嵌入式PLC，大有可为

彭瑜（上海工业自动化仪表研究院，PLCopen中国组织）

■《自动化博览》：嵌入式PLC如今已经成为PLC发展的一大热点，您如何看待嵌入式PLC未来的发展？

彭瑜：根据美国《Control Design》杂志的调查，2009年美国机械行业的PLC用户占2/3，PAC和PC控制合起来只占13%，而嵌入式PLC仅占5%。从静态数据来看经典PLC仍然有着统治地位，但从动态角度看，嵌入式PLC具有极高的增长率和很大的发展空间。

关于嵌入式PLC似乎并无确切定义。一些人把交流变频调速器或HMI（人机界面）或其它设备(如运动控制器）内嵌PLC的功能，归类于嵌入式PLC，如英国敏思咨询公司（IMS Research，已被IHS收购）关于2008年嵌入式PLC的市场报告就是如此界定的；不过我们更加倾向于把这些设备叫做集成了PLC功能的变频器或HMI。更多业界人士认为，采用嵌入式SoC（片上系统芯片）和嵌入式RTOS（实时操作系统）实现PLC功能，并能用符合IEC 61131-3标准的编程语言进行编程，才叫做嵌入式PLC。这类嵌入式PLC与前面那种嵌入PLC功能设备的根本区别在于，前者独立承担PLC功能，并按需融入其它相关功能，诸如运动控制、视觉、甚至RFID读取等。

这些年来，嵌入式PLC之所以从相当稳固的PLC市场中打出一片天地，首先是制造业市场需求的推动。面对激烈的市场竞争，为了快速响应需求，智能制造装备、数字化生产线、数字化车间、数字化工厂、智慧工厂……正处在快速发展期，这对承担设备控制任务主力的PLC提出了许多新的要求。除了将运动控制、视觉系统、RFID读取系统、能耗测量和状态监测等融入PLC，要求开发相应的硬件模块之外，更要紧的是让PLC在执行基本的逻辑控制、顺序控制的基础上，执行许多高级智能算法（如用于通用场合的数控与运动控制、精确温度控制等，再如用于不同行业的各种先进算法，如重载机器人的惯量前馈算法、印刷过程中的套色对准控制和印标检测算法等）。这就对PLC的CPU运算能力和执行速度提出了新的要求。在这方面有些厂商推出的创新产品是很成功的，如OMRON的NJ系列机械控制器；再如倍福和贝加莱的以PC为基础的PLC和嵌入式PLC。深入其中你会发现，这些PLC的CPU都采用了时钟频率达1.7GHz以上的Intel低功耗X86芯片，或者1GHz 的ARM Cortex A8芯片。还有另外一种解决方案，选用近年来芯片制造商推出的多核CPU芯片，如集成ARM7/9（甚至更高）和DSP的双核芯片，甚至集成ARM、DSP和GPU（视频处理器）的三合一芯片等，也能够很好地解决上述对复合功能的控制要求。以多核芯片为基础开发，就是典型的嵌入式PLC。

其次，我们更应该看到与通用型PLC相比，嵌入式PLC基本上属于针对某个特定设备专门设计的PLC，或客户化定制的PLC。针对某个特定设备而言，嵌入式PLC在成本、体积、可靠性、易用性、硬件资源利用的有效性、功能性能指标的匹配度，还有知识产权保护等方面，具有综合的难以比拟的优越性。

再次，全球和国内PLC市场的大部分份额，长期被国外几个著名品牌所垄断。发展民族品牌PLC，如果走通用型PLC的路子，需要很大的资本投入、长期的品牌积累和技术积累，多年事实证明难有较大的成就。唯有从嵌入式PLC这个方向切入，才有可能打造一片新天地。

在当今经济全球化的格局中，我国世界制造大国的地位虽面临挑战，但总体是稳固的，今后还会发展得更好。中国的机电设备商有着广阔的市场基础，为机电设备配套的控制系统如果广泛采用嵌入式PLC的解决方案，无疑将会为我国从制造大国迈向制造强国立下汗马功劳。

■《自动化博览》：可否简单为我们介绍一下中国及全球在嵌入式PLC研究上的一些进展？都有哪些具有代表性的企业？

彭瑜：我们还是先谈谈嵌入式PLC本身的进展更好一些。嵌入式PLC的发展也呈现多元化，国内外均有很好表现。下面列举嵌入式PLC产品和技术多元发展的3种形式：

(1)采用板级硬件并配备基于IEC61131-3编程系统的嵌入式PLC。例如，德国赫优讯是一家以现场总线技术和芯片、模块为主业的科技企业，很有发展活力。他们推出的将现场总线技术和PLC技术结合的netPLC很有特色。嵌入式netPLC板上配有netX模块，标配为Profibus-DP主站卡。板上资源：8MB SDRAM/256K SRAM/4MB Flash/微型SD卡插槽/小型USB诊断端口，配有78个开关量I/O和6个AD通道。编程环境：3S公司的CoDeSys V3.3 / KW公司的MultiProg。配有OPC Server标准软件接口程序、运行程序库，还配有现场总线组态工具软件SYCON.net、USB设备驱动程序、PCI总线插槽设备驱动程序。

再如，Rabbit半导体公司的嵌入式PLC开发套件就以其3000系列单板机为硬件基础，配以基于IEC 61131-3的IsaGRAF V3.5编程环境，支持5种PLC编程语言。

国内几年前就有华中科技大学以EASY CORE 1.00核心芯片组作为硬件平台，加载了嵌入式PLC系统软件，开发了多模拟量输入通道的嵌入式PLC。这类解决方案问世已多年，但似乎不温不火，以笔者看来这与板级硬件配备的I/O仍不够灵活有关。

（2）嵌入式PLC软件开发工具包，全面支持不同的实时操作系统（Windows CE、INtime、VxWorks、Linux、µCOS-II、Integrity、FreeRTOS、Neutime即原QNX等），不同的CPU芯片（x86、ARM LE、Cortex-M3/M4、Cortex-A8/A9、 SH02 BE 等）以及不同的编译系统（IAR、VS、GNU 3、GNU 4、Greenhills、Watcom C++等）。采用这种开发工具包，用户只要设计出自己的PLC硬件，就能够全面完成定制嵌入式PLC的工作。例如，德国KW软件公司的开发包ProConOS Embedded CLR2.2就是最有代表性的产品，在国内有较大影响。

（3）还有一种嵌入式PLC的开发路径是，依托PLC与人机界面相结合的硬件/软件一体化开发平台，充分利用CASE（计算机辅助软件工程）工具，结合各类嵌入式芯片的开发平台和各种输入/输出通道的硬件电路库，专为机电设备开发客制化、具有OEM性质的定制嵌入式PLC。国外虽然有一些嵌入式系统的开发平台，例如OSEK/VDX（用于汽车电子系统嵌入式软件编程） ，还有德国企业Dspace专门从事机电一体化控制器硬软件开发、仿真工具的开发和服务，应用领域包括汽车、宇航、医疗设备、驱动电机等，但专门针对嵌入式PLC开发的，据我所知，只有杭州电子科技大学计算机学院的严义教授领衔的团队所开发的工具平台。

■《自动化博览》：您认为嵌入式PLC进入市场会对传统PLC带来怎样的冲击？

彭瑜：显而易见，以定制化作为主要特色的嵌入式PLC在市场份额上对传统PLC所形成的冲击，将会集中在为机电设备配套的OEM市场。

根据中自传媒和《PLC&FA》杂志联合出品的《2012中国PLC市场研究报告》，2011年国内OEM市场（包括包装机械、纺织机械、机床工具、暖通空调、电子制造设备、印刷机械、工程机械、塑料机械、电梯等）的PLC销售额高达43.10亿元人民币，为2011年国内全部PLC销售的55.1%。

根据英国敏思咨询公司（I M S Research）2012年全球PLC市场研究报告，全球PLC硬件销售渠道的数据，在总销售额79.17亿美元中，直接销售给最终用户占15.5%，直接销售给机械制造厂，即OEM占23.0%（约18亿美元），直接销售给系统集成商占6.6%，而由分销商完成的销售额高达43.49亿美元，占54.9%。该报告没有列举由分销商供给OEM的份额有多少，但可以粗略估计，如果54.9%中有一半供给了OEM，那么由OEM消化的总的PLC销售份额就达到了50.45%，十分可观。

当然，这仅仅是给出一个可能的前景，并不等于说嵌入式PLC一定会有PLC市场的半壁江山。嵌入式PLC的发展在很大程度上取决于开发商的开发手段，如果他们有先进的、硬软件一体化的工具性开发平台，又有一支训练有素的开发队伍，那么开发效率将是很高的，一两个人两三个月就可以开发出一种有质量保证的定制化嵌入式PLC。否则，好几个人一两年才能开发出来，而且开发质量尚无充分保证，那么嵌入式PLC的发展将是有限的。这就告诉我们，关键在于开发平台和它的商品化进程，以及推广规模和速度。在我国，如果高质量的嵌入式PLC平台开发团队只有为数不多的一两个（我们必须清醒地认识到，这样的团队需要起码七八年的艰苦积累和一两个真正在行的带头人或领军人物），那么发展的速度和规模就必须依靠强有力的行业推动力量和组织，有关政府部门还需要给予足够的重视和支持。

■《自动化博览》：您认为未来PLC的发展将如何迎接制造业的变革？

彭瑜：我们先来看看工业发达国家是怎样认识PLC的。2012年德国政府制定和大力推行Industry4.0（工业4.0），而且强调Industry4.0的特征是工业自动化和信息通信技术的紧密结合，并建立在信息物理系统CPS的基础之上，这就为智慧工厂的实现指明了一条清晰的途径。德国的专家和教授还特别指出，发端于1970年的第三次工业革命（工业3.0），其特征是以数控系统、可编程控制器PLC为典型的制造自动化。这将PLC提到了过去从未有过的高度。因此，未来PLC在功能和技术上的发展显然必须结合工业4.0进行讨论。

PLC的角色定位永远是设备和自动化生产线的控制器，因此在未来实现数字化工厂和智慧工厂的过程中，PLC仍然处于基础自动化的层次。不过，由于它将控制的是具有感知、决策和执行功能的智能制造设备，那么未来PLC应该具备与品种更广泛的感知设备和执行设备的接口，具备执行更强大的智能算法和更复杂逻辑控制的能力，还应该具备更高效运行的通信能力。未来PLC作为直接与生产过程打交道的控制器，还负责将最基本的生产信息上传给上位管理系统，并接收上位管理系统发来的指令和数据。简而言之，PLC作为智能制造装备的控制器，将在智慧工厂所要求的硬件横向集成和信息纵向集成中发挥关键节点的作用。

与此同时，我们也不能忽略PLC在大量独立运转的机械设备和其它各种设备中的作用。这类PLC除了基本的逻辑控制功能外，还需要增加一定的运动控制功能，最好还具有感知周围环境、调节运行状态、设备健康监测和无线远程维护的功能。

■《自动化博览》：未来PLC技术发展将呈现哪些趋势？

彭瑜：综观当前工业技术发展趋势和近年来PLC的发展，PLC基础技术的发展肯定会围绕CPU、软件、通信、低功耗等方面来展开，PLC应用技术的发展则会围绕智能制造、数控机床、机器人、安全与能源管理等多方面展开。

从硬件资源的角度看，以更低成本、更低功耗、更小尺寸的CPU芯片处理日益复杂的功能，这肯定是PLC未来发展的追求。单芯片中集成多核显然是最好的解决方案之一：除了ARM+DSP的双核SoC之外，ARM+FPGA的双核SoC，甚至MCU+DSP（或FPGA）+GPU(图像处理器)的三核SoC，都可能是未来PLC的选择。当然，充分利用Intel这些年厚积薄发的优势，低功耗高性能的x86系列仍然是一些PLC开发商的最爱，在满足高速智能运算和处理的同时，还能兼顾开放性通信架构的要求。有了高性能CPU的硬件基础，面对复杂的智能运算和处理挑战，软件的发展就会成为技术关键。

根据McKinsey的估计，从1980年至2010年的30年，生产设备的成本构成中，机械成本由80%降至35%，电子电器成本由10%增至25%，而软件成本由10%增至40%。由此可见，对一个PLC控制系统来说软件的日益重要性毋庸置疑。

选择什么样的编程语言来编制应用软件，并且能够在应用软件的全生命周期提供坚实的基础和足够的支持，是极为关键的问题。这种编程语言必须建立在现代软件工程的理论基础之上，并具备以下特性：结构化、可分解、可重用，用这种编程语言编制的程序在执行过程中必须是可控的，还必须是可被认证和被确认的。堪当此重任的非IEC 61131-3莫属，这已是定论。

今后，如果我们选择PLC系统，一个统一的、智能的PLC软件工程平台，其价值远胜过PLC硬件系统。软件工程平台的统一性意味着：（1）软件设计的工程化必须在其全生命周期完善实施，即在设计阶段、仿真阶段、程序编制阶段、调试阶段、现场调试阶段、运行阶段以及支持服务阶段（对供应商）、维护阶段（对用户）全面实施。（2）逻辑控制、顺序控制、运动控制、过程控制，甚至人机界面的组态和编程全在一个工程平台上完成。（3）不但提供最基础的IEC 61131-3的函数、功能块，还能够提供PLCopen运动控制规范所定义的主轴/从轴结构和多轴协调控制结构所对应的功能块运动控制库，通信功能块（如OPC-UA）库，通用技术（如温度控制、液压控制、……）库，乃至不同的行业（如印刷、包装、风电、金属成型、激光切割、……）专用库。软件工程平台的智能性意味着：（1）采用图形为导向的组态，以加速实现对控制器、现场设备和通信网络的组态。（2）带联机调试的智能逻辑分析功能，以实现快速的无差错编程。（3）高效使用第三方代码以实现在精准仿真的基础上自动生成PLC代码。例如，采用MATLAB/Simulink、Stateflow、SinScape等专业仿真软件工具建立的机械模型，能传递到PLC的工程平台进行机械行为的仿真，最终由于工程平台支持这些模型的全自动代码生成，得以完成这样复杂的由虚拟到实际的过程。（4）集成了系统诊断功能，无需进行任何编程就能通过标准的web浏览器直接进行存取，还易于与用户的显示设备（如iPAD、平板电脑、智能手机等）集成。

互联、互通和互操作（甚至是语义互操作），在智能制造装备、数字化车间、数字化工厂和未来的智慧工厂中是必不可少的基础要求。由处于基础自动化层的PLC将制造信息无缝、高效地垂直集成至各个调度、监控和管理系统，必将成为未来PLC系统技术发展的重要方向。

在上下不同层次间实现互操作是困难的，譬如ERP层面（L4）内是语义互操作，检测和执行层面内（L1）是信号的互操作。信息的垂直集成意味着：在企业管理层软件和自动化设备之间建立数据连接，并使信号提升为具有显性含义，问题在于如何掌控不同长度和不同周期的数据包。按目前的技术发展来看，用标准化中间件OPC-UA实现垂直集成不失为一种不错的解决方案。

可喜的是，2009年OPC基金会和PLCopen组织这两个非盈利的国际组织将各自的技术组合成一个独立于制造厂商的信息和通信架构平台，联合建立了基于IEC 61131-3的OPC UA信息模型。PLCopen之所以选择OPC UA是因为使用OPC的统一架构解决了：（1）在监控层面如何发现与之通信的对象；（2）如何使通信对象的复杂数据和功能性是完全可利用的；（3）如何使通信是可靠、可执行，而又与操作系统和编程语言无关；（4）如何确保信息安全（如授权和封装）；（5）如何在数据交换中，不仅仅是交换变量，还能够交换函数和控制逻辑的复杂数据。

如今像3S和KW这样的基于IEC 61131-3的编程平台公司，已经开发、测试了PLCopen/OPC UA信息模型，并集成到他们的IEC 61131-3运行系统中。更值得注意的是，嵌入式OPC UA基于一个极具吸引力的轻型结构，运用高效的二进制通信协议完成了最小的OPC UA实现，这就为嵌入式OPC UA进入嵌入式操作系统（包括专用的实时操作系统）奠定了基础。爱尔兰的软件公司Embedded Labs已经把OPC UA嵌入到低价的ARM7和ARM9芯片中。 据OPC基金会估计，到2020年，将会有5000万个嵌入式OPC UA的设备，其中当然包括数量可观的嵌入式PLC。