維數據呈現、設備仿真與調試、數據管理優化。以上的各種系統和部件構成實時數據驅動的智能工廠架構,在很大程度上為實現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管理提供了統一的、標準化的數據接口。所產生的海量數據在傳輸到信息層之前,已經在被所部署邊緣計算控制系統完成了數據清洗、壓縮、格式化、標注、加密等處理,使海量的生產運營數據可以方便的與處在同一邊緣層的其它系統進行集成。

        基于IEC61131-3標準的Matrix Logic是MatriBOX系列邊緣智能控制器的編程和綜合開發平臺。支持五種編程語言(指令表、功能塊圖、梯形圖、結構化文本、順序功能圖),以及支持C/C++******語言編程。結構******、易于掌握。配備豐富的功能庫文件,供編程直接調用。集成了人機界面的編寫,用戶可以通過功能來實現上位監控程序、報警處理程序、軟件示波器等。支持運程維護和訪問,異常報警實時顯示,遠程查看設備日志,可配置短信、郵件功能。支持OPC UA通信以及MQTT、Sparkplug、RESTful等協議。多重加密功能,有效的保護用戶知識產權。另外,還具有一定的運動控制功能,點位控制、編碼器反饋、JOG\電子齒輪、電子凸輪等。

        此外像專注于PLC開發和產業化的藍普鋒科技有限公司,如今已經成系列地提供大、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容量可從數千點擴展到4萬點。

        開拓國內PLC市場生態的一點粗淺意見

        盡管這些年國內在PLC的開發技術和應用技術都有長足******,但生產制造環節的質量控制尤其是批量生產的質量控制仍然有待提高。PLC市場在上世紀八九十年代涌現的快速推廣和增長、拼產品、拼質量、拼營銷規模的方式已時過境遷,西門子、羅克韋爾自動化和三菱電機三巨頭雄踞市場前列幾十年不變的局面短時間也難以改變,但他們試圖全面壟斷市場也不可能。原因也很清楚,技術在不斷******,工業市場新需求層出不窮,特別是工業互聯網和智能制造的迅速發展為PLC的更新換代、功能擴展構筑了很大的空間;在大宗PLC市場的周邊還有許多細分市場需要深耕和提供完整的解決方案。因此要建立我國國產PLC市場的生態,必須從策略、思路和方法上進行研討和實踐。

        進口PLC占據國內大多數的PLC市場,是有歷史原因的。在國內還沒有能力提供PLC的八九十年代,PLC應用市場是由美、德、日、法等PLC廠家推動起來的。到了具有一定市場規模,而且客戶對其已經形成依賴慣性之后,技術支持能力、應用人員的培養和積蓄***成了重要的競爭方式。從上世紀九十年代開始,西門子、羅克韋爾、三菱電機等紛紛向相關專業的工科大學成批地捐贈或低價提供PLC實驗裝備,尋找和培育撰寫相關機型的PLC專業教材的大學教師,并和有關出版社合作出版大量的PLC書籍。這種策略的根本動因***是希冀國內形成只會使用、不會設計制造PLC的市場局面。從短期來看這種方式對雙方都有利可圖,從長期來看***為國產PLC發展設置了人才、應用習慣和偏好等重重門檻。盡管國內的有識之士和PLCopen中國組織多年來一直呼吁和推動以PLC編程語言國際標準IEC 61131-3為基礎的通識教育,獲得了一定成效;不過,讓廣大的工科學生和在職技術人員掌握PLC的基礎理論知識,改變以機型為核心的PLC課程設置,并沒有大面積地突破,尚未從根本上解決問題。打破對進口PLC的長期依賴慣性,需要從PLC應用工程師的后備隊伍抓起,需要系統性的方法或者說形成良性循環的生態系統,需要長期不懈的努力。

        市場擴展不妨從PLC的OEM市場尋求突破口??傮w來講,對于中小型PLC OEM需求占比超過60%以上,贏得市場份額的因素在于從配置的合理性和經濟性、響應的快速性、質量、******等多方面滿足OEM廠家配套的要求。應該說,靈活性是國內PLC廠家的優勢,以嵌入式定制PLC作為應對方法是一種很合適的選項;與此同時,穩定的質量是國內廠家必須******的目標。這些年國內諸多的PLC廠家還能生存和發展,經驗***是開拓和服務于細分行業和市場。像新冠病毒肆虐期間對口罩生產線或裝備的需求一下子增加許多,而進口PLC因芯片等原因交貨期延遲,這類相對簡單的PLC系統國內大可滿足,給了國產PLC一些機會,但顯而易見此類機會性需求是不會持久的。

        從開發的角度看,市場并不需要很多的PLC軟件IDE供應商,但需要他們保持持久穩定和高質量的服務以及與時俱進的技術******。只要看目前全世界的PLC軟件供應商也***區區的幾個(如3S、KW、ISaGRAF、Axel、COPA-DATA等),便可明白這個道理。目前國內涌現的這個小行當還是有相當活力的,不需要在數量上有大的擴展,重要的是有足夠的行業支持,******其長期持續高質量發展的動力。從供應鏈的角度看,PLC廠商是PLC軟件開發商的下游。PLC軟件開發商對其客戶(即PLC廠商)過去一般是銷售IDE軟件授權,可以針對客戶的MCU品種和實時操作系統再提供相關的運行時系統。***近幾年根據國內的市場需求,國內有的PLC軟件開發商另辟蹊徑,為客戶提供基于ARM或X86(包括國產芯片)的PLC控制系統、I/O模塊、實時工業以太網主站和從站等的硬件設計參考模板。由于PLC軟件開發商在軟件上的優勢,可以在更小型化的MCU平臺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******更好的實時性和更低的硬件成本。當然,作為具有工業質量的硬件模板還需要有環境適應性和電磁兼容性的******。這種軟硬一體Design house的營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間內(譬如三個月或半年)擁有符合工業質量的自有品牌產品。由PLC平臺軟件研發公司來把控PLC各種模塊的硬件選型及供貨渠道的確認,無疑會為PLC產品質量提供基本******;PLC廠商應該做的是批量生產時的質量控制和如何把自己的知識訣竅通過軟件模塊集成到自己的系統中。這樣,一方面PLC軟件平臺供應商***進化為PLC ODM供應商;另一方面在PLC的軟硬件設計開發和PLC產品的生產制造之間形成了良性發展的生態。

        結束語

        綜上所述,我們高興地看到我國目前的PLC技術已經有了質的飛躍,其顯著的特點是不僅從硬件、軟件和系統,還是從應用來看都沒有所謂被“卡脖子”的軟肋,而且正在根據我國工業市場的多樣化需求走自主可控的發展之路。這種狀態******與往昔不可同日而語。為了今后更好地有序發展,必須建立良好的開發、生產、銷售、使用和服務各方合作的生態,推進提高國產PLC的市場占有率。同時要繼續努力學習工業發達國家的質量控制經驗,例如西門子的PLC生產制造的質量控制人員其數量和質量都不弱于開發人員,日本三菱電機的小型PLC生產的零庫存供應鏈管理和質檢方法,等等。在這些方面我們還任重道遠,還有許多工程技術問題要一一攻克。

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