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智慧工厂：中国制造业探索实践 3.4.2 为智能制造服务的PLCopen的规范和技术
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成立于1992年的非盈利国际组织PLCopen，在构筑工控编程环境的开放性的同时，还孜孜不倦地为提高工业自动化的工作效率进行最基础性的规范工作。其最主要的成果之一就是构筑工控编程软件包的开发环境；同时，还在这些编程系统的基础上进一步发展为统一工程平台，做了许多基础性的开创工作。其中，与智能制造紧密相关的主要有：运动控制规范、机械安全规范、IEC 61131-3的XML格式规范和IEC 61131-3的OPC信息模型。
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1.工业4.0与智能制造对PLC系统的要求
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PLC作为设备和装置的控制器，要承担工业4.0与智能制造赋予的任务，首先应该满足以下要求：
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·越来越多的传感器被用来监控环境和设备的健康状态、生产过程的各类参数，这些工业大数据的有效采集，迫使PLC集中安装在机架上的I/O必须转型为分布式I/O。
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·各类智能部件普遍采用嵌入式PLC，或者微小型PLC，尽量在现场完成越来越复杂的控制任务。
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·编程的自动化和智能化。
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·无缝连通能力大幅提升，相关的控制参数和设备的状态可直接传输到上位的各个系统和应用软件，甚至送往云端。
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概括起来就是：满足工业大数据采集的需求，就地实时自主控制，编程自动化和智能化，无缝连通能力。
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PLC的硬件技术一直在为满足工业4.0和智能制造日益清晰的要求积累经验，特别是微电子技术的飞跃进展，使得SoC芯片在主时钟频率越来越高的同时而功耗却显著减小；多核SoC的发展，促进了在处理PLC的逻辑和顺序控制的同时，可以进行高速的运动控制处理、视觉算法处理等；而通信技术的进展使得分布式I/O运用得越来越多、泛在的I/O运用也有了起步。
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为迎接工业4.0的挑战，PLC硬件设计应该从以下方面着手：极大改善能耗和减小空间（PCB 85%的空间被模拟芯片和离散元器件所占据，因此需要采取将离散元器件的功能集中于单个芯片中，并采用新型的流线模拟电路等措施）；增加I/O模块的密度；进行良好的散热设计，降低热耗散；突破信息安全的瓶颈（如何防范黑客攻击、恶意软件和病毒）。
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事实上，PLC的软件技术以PLCopen为先导，一直在为满足工业4.0与智能制造日益清晰的要求做足准备。PLCopen国际组织长期以来执着地为提高自动化效率做着卓有成效的工作，使得明天的技术，只要你愿意，今天就可以拥有。
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2.IEC 61131-3推动了PLC软件的巨大进步
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IEC 61131-3推动PLC在软件方面的进步，体现在：
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1）编程的标准化，促进了工控编程从语言到工具性平台的开放；同时为工控程序在不同硬件平台间的移植创造了前提条件。
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2）为控制系统创立统一的工程应用软环境，打下坚实基础。从应用工程程序设计的管理，到提供逻辑和顺序控制、过程控制、批量控制、运动控制、传动、人机界面等统一的设计平台，以至于将调试、投运和投产后的维护等统统纳入统一的工程平台。
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3）应用程序的自动生成工具和仿真工具。
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4）为适应工业4.0和智能制造的软件需求，IEC 61131-3的第3版将面向对象的编程（OPP）纳入标准。
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之前已开发了许多PLC控制系统工程设计、编程和运行，以至于管理的工具性软件。其中包括控制电路设计软件包、接线设计软件、PLC编程软件包、人机界面和SCADA软件包、程序调试仿真软件，以及自动化维护软件等。尽管这些软件都是为具体的工程服务，但即使对同一对象进行控制设计和监控，它们仍互不关联。不同的控制需求（如逻辑和顺序控制、运动控制、过程控制等）要用不同的开发软件；在不同的工作阶段（如编程组态、仿真调试、维护管理等）又要用不同的软件。而且往往在使用不同的软件时必需自行定义标签变量（tag），而定义变量的规则又往往存在较大的随意性，这导致对同一物理对象的相同控制变量不能做到统一、一致的命名。缺乏公用的数据库和统一的变量命名规则，会造成在使用不同软件时不得不进行烦琐的变量转换，重复劳动会导致人力资源成本高，效率低下。
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PLCopen最主要的成果之一就是构筑工控编程软件包的开发环境。同时，还在这些编程系统的基础上进一步发展为统一工程平台，做了许多基础性的开创工作：开展了编程系统符合IEC标准的认证工作；制定了运动控制功能库，在IEC的开发环境里加入了运动控制技术，将PLC和运动控制的功能组合在控制软件的编制中；为实现IEC 61131-3编程与其他环节间的数据交换，规范了XML格式作为数据交换的接口；定义了在IEC 61131-3的开发环境下涉及安全的规范；公布了《PLC性能的基准测试方法》，通过所定义的测试概要，以一种客观的方式，为寻求不同PLC平台的真实性能提供了标准化的方法。
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长期以来，PLCopen国际组织还注重与许多国际标准化组织和基金会（譬如ISA、OPC基金会等）合作，开发基础性的规范（见图3-5），以建立一种开放标准的生态系统。这些工作都为工业4.0与智能制造的应用和发展，做了先导性的探索和准备，从而打下了坚实的基础。譬如与OPC基金会合作开发：IEC 61131-3的信息模型（2010.5发布）、IEC 61131-3的OPC UA Client FB客户端功能块（2015.3发布），IEC 61131-3的OPC UA Server FB服务端功能块（2015.3发布）。这些规范经美国ISA属下OMAC的二次开发，已经成功地应用于包装行业专用系列标准PackML，大大简化了包装机械与上位生产管理系统的通信。
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图3-5 PLCopen与ISA、OPC基金会合作开发智能制造基础标准
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这些标准在如今广泛运用于计算技术行业SOA面向服务的架构上，提升了应用范围；同时也推动一度落后于计算技术和软件的自动化系统技术快速跟上IT技术的进展。
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如今工业互联网、工业物联网、工业4.0和智慧工厂的应用正在快速推进和实现。尽管有一些由供应商所开发的数据交换协议，但都不能提供使控制器与企业信息系统、云端之间的信息传输畅通无阻的可互操作性，而运用PLCopen的OPC UA功能块，可使这一信息传输过程大为简化和改善。开放的PLCopen规范和标准改善了自动化控制系统的设备可互操作性。运用基于IEC 61131-3的OPC UA Server FB服务端功能块，将简化智能传感器、控制器与企业管理系统和生产调度执行系统的通信，与云端的通信以及与互联网的通信。