工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代下，工業(yè)控制系統(tǒng)未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)如何？

零、前言

互聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)頗具顛覆性和侵略性的思想和體系，從它的誕生之日起短短十多年時(shí)間，就跨界打擊多個(gè)行業(yè)并取得巨大成功?？偨Y(jié)起來(lái)，互聯(lián)網(wǎng)的核心思想就是規(guī)模經(jīng)濟(jì)，以規(guī)模形成經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，即在初始階段，進(jìn)行大規(guī)模的資本投資，提供滿(mǎn)足基本需求的產(chǎn)品，大規(guī)模的發(fā)展客戶(hù)，以求達(dá)到規(guī)模經(jīng)濟(jì)性。并在達(dá)到一定規(guī)模后就開(kāi)始多元化批量復(fù)制這種規(guī)模經(jīng)濟(jì)，形成多元化的規(guī)模發(fā)展。因?yàn)榛ヂ?lián)網(wǎng)每新增加一種產(chǎn)品的存儲(chǔ)、營(yíng)銷(xiāo)等成本可以趨近于零，所以互聯(lián)網(wǎng)的這種特質(zhì)決定了其針對(duì)各個(gè)行業(yè)必然具有天然的侵略性和顛覆性。

在互聯(lián)網(wǎng)向工業(yè)控制系統(tǒng)領(lǐng)域逐漸***之后，誕生了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)4.0以及工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)概念和體系。這些概念喧囂塵上，一時(shí)滿(mǎn)城風(fēng)雨。喧囂之后可能歸于沉寂，然而來(lái)自互聯(lián)網(wǎng)的***已不可阻擋。

天下大勢(shì)，浩浩蕩蕩，順之者昌，逆之者亡。作為工業(yè)控制系統(tǒng)從業(yè)者，我們應(yīng)該拋開(kāi)市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)的概念迷霧，去追尋互聯(lián)網(wǎng)概念下工業(yè)控制系統(tǒng)的技術(shù)變革。在這樣的變革時(shí)代，工業(yè)4.0、智能工廠、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等倡導(dǎo)的理念及其技術(shù)的實(shí)現(xiàn)將不得不在短時(shí)間內(nèi)重新配置，因此需要重新靈活配置工業(yè)控制系統(tǒng)的核心設(shè)備PLC。如何來(lái)靈活配置PLC成為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)真正實(shí)現(xiàn)工業(yè)互聯(lián)的的背后支撐。因此本文從這樣的角度出發(fā)，描述了在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的背后核心技術(shù)。

壹、工業(yè)控制系統(tǒng)的核心PLC

可編程邏輯控制器，英文稱(chēng)Programmable Logic Controllers，簡(jiǎn)稱(chēng)PLC（本文在后續(xù)一律簡(jiǎn)稱(chēng)PLC）是帶有模塊化組件的小型工業(yè)計(jì)算機(jī)，旨在自動(dòng)化定制控制過(guò)程。我理解的控制過(guò)程就是通過(guò)程序?qū)ξ锢碓O(shè)備進(jìn)行控制的過(guò)程，而這個(gè)程序就是通過(guò)邏輯表達(dá)的形式實(shí)現(xiàn)的（梯形圖或其他PLC編程語(yǔ)言）。在PLC內(nèi)部，將真實(shí)物理設(shè)備通過(guò)一個(gè)符號(hào)或字符串進(jìn)行邏輯表示，因此編寫(xiě)的程序就是對(duì)這些邏輯進(jìn)行編程和組合、循序控制的過(guò)程。這個(gè)控制過(guò)程是可編程的，可自定義的。因此稱(chēng)之為可編程邏輯控制器（PLC）。

PLC一直在發(fā)展中，至今尚未對(duì)其下最后的定義。國(guó)際電工學(xué)會(huì)（IEC）曾先后于1982年11月、1985年1月和1987年2月發(fā)布了PLC標(biāo)準(zhǔn)草案的第一，二，三稿。在第三稿中，對(duì)PLC作了如下定義：可編程邏輯控制器（PLC）是一種數(shù)字運(yùn)算操作電子系統(tǒng)，專(zhuān)為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)。它采用了可編程序的存儲(chǔ)器，用來(lái)在其內(nèi)部存儲(chǔ)執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序控制、定時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令，并通過(guò)數(shù)字的、模擬的輸入和輸出，控制各種類(lèi)型的機(jī)械或生產(chǎn)過(guò)程?？删幊踢壿嬁刂破鳎≒LC）及其有關(guān)的外圍設(shè)備，都應(yīng)按易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體、易于擴(kuò)充其功能的原則設(shè)計(jì)。

在工業(yè)控制系統(tǒng)領(lǐng)域內(nèi)，工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的物理機(jī)器和生產(chǎn)線通常由硬件PLC控制，這也被認(rèn)為是當(dāng)前最優(yōu)化的解決方案并以此驅(qū)動(dòng)工業(yè)自動(dòng)化進(jìn)程多年。為了更好地理解PLC的目的，讓我們看一下PLC的簡(jiǎn)史。

工業(yè)自動(dòng)化在PLC之前就已經(jīng)開(kāi)始了。在20世紀(jì)早期到中期，工業(yè)自動(dòng)化通常使用復(fù)雜的機(jī)電式繼電器電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。機(jī)電繼電器是一種電子控制器件，它具有控制系統(tǒng)（又稱(chēng)輸入回路）和被控制系統(tǒng)（又稱(chēng)輸出回路），當(dāng)輸入量（如電壓、電流、溫度等）達(dá)到規(guī)定值時(shí)，使被控制的輸出電路導(dǎo)通或斷開(kāi)的電器。但是，通過(guò)繼電器這種架構(gòu)制造簡(jiǎn)單的自動(dòng)化所需的繼電器、導(dǎo)線和空間的數(shù)量都存在很多問(wèn)題。一個(gè)簡(jiǎn)單的工廠控制過(guò)程的實(shí)現(xiàn)就需要成千上萬(wàn)的繼電器！如果邏輯電路中有什么東西需要更改的話，那更是災(zāi)難性的。

1968年，第一臺(tái)可編程邏輯控制器（PLC）問(wèn)世，取代了工業(yè)生產(chǎn)中復(fù)雜的繼電器電路實(shí)現(xiàn)的工業(yè)自動(dòng)化控制。最開(kāi)始提出明確想法的是美國(guó)通用公司。在1968年的時(shí)候他們想要一臺(tái)可以取代繼電器控制的裝置。次年，美國(guó)數(shù)字設(shè)備公司為通用公司研制出了第一臺(tái)可編程控制器PDP-14，并且試用成功，這就是世界上第一臺(tái)PLC。到70年代后期，PLC開(kāi)始進(jìn)入快速發(fā)展階段，運(yùn)行速度快速提升，小型化也有實(shí)質(zhì)性的進(jìn)步。80年代初開(kāi)始在西方國(guó)家廣泛應(yīng)用，并快速成長(zhǎng)，那段時(shí)間可謂是PLC的黃金時(shí)期。之后又發(fā)展了大型機(jī)和超小型機(jī)。到21世紀(jì)，PLC規(guī)模不斷擴(kuò)大，I/O點(diǎn)數(shù)增加，多CPU并行工作，大容量存儲(chǔ)，高速掃描等，模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化成為主流，成本大幅度縮減，應(yīng)用更加廣泛。

PLC的設(shè)計(jì)可以讓熟悉繼電器邏輯和控制原理圖的控制工程師和技術(shù)人員能夠輕松編程。其中最初始的實(shí)現(xiàn)就是梯形圖邏輯，該邏輯被設(shè)計(jì)用來(lái)模擬控制電路原理圖。梯形圖看起來(lái)像是控制電路，其中電力從左到右通過(guò)閉合觸點(diǎn)來(lái)激勵(lì)繼電器線圈。如下圖1所示：

圖1--梯形圖邏輯示例

上圖的梯形圖看起來(lái)像簡(jiǎn)單的控制電路原理圖，左側(cè)顯示開(kāi)關(guān)、按鈕、傳感器等輸入源，右側(cè)顯示輸出源。通過(guò)這樣的梯形邏輯等直觀的界面編程來(lái)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的自動(dòng)化過(guò)程，比使用之前的繼電器更加便捷高效，而且過(guò)渡到PLC的學(xué)習(xí)成本也降至最低。PLC是微機(jī)技術(shù)與傳統(tǒng)的繼電接觸控制技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它克服了繼電接觸控制系統(tǒng)中的機(jī)械觸點(diǎn)的接線復(fù)雜、可靠性低、功耗高、通用性和靈活性差的缺點(diǎn)，充分利用了微處理器的優(yōu)點(diǎn)，又照顧到現(xiàn)場(chǎng)電氣操作維修人員的技能與習(xí)慣，特別是PLC的程序編制，不需要專(zhuān)門(mén)的計(jì)算機(jī)編程語(yǔ)言知識(shí)，而是采用了一套以繼電器梯形圖為基礎(chǔ)的簡(jiǎn)單指令形式，使用戶(hù)程序編制形象、直觀、方便易學(xué)；調(diào)試與查錯(cuò)也都很方便。用戶(hù)在購(gòu)到所需的PLC后，只需按說(shuō)明書(shū)的提示，做少量的接線和簡(jiǎn)易的用戶(hù)程序編制工作，就可靈活方便地將PLC應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐。

而基于這樣的梯形圖邏輯進(jìn)行編程，只需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工廠環(huán)境的的生產(chǎn)流程對(duì)照編程梯形圖邏輯即可，從而實(shí)現(xiàn)控制過(guò)程的可編程性。這個(gè)可編程邏輯控制器（PLC）雖然是可編程的，但是和現(xiàn)今熱炒的軟件定義還是有一些區(qū)別，主要在于可編程邏輯控制器（PLC）的可編程性具有一定的限制條件。即每臺(tái)可編程邏輯控制器（PLC）對(duì)其進(jìn)行編程，都需要特定的編程軟件將程序?qū)崿F(xiàn)之后，通過(guò)和可編程邏輯控制器（PLC）通訊來(lái)實(shí)施最終的控制過(guò)程程序的上載。可編程邏輯控制器（PLC）介于傳統(tǒng)硬件設(shè)備和軟件定義之間，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)平面的可編程性，但是控制平面并沒(méi)有抽離出來(lái)實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一集中控制。

PLC是為了應(yīng)對(duì)機(jī)電繼電器復(fù)雜的機(jī)器控制而開(kāi)發(fā)的。目的是開(kāi)發(fā)更靈活的控制系統(tǒng)，減少機(jī)器停機(jī)時(shí)間，并用這種新設(shè)備執(zhí)行邏輯功能。從PLC開(kāi)發(fā)出來(lái)到現(xiàn)在，確實(shí)也達(dá)到了最初設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)的目的。PLC已經(jīng)在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域默默奉獻(xiàn)了有幾十年的歷史，即使在對(duì)安全至關(guān)重要的應(yīng)用中，它們也已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)器進(jìn)行控制的可靠性。以至于幾乎所有的現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化的控制器都是由PLC實(shí)現(xiàn)，在工業(yè)環(huán)境下，PLC幾乎無(wú)所不能。

貳、工業(yè)控制系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)

第一次工業(yè)革命發(fā)生于18世紀(jì)到19世紀(jì)，通過(guò)創(chuàng)造新的制造工藝改進(jìn)了生產(chǎn)流程從而促進(jìn)了社會(huì)的進(jìn)步。當(dāng)時(shí)的制造業(yè)主要依賴(lài)于手工進(jìn)行商品的生產(chǎn)，而誕生于英國(guó)的第一次工業(yè)革命改變了這種狀況，使得機(jī)器制造業(yè)能夠更好地利用水和蒸汽動(dòng)力促進(jìn)生產(chǎn)力提升。而這些改進(jìn)的創(chuàng)新思想和體系在第二次、第三次工業(yè)革命中自然也起了很大的作用。正在進(jìn)行的工業(yè)革命是第四次工業(yè)革命，也被稱(chēng)為工業(yè)4.0（德國(guó)提出）或工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)（美國(guó)提出）。工業(yè)4.0的基本概念與其他工業(yè)革命相同：通過(guò)改進(jìn)業(yè)務(wù)流程和制造工藝，減少生產(chǎn)時(shí)間，降低生產(chǎn)材料成本，減少制造缺陷產(chǎn)品的數(shù)量，并通過(guò)創(chuàng)造能夠代替人工作的機(jī)器來(lái)使工業(yè)制造更容易。

工業(yè)4.0或工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)是正在進(jìn)行的工業(yè)革命的術(shù)語(yǔ)。它最初是指制造業(yè)的數(shù)字化，但實(shí)際上也指醫(yī)療、物流、石油和天然氣等其他行業(yè)的數(shù)字化。也指我們經(jīng)常聽(tīng)到的有關(guān)智能工廠，智能城市或智能設(shè)備的概念。工業(yè)4.0是關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)（IoT），網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)（CPS），信息技術(shù)（IT）和操作技術(shù)（OT）的融合，其中，變革首先從信息技術(shù)領(lǐng)域引發(fā)，云計(jì)算，機(jī)器學(xué)習(xí)和大數(shù)據(jù)等IT技術(shù)引導(dǎo)現(xiàn)代信息企業(yè)采用新的業(yè)務(wù)模式，改進(jìn)自身業(yè)務(wù)流程和運(yùn)營(yíng)效率，提升企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力。而這些IT新技術(shù)的發(fā)展解決了互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)和傳統(tǒng)企業(yè)共同的一個(gè)訴求，即解決規(guī)模不斷擴(kuò)張、業(yè)務(wù)快速變化的挑戰(zhàn)，同時(shí)還有效控制成本。在傳統(tǒng)企業(yè)中，其他類(lèi)型的企業(yè)愿意通過(guò)在早期階段部署新技術(shù)來(lái)承擔(dān)風(fēng)險(xiǎn)，而工業(yè)企業(yè)可能會(huì)更謹(jǐn)慎。由于工業(yè)環(huán)境的特殊性，工業(yè)企業(yè)的這個(gè)訴求是否能夠借鑒互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)的成功還是一個(gè)未知數(shù)。為了克服這個(gè)門(mén)檻，這個(gè)行業(yè)需要?jiǎng)?chuàng)新，因此類(lèi)似工業(yè)4.0等概念和體系的興起，目的就是為了進(jìn)行大量的研究、測(cè)試和實(shí)施這些技術(shù)變革引導(dǎo)到工業(yè)企業(yè)中。

關(guān)于實(shí)踐的最新進(jìn)展情況，我們通過(guò)分析傳統(tǒng)的自動(dòng)化金字塔模型來(lái)進(jìn)行說(shuō)明。傳統(tǒng)的自動(dòng)化金字塔（圖2）代表了當(dāng)今工業(yè)控制系統(tǒng)領(lǐng)域的一個(gè)典型模型。從傳感器到執(zhí)行器的所有物理設(shè)備都處于現(xiàn)場(chǎng)級(jí)，用于控制這些現(xiàn)場(chǎng)級(jí)物理設(shè)備的數(shù)據(jù)和動(dòng)作處于第二級(jí)，第二級(jí)通過(guò)使用PLC等物理硬件來(lái)控制現(xiàn)場(chǎng)級(jí)的物理硬件。第三個(gè)級(jí)別是一個(gè)數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控級(jí)別，允許用戶(hù)通過(guò)SCADA系統(tǒng)監(jiān)視和控制他們的工業(yè)控制過(guò)程。SCADA是數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)的縮寫(xiě)，典型的SCADA架構(gòu)包括傳統(tǒng)自動(dòng)化金字塔的前三個(gè)級(jí)別。MES和ERP系統(tǒng)則在SCADA架構(gòu)之上。MES代表制造執(zhí)行系統(tǒng)，它是指實(shí)時(shí)監(jiān)控制造數(shù)據(jù)的系統(tǒng)。MES系統(tǒng)可以跟蹤整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的貨物情況。企業(yè)資源規(guī)劃（ERP）系統(tǒng)提供了自動(dòng)化金字塔的最高級(jí)別。ERP系統(tǒng)管理核心業(yè)務(wù)流程的實(shí)時(shí)監(jiān)控，如生產(chǎn)或產(chǎn)品計(jì)劃，物料管理和財(cái)務(wù)情況等。

圖2--傳統(tǒng)的自動(dòng)化金字塔

工業(yè)4.0和網(wǎng)絡(luò)物理系統(tǒng)到來(lái)后，傳統(tǒng)的基于該金字塔模型的工業(yè)控制系統(tǒng)架構(gòu)正在發(fā)生變化。首先在最頂層的ERP和MES就逐漸實(shí)現(xiàn)互聯(lián)和融合，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)數(shù)據(jù)的上層聯(lián)動(dòng)，并最終利用云計(jì)算、大數(shù)據(jù)乃至人工智能的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和運(yùn)算的優(yōu)勢(shì)將生產(chǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行深度挖掘和加工，并最終輸出優(yōu)化的生產(chǎn)數(shù)據(jù)用于提高生產(chǎn)效率。而在下層的生產(chǎn)執(zhí)行層設(shè)備和系統(tǒng)，則也處于智能和重構(gòu)階段，比如最終生產(chǎn)數(shù)據(jù)的終端以及產(chǎn)生變化，包括人們身穿的跑鞋、智能工廠里面的智能生產(chǎn)線，這些從傳感器到執(zhí)行器的所有物理設(shè)備已經(jīng)在向數(shù)字化、智能化方向發(fā)展并且已經(jīng)取得成績(jī)。因此可以發(fā)現(xiàn)，在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)或工業(yè)40時(shí)代，工業(yè)控制系統(tǒng)最終的體系變革是將傳統(tǒng)的金字塔模型從兩端進(jìn)行變革。準(zhǔn)確一點(diǎn)來(lái)說(shuō)，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)側(cè)重的是上層生產(chǎn)數(shù)據(jù)的技術(shù)變革，即工業(yè)控制系統(tǒng)和云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等的融合，提倡將工業(yè)控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)上載到工業(yè)云上，利用云進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘和分析從而優(yōu)化生產(chǎn)的過(guò)程。所以在現(xiàn)在的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)上，其體系架構(gòu)實(shí)現(xiàn)要么是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)直接和PLC設(shè)備直接采集PLC上的生產(chǎn)數(shù)據(jù)，要么是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)采集工業(yè)控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)，要么就是開(kāi)發(fā)出一個(gè)數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)，通過(guò)數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)將所有數(shù)據(jù)全部采集后，網(wǎng)關(guān)再將數(shù)據(jù)上傳至工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。所以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)本質(zhì)上來(lái)說(shuō)就是一個(gè)將工業(yè)控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)全部匯聚到一個(gè)云計(jì)算平臺(tái)上。工業(yè)4.0則側(cè)重于實(shí)現(xiàn)底層從傳感器到執(zhí)行器的所有物理設(shè)備的數(shù)字化和智能化，并且實(shí)現(xiàn)這些終端設(shè)備直接將該數(shù)據(jù)上傳。上傳的平臺(tái)可能是MES，歷史數(shù)據(jù)庫(kù)也可能是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。對(duì)大多數(shù)企業(yè)來(lái)說(shuō)，工業(yè)4.0首先要實(shí)現(xiàn)的第一步就是通過(guò)MES系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)所有相關(guān)子系統(tǒng)進(jìn)行垂直整合和數(shù)字化，以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的工廠運(yùn)營(yíng)透明度。同時(shí)橫向整合還包括功能區(qū)的連接。在此MES起到了信息轉(zhuǎn)盤(pán)的核心元素功能，對(duì)大數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、分析、處理以及為支持其他系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換。

在自動(dòng)化控制誕生之前，系統(tǒng)和機(jī)器的生產(chǎn)必須依靠手工進(jìn)行操作。而自動(dòng)化所帶來(lái)的好處是，將那些需要重復(fù)操作的環(huán)節(jié)利用自動(dòng)化控制實(shí)現(xiàn)，解放了人的雙手并實(shí)現(xiàn)了諸多優(yōu)勢(shì)--從縮短上市時(shí)間到減少故障產(chǎn)品均能夠很好表現(xiàn)自動(dòng)化控制的優(yōu)點(diǎn)。盡管如此，隨著市場(chǎng)需求的不斷增長(zhǎng)，人們還是嫌棄現(xiàn)有的自動(dòng)化控制無(wú)法滿(mǎn)足生產(chǎn)效率的需求，而實(shí)質(zhì)也是這樣。人們需要更多的靈活性來(lái)保障快速的產(chǎn)品生產(chǎn)上市銷(xiāo)售，靈活性是現(xiàn)在工業(yè)自動(dòng)化的關(guān)鍵和重點(diǎn)。這些靈活性表現(xiàn)在：越來(lái)越多的工廠數(shù)據(jù)應(yīng)該是可復(fù)用的，邏輯代碼應(yīng)該是易于移動(dòng)和可重用的，系統(tǒng)應(yīng)該是模塊化和可擴(kuò)展的，生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)該根據(jù)自己的需求選擇他們的優(yōu)選供應(yīng)商而不是現(xiàn)在的綁定銷(xiāo)售等等。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)4.0的這些實(shí)現(xiàn)支持了未來(lái)工業(yè)控制系統(tǒng)靈活性和可擴(kuò)展性的需求。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)使得我們的生產(chǎn)數(shù)據(jù)可以進(jìn)行規(guī)模化集中存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)以前不可能實(shí)現(xiàn)的大數(shù)據(jù)，并利用云計(jì)算平臺(tái)前所未有的計(jì)算能力對(duì)這些大數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，挖掘和優(yōu)化生產(chǎn)效率。工業(yè)4.0使得現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、機(jī)器和工廠已經(jīng)變得“更智能”，所以我們可以談?wù)撝悄茉O(shè)備、智能機(jī)器和智能工廠。但是，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)還是工業(yè)4.0，均未對(duì)工業(yè)控制系統(tǒng)的的“大腦”P(pán)LC做出任何更進(jìn)一步的技術(shù)變革。這種兩頭重中間輕的現(xiàn)象，就好比是高速路上的收費(fèi)站，光高速路擴(kuò)寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能夠?qū)崿F(xiàn)更大的汽車(chē)吞吐，矗立與高速路上的各個(gè)收費(fèi)站才是這條路上的瓶頸點(diǎn)。因此現(xiàn)在針對(duì)收費(fèi)站都需要設(shè)置更多收費(fèi)窗口、實(shí)現(xiàn)電子收費(fèi)等等舉措改革而適應(yīng)高速快速增長(zhǎng)的車(chē)流。適用于工業(yè)控制系統(tǒng)領(lǐng)域也是一樣，控制的核心PLC設(shè)備不能夠靈活擴(kuò)展，無(wú)疑這一限制將會(huì)大大減弱工業(yè)控制系統(tǒng)靈活性和可擴(kuò)展性。

因此目前業(yè)界針對(duì)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)4.0等的技術(shù)體系探索，重點(diǎn)將圍繞PLC展開(kāi)。

具體來(lái)說(shuō)實(shí)現(xiàn)PLC靈活性和可擴(kuò)展性的方案主要有以下兩種：

1、實(shí)現(xiàn)PLC虛擬化。利用PLC虛擬化是虛擬PLC（vPLC）取代傳統(tǒng)硬件PLC；

2、PLC硬件重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)下一代新型和智能的PLC設(shè)備，取代傳統(tǒng)硬件PLC。

這兩種技術(shù)是目前工業(yè)向互聯(lián)網(wǎng)轉(zhuǎn)化的技術(shù)熱點(diǎn)和研究方向，至少?gòu)睦碚搶?shí)現(xiàn)的角度上來(lái)說(shuō)，實(shí)現(xiàn)PLC虛擬化將最大程度的保障現(xiàn)有的大部分廠家及其用戶(hù)的現(xiàn)有利益，并且基于信息系統(tǒng)的成功案例，使得大家對(duì)其實(shí)現(xiàn)信心滿(mǎn)滿(mǎn)。另外的PLC硬件重構(gòu)，主要以軟件定義思想為核心，將PLC硬件的邏輯運(yùn)算平面和邏輯控制平面進(jìn)行分離，PLC硬件將實(shí)現(xiàn)通用的邏輯運(yùn)算，統(tǒng)一由控制器進(jìn)行控制平面的邏輯控制和邏輯管理。

叁、PLC的虛擬化和軟件定義

虛擬化和云計(jì)算在ICT領(lǐng)域取得巨大成功，其創(chuàng)新程度甚至顛覆了整個(gè)ICT舊有的架構(gòu)體系，從里到外全部翻了一遍。其效果也是相當(dāng)顯著，至少將現(xiàn)在的ICT環(huán)境的運(yùn)營(yíng)成本利用虛擬化和云計(jì)算技術(shù)已經(jīng)顯著降低，至于降低多少，降低到什么程度，我相信這是一個(gè)眾口難調(diào)的數(shù)字。但是至少使用虛擬化和云計(jì)算的企業(yè)，已經(jīng)享受了其帶來(lái)的好處，并且當(dāng)前虛擬化和云計(jì)算技術(shù)已經(jīng)成為辦公室和企業(yè)界最先進(jìn)的解決方案。但是在工業(yè)應(yīng)用中部署這些技術(shù)和解決方案并不容易，因?yàn)樵诠I(yè)環(huán)境中，要求通常很高，系統(tǒng)故障、實(shí)時(shí)性等對(duì)工業(yè)生產(chǎn)和應(yīng)用來(lái)說(shuō)是至關(guān)重要的。而工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)4.0舊是著手于解決虛擬化和云計(jì)算等先進(jìn)IT創(chuàng)新技術(shù)運(yùn)用于工業(yè)領(lǐng)域并提高工業(yè)生產(chǎn)效率的變革和技術(shù)實(shí)現(xiàn)。在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)4.0的實(shí)踐當(dāng)中，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)4.0技術(shù)在當(dāng)前來(lái)說(shuō)，是否已經(jīng)如此發(fā)達(dá)和可靠，以至于它們可以在需要滿(mǎn)足穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)計(jì)算等較高要求的工業(yè)控制環(huán)境中使用，這是值得懷疑的。但是從一些公開(kāi)發(fā)表的案例和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)看，制造商已經(jīng)開(kāi)始從工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)4.0技術(shù)中受益，這些受益的部分主要是利用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)或工業(yè)4.0技術(shù)，他們可以使用實(shí)時(shí)生產(chǎn)數(shù)據(jù)來(lái)幫助更有效地規(guī)劃生產(chǎn)過(guò)程，從而提高生產(chǎn)效率和降低運(yùn)營(yíng)成本。這些案例的成功使得人們?cè)趥涫芄奈璧耐瑫r(shí)，積極投入成本研發(fā)下一步的技術(shù)解決方案和完善當(dāng)前技術(shù)實(shí)現(xiàn)。在當(dāng)前，類(lèi)似西門(mén)子等工控設(shè)備廠商和從事IT領(lǐng)域的虛擬化云計(jì)算廠商均將目光投入到嘗試虛擬化控制平面上面，使用軟件而不是物理硬件來(lái)降低運(yùn)營(yíng)成本，并擁有更加靈活的控制環(huán)境。PLC虛擬化或軟件定義的PLC，換句話說(shuō)，使用虛擬PLC（vPLC）或軟件定義的PLC是他們下一步研究和實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。至少?gòu)哪壳暗募夹g(shù)實(shí)現(xiàn)和研究方向上以及IT的成功經(jīng)驗(yàn)上看，大勢(shì)是如此的。

PLC虛擬化或軟件定義的PLC，其技術(shù)思想都是將傳統(tǒng)專(zhuān)用的硬件功能解耦。因?yàn)樵诠I(yè)互聯(lián)網(wǎng)或工業(yè)4.0時(shí)代，工廠車(chē)間中具有更高級(jí)別應(yīng)用程序的機(jī)器的數(shù)據(jù)集成主要是使用傳統(tǒng)協(xié)議完成的，而傳統(tǒng)協(xié)議缺乏對(duì)新設(shè)備靈活集成的支持。兩者之間總是存在著矛盾，如何解決這種矛盾？只能在這兩者之間引入一個(gè)中間層，通過(guò)虛擬化PLC控制器或軟件定義PLC將控制邏輯與機(jī)器分離，可以獲得更靈活的重新配置。

PLC虛擬化或軟件定義PLC通過(guò)允許用戶(hù)更換或添加組件而不影響系統(tǒng)的其他部分，實(shí)現(xiàn)輕松的可擴(kuò)展性和系統(tǒng)模塊化。PLC虛擬化或軟件定義PLC設(shè)計(jì)為開(kāi)放平臺(tái)，允許用戶(hù)選擇首選組件和解決方案，這意味著用戶(hù)可以靈活地選擇不同的供應(yīng)商（無(wú)供應(yīng)商鎖定）。在工業(yè)3.0系統(tǒng)中，在同一個(gè)體系結(jié)構(gòu)中使用多個(gè)供應(yīng)商的組件并不那么容易，或者根本不可能。PLC虛擬化或軟件定義PLC中通常沒(méi)有硬件依賴(lài)性，所以很容易遷移和重用軟件。PLC虛擬化或軟件定義PLC使用虛擬化或軟件定義技術(shù)，使用更多的軟件而不是硬件，因?yàn)樗璧挠布?shù)量較少，所以降低了成本，縮小了占用空間。目標(biāo)是提供現(xiàn)成的和可供銷(xiāo)售的COTS（COTS =商業(yè)現(xiàn)成的）軟件/硬件產(chǎn)品以實(shí)現(xiàn)整體解決方案的靈活選擇和可擴(kuò)展性。虛擬化技術(shù)和軟件定義的體系結(jié)構(gòu)是以軟件為中心的模式，在系統(tǒng)集中管理、網(wǎng)絡(luò)處理和安全性方面具有優(yōu)勢(shì)。遠(yuǎn)程監(jiān)控降低了運(yùn)營(yíng)成本，而維護(hù)工程師或操作員并不總是需要現(xiàn)場(chǎng)檢查機(jī)器的狀態(tài)。集中管理簡(jiǎn)化了遠(yuǎn)程監(jiān)控，因?yàn)橹恍柙L問(wèn)一個(gè)軟件平臺(tái)即可管理您的資產(chǎn)。通過(guò)云計(jì)算和使用智能傳感器（包括通信能力和板載診斷的傳感器），機(jī)器數(shù)據(jù)被推送到云端，數(shù)據(jù)可以通過(guò)用戶(hù)界面（HMI）訪問(wèn)。機(jī)器數(shù)據(jù)可以用于預(yù)測(cè)性維護(hù)，這意味著機(jī)器數(shù)據(jù)可以用來(lái)預(yù)估機(jī)器即將發(fā)生故障的時(shí)間。

PLC虛擬化在這里并非是指軟件PLC（SoftPLC）或安裝虛擬機(jī)里面的軟件PLC，而是指將PLC執(zhí)行環(huán)境與I/O模塊解耦，并將PLC執(zhí)行環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化、虛擬化的實(shí)現(xiàn)。而軟件定義則是將PLC的邏輯抽象出來(lái)，利用軟件定義網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)思路，通過(guò)一個(gè)應(yīng)用程序商店的方式實(shí)現(xiàn)針對(duì)PLC執(zhí)行動(dòng)作的程序開(kāi)發(fā)和管理，讓?xiě)?yīng)用程序定義硬件PLC的功能。也就是將PLC的邏輯控制、程序存儲(chǔ)和IO模塊分離，利用應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)邏輯控制部分。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)或工業(yè)4.0在實(shí)現(xiàn)PLC虛擬化或軟件定義的PLC時(shí)，均使用到了以下技術(shù)：