軟件定義PLC——工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代控制系統(tǒng)的技術(shù)變革

隨著云計(jì)算，機(jī)器學(xué)習(xí)和大數(shù)據(jù)等IT技術(shù)和工業(yè)控制領(lǐng)域OT技術(shù)的不斷融合，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和智能制造已經(jīng)成為未來工業(yè)生產(chǎn)的大勢(shì)所趨。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和智能制造賦予了未來制造更大的靈活性，小批量、多品種和可定制這些生產(chǎn)方式也逐漸成為了可能，這也要求現(xiàn)代生產(chǎn)制造的核心技術(shù)——工業(yè)自動(dòng)化控制系統(tǒng)更加靈活有擴(kuò)展性。

為此，一種基于軟件定義的PLC控制系統(tǒng)開始受到業(yè)界的關(guān)注和重視，甚至被譽(yù)為“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的新一代控制系統(tǒng)”。那么，這是什么樣的一種控制系統(tǒng)呢？為何更加適合工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的要求呢？目前的最新進(jìn)展是什么呢？

近日，記者采訪了國(guó)內(nèi)軟件定義控制領(lǐng)導(dǎo)廠商?hào)|土科技的常務(wù)副總經(jīng)理劉生富先生，就軟件定義的PLC控制系統(tǒng)做了一個(gè)深入的了解。

東土科技常務(wù)副總經(jīng)理劉生富

 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)亟需更加靈活的控制系統(tǒng)

市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的加劇和技術(shù)的進(jìn)步使得現(xiàn)在產(chǎn)品更新?lián)Q代頻繁，產(chǎn)品的生命周期越來越短。制造業(yè)的生產(chǎn)模式隨之發(fā)生巨大變化，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和智能制造成為解決從大規(guī)?！皠傂灾圃臁鞭D(zhuǎn)向小批量“柔性制造”的必然選擇。

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)使得生產(chǎn)數(shù)據(jù)可以進(jìn)行規(guī)?；写鎯?chǔ)，實(shí)現(xiàn)以前不可能實(shí)現(xiàn)的大數(shù)據(jù)，并利用云平臺(tái)前所未有的計(jì)算能力對(duì)大數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，挖掘和優(yōu)化生產(chǎn)效率。智能制造使得現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、機(jī)器和工廠變得“更智能”，能夠通過工業(yè)網(wǎng)絡(luò)采集到各類現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)。但是在劉生富看來，現(xiàn)在無論是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)還是智能制造，均未對(duì)工業(yè)控制系統(tǒng)的“大腦”PLC/DCS做出任何更進(jìn)一步的技術(shù)變革，控制的核心PLC不能夠靈活擴(kuò)展，無疑將大大減弱工業(yè)控制系統(tǒng)靈活性和可擴(kuò)展性，從而不能滿足工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)條件下需要短時(shí)間內(nèi)重新配置生產(chǎn)資源的需求。

同時(shí)，隨著智能化需求的日益增長(zhǎng)，以傳統(tǒng)PLC/DCS為代表的第三代控制系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足工業(yè)智能化的需求。一方面，現(xiàn)在的控制系統(tǒng)不僅要處理傳統(tǒng)的溫度、壓力、流量和液位等四大傳感信號(hào)，而且還要能夠處理視覺、語音等以前沒有的信號(hào)，要支持5G等無線通信，這些對(duì)于傳統(tǒng)的PLC是無法做到的。另一方面，傳統(tǒng)的PLC廠家各自都有自己的通信協(xié)議，不開放、不可擴(kuò)展、不可兼容，這對(duì)于未來按需生產(chǎn)的智能制造是不相適應(yīng)的。

而基于軟件定義的PLC具有與生俱來的靈活性，能夠利用虛擬化技術(shù)通過軟件設(shè)置即可實(shí)現(xiàn)控制能力的擴(kuò)展，這正是未來制造最需要的控制系統(tǒng)。

軟件定義PLC改變工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)

傳統(tǒng)的工業(yè)控制系統(tǒng)通常被稱為五層金字塔模型，從現(xiàn)場(chǎng)傳感層到PLC/DCS控制層，再到上面的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控SCADA層，生產(chǎn)執(zhí)行MES層和企業(yè)管理ERP層。隨著工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用，MES和ERP開始互聯(lián)融合和云化。

目前的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)以兼容傳統(tǒng)架構(gòu)的方式運(yùn)行，通過實(shí)時(shí)或者歷史數(shù)據(jù)庫或者專門的數(shù)據(jù)采集網(wǎng)關(guān)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集，然后上傳到平臺(tái)上進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、展示，以及利用工業(yè)App做數(shù)據(jù)應(yīng)用，進(jìn)行預(yù)測(cè)和優(yōu)化生產(chǎn)過程。但要實(shí)現(xiàn)真正意義上工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)所構(gòu)建的藍(lán)圖，這樣的架構(gòu)并不能滿足要求。在工業(yè)生產(chǎn)過程中，最終的控制過程還需要PLC來進(jìn)行控制，MES、ERP或者工業(yè)APP不僅需要從PLC直接采集數(shù)據(jù)，而且還需要PLC能夠直接執(zhí)行來自MES、ERP或者工業(yè)APP的指令，根據(jù)指令優(yōu)化和調(diào)整PLC控制程序，實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)的效率提升，同時(shí)也避免繁瑣的人工調(diào)試過程。

而現(xiàn)有的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)還無法做到直達(dá)PLC的互操作，因此只有采用軟件定義的PLC才能夠與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)直接相通，比如實(shí)現(xiàn)PLC輕松連接至互聯(lián)網(wǎng)，將APP和分析結(jié)果嵌入機(jī)器和云，實(shí)現(xiàn)智能化和自我感知，無需更換PLC硬件即可改變和升級(jí)PLC，通過API和生態(tài)系統(tǒng)擴(kuò)大工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)應(yīng)用。

“軟件定義PLC更強(qiáng)調(diào)的是一種體系，一種實(shí)現(xiàn)思想?！眲⑸谎a(bǔ)充說道，“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的新一代控制系統(tǒng)的最終目的，就是實(shí)現(xiàn)ERP、MES、工業(yè)APP直接驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的精確控制?！?/p>

軟件定義PLC的優(yōu)勢(shì)前所未有

軟件定義其實(shí)并不是一個(gè)新詞，從早先的“軟件定義網(wǎng)絡(luò)”，到后來的“軟件定義一切”，其實(shí)軟件定義已經(jīng)走過了概念論證階段，在IT領(lǐng)域已經(jīng)一個(gè)成熟的技術(shù)。當(dāng)然在工業(yè)領(lǐng)域，由于可靠性和實(shí)時(shí)性要求都很高，所以軟件定義并沒有得到很多應(yīng)用。

“東土倡導(dǎo)的軟件定義PLC，是基于虛擬化技術(shù)，將傳統(tǒng)專用的PLC功能解耦，利用軟件定義網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)思路，通過應(yīng)用程序來實(shí)現(xiàn)PLC邏輯控制的功能?！眲⑸唤忉尩?，“軟件定義PLC的核心是硬件資源虛擬化和管理功能可編程?！?/p>

由于軟件定義PLC實(shí)現(xiàn)了硬件和軟件的分離，可以通過軟件來配置硬件資源，所以有著傳統(tǒng)PLC所不具備的優(yōu)勢(shì)。

首先，軟件定義PLC通常沒有硬件依賴性，很容易遷移和重用軟件，用戶可以靈活地選擇不同的供應(yīng)商，也允許用戶更換或添加組件而不影響系統(tǒng)的其他部分，輕松實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展性和系統(tǒng)模塊化。這在傳統(tǒng)PLC控制中并不那么容易，或者根本不可能實(shí)現(xiàn)。

其次，軟件定義PLC由于采用最新的處理器，CPU的性能要比PLC要強(qiáng)很多，同時(shí)一個(gè)CPU可以虛擬出多個(gè)PLC，同時(shí)控制更多的設(shè)備。而且軟件定義PLC可以處理語音、視覺及未來5G等新的數(shù)據(jù)，甚至在PLC上直接運(yùn)行各類行業(yè)算法、工業(yè)APP，這樣在很多場(chǎng)合可省去工控機(jī)、服務(wù)器，這些在傳統(tǒng)PLC上是很難實(shí)現(xiàn)的。

最后，劉生富強(qiáng)調(diào)，軟件定義PLC還有一個(gè)有點(diǎn)是可以用高級(jí)語言編程。傳統(tǒng)PLC通常用梯形圖、結(jié)構(gòu)化文本等編程，需要專業(yè)的自動(dòng)化工程師去做，而且用這些語言去編寫現(xiàn)在的很多算法十分費(fèi)勁，而用C或者C++這些高級(jí)語言就能十分容易。

軟件定義PLC的實(shí)現(xiàn)——NEWPRE工業(yè)服務(wù)器

盡管軟件定義控制的技術(shù)已經(jīng)成熟，目前國(guó)內(nèi)外也有不少廠商和機(jī)構(gòu)幾年前也開始了研究，但是東土科技已經(jīng)在2019年4月德國(guó)漢諾威展上率先發(fā)布軟件定義控制的工業(yè)服務(wù)器NEWPRE。

漢諾威展DEMO：利用軟件定義將Intel i7處理器的4個(gè)物理核虛擬出20個(gè)實(shí)時(shí)核，

同時(shí)集成自動(dòng)化控制、運(yùn)動(dòng)控制、機(jī)器視覺等功能。

“這款NEWPRE工業(yè)服務(wù)器就是一款軟件定義PLC的代表作，它基于開放的x86虛擬化架構(gòu)，在Intel最新的i7處理器上通過高實(shí)時(shí)虛擬化技術(shù)，可以虛擬出最多20個(gè)軟件定義的實(shí)時(shí)系統(tǒng)以替代PLC控制器?！眲⑸挥靡惶自跐h諾威展出的實(shí)景DEMO解釋道，用NEWPRE不但可以做邏輯控制，而且可以輕松集成各種工業(yè)APP，例如可視化、協(xié)同制造、 機(jī)器視覺和工業(yè)大數(shù)據(jù)分析引擎等行業(yè)應(yīng)用軟件，真正實(shí)現(xiàn)OT和IT技術(shù)的融合，滿足工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和智能制造的需求。

劉生富表示，雖然這樣的系統(tǒng)看上去和PC-BASE類似，但其實(shí)也有著本質(zhì)不同。首先PC-BASE不會(huì)采用虛擬化技術(shù)，處理器的每個(gè)物理核對(duì)應(yīng)一個(gè)PLC應(yīng)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通常都是基于Windows或者 Linux桌面操作和操作系統(tǒng)，桌面系統(tǒng)和操作系統(tǒng)為同一系統(tǒng)，而NEWPRE不僅安裝運(yùn)行了東土自主開發(fā)的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)Intewell，同時(shí)也可以運(yùn)行Windows或者 Linux系統(tǒng)，兩個(gè)系統(tǒng)同時(shí)隔離運(yùn)行，在桌面系統(tǒng)發(fā)生宕機(jī)時(shí)并不會(huì)影響實(shí)時(shí)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

NewPre3100系列工業(yè)服務(wù)器

 目前，在實(shí)時(shí)性方面，NEWPRE支持最小50us的循環(huán)時(shí)間。在編程方面，集成了東土自己的工業(yè)控制編程平臺(tái)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(shí)，內(nèi)置多種協(xié)議的協(xié)議轉(zhuǎn)換，支持MQTT或OPC-UA到云的連接。

“NEWPRE可以說是集邊緣計(jì)算、過程控制、運(yùn)動(dòng)控制和機(jī)器視覺于一身，是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代新一代控制系統(tǒng)，因此也獲得了2019年首屆工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)大賽一等獎(jiǎng)?！眲⑸豢偨Y(jié)道。

應(yīng)用眾多軟件定義PLC威力初顯

自從NEWPRE在去年4月發(fā)布以來，目前已經(jīng)在眾多領(lǐng)域得到應(yīng)用，顯示出了軟件定義PLC的初步威力。

據(jù)劉生富介紹，在虛擬多核帶來的優(yōu)勢(shì)方面，一個(gè)典型的應(yīng)用是，在一條電子芯片生產(chǎn)上，一臺(tái)NEWPRE虛擬出了13個(gè)PLC完成13個(gè)工位的自動(dòng)控制，至今已經(jīng)運(yùn)行近一年，沒有出現(xiàn)任何問題。另一個(gè)比較典型的應(yīng)用是，東土幫助Fanuc公司改進(jìn)了機(jī)器人教學(xué)系統(tǒng)。在使用NEWPRE之前，一臺(tái)機(jī)器人通常要給三個(gè)學(xué)生使用，得給每個(gè)學(xué)生配一個(gè)工控機(jī)來運(yùn)行學(xué)生的仿真模型，還需要一個(gè)PLC接受工控機(jī)下發(fā)的指令來控制機(jī)器人，相當(dāng)于一臺(tái)機(jī)器人得配三套系統(tǒng)。而現(xiàn)在只要一個(gè)NEWPRE，就安裝了三套桌面系統(tǒng)和一套實(shí)時(shí)系統(tǒng)，桌面系統(tǒng)支持模擬仿真，實(shí)時(shí)系統(tǒng)控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，這樣就省去了系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本。

在集成機(jī)器視覺優(yōu)勢(shì)方面，NEWPRE也已經(jīng)得到應(yīng)用。目前東土和合作伙伴正在聯(lián)合開發(fā)新的無人行車控制系統(tǒng)。以前無人行車通常采用攝像機(jī)采集信息給工控機(jī)進(jìn)行路徑規(guī)劃算法計(jì)算，然后通過PLC和變頻器控制行車的走向。現(xiàn)在用NEWPRE之后，可以省去工控機(jī)和PLC，不但節(jié)省了硬件成本，而且還大大簡(jiǎn)化了控制系統(tǒng)的架構(gòu)。

“近一年來，我們NEWPRE還在燃?xì)庹菊究?、油庫?chǔ)油罐液位控制和工程車無人駕駛控制等方面都已經(jīng)得到應(yīng)用，可以說軟件定義PLC的一些優(yōu)勢(shì)在實(shí)際應(yīng)用中都超出了我們的預(yù)計(jì)?！碑?dāng)然，在劉生富看來，這些應(yīng)用只是初露鋒芒，“目前，我們也在和東北大學(xué)流程工業(yè)綜合自動(dòng)化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室合作，開發(fā)更多的行業(yè)算法庫來促進(jìn)軟件定義PLC的應(yīng)用，也希望有更多的行業(yè)有合作伙伴加入，一起開發(fā)行業(yè)應(yīng)用。”

正如工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)還在早期發(fā)展階段一樣，軟件定義PLC目前顯然也還處在逐漸成熟階段。盡管目前傳統(tǒng)PLC還屬于絕對(duì)的主導(dǎo)地位，而且也在朝著更多適應(yīng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)需求的方向在發(fā)展，但無疑軟件定義PLC開創(chuàng)了傳統(tǒng)PLC不一樣的通向未來之路，也許在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代真正到來那一天，也正是軟件定義PLC大放異彩的那一天。