控制工程中文版 發表於 2021-01-07 14:08:49
隨著雲計算，機器學習和大數據等IT技術和工業控制領域OT技術的不斷融合，工業網際網路和智能製造已經成為未來工業生產的大勢所趨。工業網際網路和智能製造賦予了未來製造更大的靈活性，小批量、多品種和可定製這些生產方式也逐漸成為了可能，這也要求現代生產製造的核心技術——工業自動化控制系統更加靈活有擴展性。
為此，一種基於軟體定義的PLC控制系統開始受到業界的關注和重視，甚至被譽為「工業網際網路時代的新一代控制系統」。那麼，這是什麼樣的一種控制系統呢？為何更加適合工業網際網路的要求呢？目前的最新進展是什麼呢？
近日，CONTROL ENGINEERING China採訪了國內軟體定義控制領導廠商東土科技的常務副總經理劉生富先生，就軟體定義的PLC控制系統做了一個深入的了解。
工業網際網路亟需更加靈活的控制系統
市場競爭的加劇和技術的進步使得現在產品更新換代頻繁，產品的生命周期越來越短。製造業的生產模式隨之發生巨大變化，工業網際網路和智能製造成為解決從大規模「剛性製造」轉向小批量「柔性製造」的必然選擇。
工業網際網路使得生產數據可以進行規模化集中存儲，實現以前不可能實現的大數據，並利用雲平臺前所未有的計算能力對大數據進行分析，挖掘和優化生產效率。智能製造使得現場設備、機器和工廠變得「更智能」，能夠通過工業網絡採集到各類現場數據。但是在劉生富看來，現在無論是工業網際網路還是智能製造，均未對工業控制系統的「大腦」PLC/DCS做出任何更進一步的技術變革，控制的核心PLC不能夠靈活擴展，無疑將大大減弱工業控制系統靈活性和可擴展性，從而不能滿足工業網際網路條件下需要短時間內重新配置生產資源的需求。
同時，隨著智能化需求的日益增長，以傳統PLC/DCS為代表的第三代控制系統已經不能滿足工業智能化的需求。一方面，現在的控制系統不僅要處理傳統的溫度、壓力、流量和液位等四大傳感信號，而且還要能夠處理視覺、語音等以前沒有的信號，要支持5G等無線通信，這些對於傳統的PLC是無法做到的。另一方面，傳統的PLC廠家各自都有自己的通信協議，不開放、不可擴展、不可兼容，這對於未來按需生產的智能製造是不相適應的。
而基於軟體定義的PLC具有與生俱來的靈活性，能夠利用虛擬化技術通過軟體設置即可實現控制能力的擴展，這正是未來製造最需要的控制系統。
軟體定義PLC改變工業網際網路系統架構
傳統的工業控制系統通常被稱為五層金字塔模型，從現場傳感層到PLC/DCS控制層，再到上面的數據採集和監控SCADA層，生產執行MES層和企業管理ERP層。隨著工業網際網路的應用，MES和ERP開始互聯融合和雲化。
目前的工業網際網路平臺以兼容傳統架構的方式運行，通過實時或者歷史資料庫或者專門的數據採集網關進行現場數據的採集，然後上傳到平臺上進行數據處理、展示，以及利用工業App做數據應用，進行預測和優化生產過程。但要實現真正意義上工業網際網路所構建的藍圖，這樣的架構並不能滿足要求。在工業生產過程中，最終的控制過程還需要PLC來進行控制，MES、ERP或者工業APP不僅需要從PLC直接採集數據，而且還需要PLC能夠直接執行來自MES、ERP或者工業APP的指令，根據指令優化和調整PLC控制程序，實現工業生產的效率提升，同時也避免繁瑣的人工調試過程。
而現有的工業網際網路平臺還無法做到直達PLC的互操作，因此只有採用軟體定義的PLC才能夠與工業網際網路平臺直接相通，比如實現PLC輕鬆連接至網際網路，將APP和分析結果嵌入機器和雲，實現智能化和自我感知，無需更換PLC硬體即可改變和升級PLC，通過API和生態系統擴大工業網際網路平臺應用。
「軟體定義PLC更強調的是一種體系，一種實現思想。」劉生富補充說道，「工業網際網路的新一代控制系統的最終目的，就是實現ERP、MES、工業APP直接驅動控制系統來實現大數據驅動的精確控制。」
軟體定義PLC的優勢前所未有
軟體定義其實並不是一個新詞，從早先的「軟體定義網絡」，到後來的「軟體定義一切」，其實軟體定義已經走過了概念論證階段，在IT領域已經一個成熟的技術。當然在工業領域，由於可靠性和實時性要求都很高，所以軟體定義並沒有得到很多應用。
「東土倡導的軟體定義PLC，是基於虛擬化技術，將傳統專用的PLC功能解耦，利用軟體定義網絡的實現思路，通過應用程式來實現PLC邏輯控制的功能。」劉生富解釋道，「軟體定義PLC的核心是硬體資源虛擬化和管理功能可編程。」
由於軟體定義PLC實現了硬體和軟體的分離，可以通過軟體來配置硬體資源，所以有著傳統PLC所不具備的優勢。
首先，軟體定義PLC通常沒有硬體依賴性，很容易遷移和重用軟體，用戶可以靈活地選擇不同的供應商，也允許用戶更換或添加組件而不影響系統的其他部分，輕鬆實現可擴展性和系統模塊化。這在傳統PLC控制中並不那麼容易，或者根本不可能實現。
其次，軟體定義PLC由於採用最新的處理器，CPU的性能要比PLC要強很多，同時一個CPU可以虛擬出多個PLC，同時控制更多的設備。而且軟體定義PLC可以處理語音、視覺及未來5G等新的數據，甚至在PLC上直接運行各類行業算法、工業APP，這樣在很多場合可省去工控機、伺服器，這些在傳統PLC上是很難實現的。
最後，劉生富強調，軟體定義PLC還有一個有點是可以用高級語言編程。傳統PLC通常用梯形圖、結構化文本等編程，需要專業的自動化工程師去做，而且用這些語言去編寫現在的很多算法十分費勁，而用C或者C++這些高級語言就能十分容易。
軟體定義PLC的實現
——NEWPRE工業伺服器
儘管軟體定義控制的技術已經成熟，目前國內外也有不少廠商和機構幾年前也開始了研究，但是東土科技已經在2019年4月德國漢諾瓦展上率先發布軟體定義控制的工業伺服器NEWPRE。
漢諾瓦展DEMO：利用軟體定義將Intel i7處理器的4個物理核虛擬出20個實時核，同時集成自動化控制、運動控制、機器視覺等功能。
「這款NEWPRE工業伺服器就是一款軟體定義PLC的代表作，它基於開放的x86虛擬化架構，在Intel最新的i7處理器上通過高實時虛擬化技術，可以虛擬出最多20個軟體定義的實時系統以替代PLC控制器。」劉生富用一套在漢諾瓦展出的實景DEMO解釋道，用NEWPRE不但可以做邏輯控制，而且可以輕鬆集成各種工業APP，例如可視化、協同製造、 機器視覺和工業大數據分析引擎等行業應用軟體，真正實現OT和IT技術的融合，滿足工業網際網路和智能製造的需求。
劉生富表示，雖然這樣的系統看上去和PC-BASE類似，但其實也有著本質不同。首先PC-BASE不會採用虛擬化技術，處理器的每個物理核對應一個PLC應用，而NEWPRE可以虛擬出更多的虛擬核來做PLC控制。更為重要的是，PC-BASE通常都是基於Windows或者 Linux桌面操作和作業系統，桌面系統和作業系統為同一系統，而NEWPRE不僅安裝運行了東土自主開發的實時作業系統Intewell，同時也可以運行Windows或者 Linux系統，兩個系統同時隔離運行，在桌面系統發生宕機時並不會影響實時系統的正常運行。
目前，在實時性方面，NEWPRE支持最小50us的循環時間。在編程方面，集成了東土自己的工業控制編程平臺MaVIEW，可以用拖拽式圖形化編程，也可以支持IEC61131-3，用C++、MatLab/Simulink等編程。同時，內置多種協議的協議轉換，支持MQTT或OPC-UA到雲的連接。
「NEWPRE可以說是集邊緣計算、過程控制、運動控制和機器視覺於一身，是工業網際網路時代新一代控制系統，因此也獲得了2019年首屆工業網際網路大賽一等獎。」劉生富總結道。
應用眾多軟體定義PLC威力初顯
自從NEWPRE在去年4月發布以來，目前已經在眾多領域得到應用，顯示出了軟體定義PLC的初步威力。
據劉生富介紹，在虛擬多核帶來的優勢方面，一個典型的應用是，在一條電子晶片生產上，一臺NEWPRE虛擬出了13個PLC完成13個工位的自動控制，至今已經運行近一年，沒有出現任何問題。另一個比較典型的應用是，東土幫助Fanuc公司改進了機器人教學系統。在使用NEWPRE之前，一臺機器人通常要給三個學生使用，得給每個學生配一個工控機來運行學生的仿真模型，還需要一個PLC接受工控機下發的指令來控制機器人，相當於一臺機器人得配三套系統。而現在只要一個NEWPRE，就安裝了三套桌面系統和一套實時系統，桌面系統支持模擬仿真，實時系統控制機器人的運動，這樣就省去了系統的複雜性和成本。
在集成機器視覺優勢方面，NEWPRE也已經得到應用。目前東土和合作夥伴正在連發開發新的無人行車控制系統。以前無人行車通常採用攝像機採集信息給工控機進行路徑規划算法計算，然後通過PLC和變頻器控制行車的走向。現在用NEWPRE之後，可以省去工控機和PLC，不但節省了硬體成本，而且還大大簡化了控制系統的架構。
「近一年來，我們NEWPRE還在燃氣站站控、油庫儲油罐液位控制和工程車無人駕駛控制等方面都已經得到應用，可以說軟體定義PLC的一些優勢在實際應用中都超出了我們的預計。」當然，在劉生富看來，這些應用只是初露鋒芒，「目前，我們也在和東北大學流程工業綜合自動化國家重點實驗室合作，開發更多的行業算法庫來促進軟體定義PLC的應用，也希望有更多的行業有合作夥伴加入，一起開發行業應用。」
正如工業網際網路還在早期發展階段一樣，軟體定義PLC目前顯然也還處在逐漸成熟階段。儘管目前傳統PLC還屬於絕對的主導地位，而且也在朝著更多適應工業網際網路需求的方向在發展，但無疑軟體定義PLC開創了傳統PLC不一樣的通向未來之路，也許在工業網際網路時代真正到來那一天，也正是軟體定義PLC大放異彩的那一天。
責任編輯：YYX
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