PLC就是邏輯控制嗎？PLC的網(wǎng)絡(luò)通信怎么樣？

人們談起工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，就會(huì)討論起工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的PLC，不過(guò)，大部分人似乎對(duì)PLC的理解停留在20年前——PLC就是邏輯控制嗎？其實(shí)，20年前就已經(jīng)不是這樣了。

控制器的形式已經(jīng)發(fā)生了變化

是的，今天的自動(dòng)化行業(yè)，在軟硬件上都不像當(dāng)年的MCS-51單片機(jī)的時(shí)代，寄存器只有128字節(jié)，就算16位8096級(jí)的CPU尋址空間也僅能支持512kB的存儲(chǔ)卡，在那樣的CPU上處理以太網(wǎng)數(shù)據(jù)幀封裝和解包這樣的任務(wù)實(shí)在是不敢想象，因此帶有以太網(wǎng)接口的PLC在21世紀(jì)初期還是很厲害的，如果要處理高速的任務(wù)DSP、CPLD更是極其昂貴的，回想起來(lái)，即使在上個(gè)世紀(jì)80年代的PLC，一個(gè)邏輯點(diǎn)在當(dāng)時(shí)就達(dá)到1000元。

這些問(wèn)題已然解決，一個(gè)手機(jī)的處理器就能處理當(dāng)年登月工程所有計(jì)算機(jī)的處理能力，而一個(gè)芯片才幾百塊錢(qián)，128GB的USB也不到100元，科技的進(jìn)步也讓自動(dòng)化享用了這些資源，硬件不再是問(wèn)題。

當(dāng)然了，另一方面，機(jī)器的控制任務(wù)也比以前復(fù)雜了，早期PLC主要用于處理替代不便利的繼電器控制柜，因此，它的任務(wù)主要在繼電器開(kāi)關(guān)、延時(shí)、順序控制這樣的動(dòng)作，區(qū)別于DCS的連續(xù)型自動(dòng)化，但是，今天我們的機(jī)器包括了更為復(fù)雜的任務(wù)，運(yùn)動(dòng)控制、視覺(jué)、機(jī)器人、安全、復(fù)雜的工藝算法、液壓，包括一個(gè)機(jī)器的生產(chǎn)數(shù)據(jù)、配方、用戶、報(bào)警、趨勢(shì)、文件等任務(wù)，因此，本身對(duì)控制器的需求也更為復(fù)雜—確切的說(shuō)，機(jī)器對(duì)控制器的要求已經(jīng)早已超越了PLC這個(gè)詞，可編程邏輯控制器的要求了。

圖1-早期PLC主要為了代替復(fù)雜而不靈活的繼電器回路

（圖片來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)）

盡管現(xiàn)在大家還習(xí)慣上把機(jī)器的控制器稱(chēng)為PLC，但是，實(shí)際上PLC的形式是多樣的，例如PLC會(huì)與HMI結(jié)合構(gòu)成一個(gè)控制器，這樣就省略通信連接造成的不穩(wěn)定性，另外，PLC的控制任務(wù)也可以納入到工業(yè)PLC中，現(xiàn)在的多核處理CPU完全可以支持兩個(gè)不同的操作系統(tǒng)運(yùn)行不同的任務(wù)，如RTOS和Windows/Linux同時(shí)運(yùn)行。

PLC可以寫(xiě)算法嗎？

這個(gè)問(wèn)題大概你可以在20多年前就可以問(wèn)了，那個(gè)時(shí)候的PLC就可以了，貝加萊有一款黑色系列PLC，在1993年推出，其運(yùn)行了一個(gè)名為pSOS+的操作系統(tǒng)，可以支持BASIC的編程，這個(gè)pSOS+是一個(gè)定性分時(shí)多任務(wù)的操作系統(tǒng)，可以支持復(fù)雜的算法設(shè)計(jì)。

后來(lái)的PLC就更不用提了，傳統(tǒng)需要專(zhuān)用的控制系統(tǒng)來(lái)處理的套色控制任務(wù)也被貝加萊給集成到一個(gè)PLC上了，因?yàn)檫@種針對(duì)多變量系統(tǒng)耦合解耦的算法完全可以用C/C++來(lái)編寫(xiě)并運(yùn)行在一個(gè)PLC上。

在貝加萊的集成套色凹版印刷無(wú)軸傳動(dòng)系統(tǒng)中，邏輯、色標(biāo)檢測(cè)、套色、電子軸傳動(dòng)完全由一個(gè)控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)控制。

圖2-集成套色控制算法由一個(gè)PLC實(shí)現(xiàn)處理

這樣的應(yīng)用案例舉不勝舉，PLC早就可以針對(duì)復(fù)雜的工藝算法進(jìn)行處理了。

PLC的網(wǎng)絡(luò)通信怎么樣？

其實(shí)，IT在討論低延時(shí)的需求時(shí)，是在現(xiàn)有的高帶寬需求然后想進(jìn)入OT時(shí)開(kāi)始的，而事實(shí)上在2001年基于百兆以太網(wǎng)的POWERLINK當(dāng)時(shí)就可以達(dá)到比較高的響應(yīng)，最初90個(gè)節(jié)點(diǎn)（2000個(gè)I/O，50個(gè)伺服軸）的刷新是2.4mS，現(xiàn)在采用OPC UA over TSN的話這些節(jié)點(diǎn)刷新也就100μS了。

那別的通信呢？

圖3-支持豐富連接的PLC

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2 個(gè)USB

1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)

1個(gè)POWERLINK實(shí)時(shí)以太網(wǎng)接口

1個(gè)RS232接口

3個(gè)槽位，可選插入：

Profibus-DP主站/從站

Profinet主從

DeviceNet/ControlNet

Ethernet/IP

CAN/CANopen

RS485

通常每個(gè)插入的卡可以有兩個(gè)不同的接口，這意味著X20一個(gè)PLC可以支持到的接口最大可以達(dá)到11個(gè)。

運(yùn)動(dòng)控制可以玩嗎？

什么！運(yùn)動(dòng)控制可以玩嗎？——Yes,of course.

PLCopen就是大家平時(shí)用的IEC61131-3那些編程的梯形圖、結(jié)構(gòu)文本都是PLCopen的標(biāo)準(zhǔn)，在PLCopen Motion Part IV的協(xié)同運(yùn)動(dòng)控制中，機(jī)器人、CNC、定位與同步控制早已納入統(tǒng)一架構(gòu)了。

一個(gè)PLC就可以搞定了。

在傳統(tǒng)的PLC因?yàn)镃PU僅能處理比較簡(jiǎn)單的邏輯任務(wù)，往往需要一個(gè)專(zhuān)用的Motion Control模塊，早期采用了脈沖或模擬量，那么需要大量的接線，現(xiàn)在早已采用實(shí)時(shí)以太網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行連接，而另一個(gè)方面，運(yùn)動(dòng)控制模塊這種方式也會(huì)帶來(lái)較低的反應(yīng)速度，尤其是在PLC的邏輯與運(yùn)動(dòng)控制要協(xié)同的時(shí)候，舉個(gè)例子，在一個(gè)電子凸輪裁切的時(shí)候，需要一個(gè)外接編碼器，而這個(gè)在原有的PLC+運(yùn)動(dòng)控制模塊的架構(gòu)中，就會(huì)因?yàn)轫憫?yīng)慢而無(wú)法達(dá)到比較高速的裁切，但是，在ACOPOS系統(tǒng)中可以通過(guò)直接的編碼器輸入解決此問(wèn)題。

在1997年貝加萊推出ACOPOS系列伺服驅(qū)動(dòng)器時(shí)即采用了基于總線的控制，采用CAN總線與PLC的控制器進(jìn)行通信，由PLC對(duì)其進(jìn)行復(fù)雜的電子齒輪同步任務(wù)的協(xié)同、包括電子凸輪，后來(lái)又將NC模塊加入可以實(shí)現(xiàn)針對(duì)CNC的差不運(yùn)算的處理，到了2010年推出GMC(Generic Motion Control-通用運(yùn)動(dòng)控制)，將機(jī)器人、液壓也納入了統(tǒng)一的控制架構(gòu)，并采用了標(biāo)準(zhǔn)化的PLCopen Motion的Part IV協(xié)同運(yùn)動(dòng)控制進(jìn)行編程，在此基礎(chǔ)又封裝可復(fù)用的mappMotion模塊。

圖4-PLC可以處理復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)控制任務(wù)

復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)曲線需要高階的函數(shù)支持，而函數(shù)的階次又決定了能夠達(dá)到的曲線光滑度，而曲線光滑度影響對(duì)機(jī)械的沖擊會(huì)帶來(lái)較大影響，這會(huì)影響精度與機(jī)器的壽命，由于采用高階曲線（最大達(dá)到六階），使得傳動(dòng)控制更為平滑，就像乘坐電梯，有些電梯是比較舒適度高的，因?yàn)?a target="_blank">變頻器的曲線比較光滑，階次比較高的緣故。

PLC可以做邊緣計(jì)算嗎？

邊緣側(cè)的計(jì)算通常會(huì)針對(duì)一些策略性、優(yōu)化類(lèi)的問(wèn)題，邊緣計(jì)算是一種計(jì)算的疆界擴(kuò)展，從本地控制到分布式計(jì)算，控制器也在其中扮演了非常重要的角色，邊緣焦點(diǎn)首先解決連接問(wèn)題，例如通過(guò)Profibus、POWERLINK、CAN等的邊緣節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接，在嵌入式節(jié)點(diǎn)可以進(jìn)行一些本地的計(jì)算處理如產(chǎn)線的OEE、能源狀態(tài)顯示、資產(chǎn)管理等任務(wù)，到車(chē)間與工廠級(jí)的邊緣控制器則可以針對(duì)協(xié)同、優(yōu)化、規(guī)劃類(lèi)問(wèn)題進(jìn)行處理。

圖5-PLC可以用于邊緣側(cè)任務(wù)處理

這樣的邊緣側(cè)任務(wù)可以從一個(gè)PLC的邊緣連接模塊、也可以是一個(gè)PLC或一個(gè)Windows+RTOS的工業(yè)PC。

PLC可以有Web服務(wù)嗎？

這事都說(shuō)到十多年前了，PLC早就可以集成一個(gè)Web Server或一個(gè)VNC Server，通過(guò)遠(yuǎn)程的IE瀏覽器就可以訪問(wèn)了。

早期的PLC往往采用RISC架構(gòu)的CPU，而且沒(méi)有實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，僅有類(lèi)似計(jì)算機(jī)BIOS的處理，其硬件執(zhí)行的邏輯任務(wù)速度極快，但這也使得無(wú)法處理復(fù)雜算法、復(fù)雜的高速信號(hào)處理、以太網(wǎng)任務(wù)等，而基于Intel復(fù)雜指令集的CPU可以運(yùn)行功能強(qiáng)大的操作系統(tǒng)，可以運(yùn)行Web Server這樣的大塊數(shù)據(jù)任務(wù)處理，因此，在X20系列CPU中可以集成Web Server、VNC Server、FTP Server。

圖6-基于Web技術(shù)的遠(yuǎn)程診斷

基于Web技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的診斷與維護(hù)，并且，支持Web方式的數(shù)據(jù)發(fā)布，任意支持IE瀏覽器的終端均可以訪問(wèn)遠(yuǎn)程的設(shè)備維護(hù)數(shù)據(jù)，包括通過(guò)FTP服務(wù)來(lái)上傳和下載程序。

PLC可以仿真嗎？

仿真建模這個(gè)大概也發(fā)生在很早很早以前，在之前就可以了，2008年Mathworks推出SimulinkPLC的時(shí)候，貝加萊就是第一批接受這個(gè)接口的，通過(guò)C代碼導(dǎo)入，由MATLAB/Simulink建模仿真，自動(dòng)代碼生成的程序就可以下載到PLC上，實(shí)現(xiàn)硬件在環(huán)測(cè)試（Hardware In the Loop）。

圖7-支持與建模仿真軟件的接口

圖8-采用建模仿真可以自動(dòng)代碼生成并直接運(yùn)行于PLC

PLC的安全性怎么樣？

其實(shí)，安全性包括了三個(gè)方面的問(wèn)題，程序安全性、信息安全、功能安全；

（1）程序安全性：普通的PLC采用的是解釋執(zhí)行方式，這個(gè)不難破解，但是，如果像X20那樣的，采用了編譯系統(tǒng)直接編譯為二進(jìn)制代碼下載到PLC，你的確可以把程序讀出來(lái)，只是你看到的全是二進(jìn)制代碼，你認(rèn)識(shí)二進(jìn)制代碼嗎？

（2）信息安全性（Security）：PLC通?？刂撇捎玫氖欠巧逃玫腤indows/Linux這樣的OS，并且網(wǎng)絡(luò)也是POWERLINK、Profinet這樣的工業(yè)實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)，因此，與通用的系統(tǒng)還是隔離的，即使采用了OPC UA來(lái)連接上位系統(tǒng)，其本身也有授權(quán)、驗(yàn)證的環(huán)節(jié)，并且，通常也提供SiteManager的專(zhuān)用通道來(lái)建立VPN連接確保數(shù)據(jù)加密傳輸。

圖9-基于安全的PLC遠(yuǎn)程連接

（3）功能安全性（Safety）：滿足IEC61508、IEC62061、IEC62784的安全規(guī)約的SafeLOGIC和軟件的SafeDesigner、總線的openSAFETY。

圖10-完整的Safety產(chǎn)品線

PLC可以玩機(jī)器學(xué)習(xí)嗎？

機(jī)器學(xué)習(xí)能干嗎？——沒(méi)問(wèn)題?。?/p>

其實(shí)，如果我們認(rèn)識(shí)到機(jī)器學(xué)習(xí)是一個(gè)“數(shù)學(xué)問(wèn)題”即，選擇特征值、建立損失函數(shù)（或成本函數(shù)）或懲罰函數(shù)、選擇模型、測(cè)試評(píng)估，那么，你可以發(fā)現(xiàn)這些都是可以用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

圖11-機(jī)器學(xué)習(xí)算法可以對(duì)現(xiàn)有控制任務(wù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)

像貝加萊的X20系列PLC支持定性分時(shí)多任務(wù)的操作系統(tǒng)，以及支持高級(jí)語(yǔ)言編程，那么，問(wèn)題簡(jiǎn)單了，機(jī)器學(xué)習(xí)的程序相當(dāng)于高級(jí)語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的一個(gè)線程，并可以對(duì)控制器的現(xiàn)有控制任務(wù)如一個(gè)注塑機(jī)射膠過(guò)程PID控制進(jìn)行觀測(cè)，并獲得質(zhì)量與工藝參數(shù)之間的關(guān)系（可以采用遺傳算法、監(jiān)督學(xué)習(xí)），這樣就可以獲得最優(yōu)的工藝學(xué)習(xí)。

是的，PLC早已不是那個(gè)“可編程邏輯控制器”了。

編輯：黃飛

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