软PLC助力智慧工厂——陈冰冰博士《软PLC与智慧工厂》演讲实录(下)
发布时间: 2014-7-4

    2014年6月18日,中科院计算所顺德分所所长陈冰冰博士受邀参由中华工控网举办的“工控技术沙龙”,结合软PLC平台,为大家分享了传统制造过程改造升级的方向、智慧工厂模式、智慧工厂对装备制造商的需求等等细分话题进行详细精彩的讲解。

    以下为演讲实录:

    前面《智慧工厂及设备制造商遇到的挑战 》我们讲到了智慧工厂对机械装备的迫切需求和我们的现状,下面我们讲讲软PLC。

  什么叫PLC?这个问题,相信我回答的还不如在座的各位专业,因为我之前不知道PLC,只是我从IT行业来到工控行业,才知道原来在计算机领域还有一个PLC。那么,PLC简单的来说,叫做可编程控制器。大家公认的是1969年DEC公司发明了PLC,大家知道PLC单任务循环,梯形图或者其它几种语言的一个编程环境,PLC在全球应用非常广泛。为什么 PLC能风靡工业界,这个问题也困扰了我好久,我是做计算机出身的,工业界拿个计算机就能做控制,为什么一定是要PLC?事实上是PLC之父,Dick Morley先生说过一句很经典的话:PLC实际上是一个概念。因为PLC是给工人现场编程用的,没学过计算机的也可以用来编程,这个我认为是PLC非常成功的一点,第二,像梯形图大家应该用的很多,接近电气图,学习也比较容易,而且与底层硬件基本无关。所以有人统计过,在欧洲70%-80%的控制器都是用PLC的模式,所以,为什么PLC能风靡工业界?就是刚才唐总说的,用户的体验很重要,PLC就是把计算机变成一个能让用户很好体验的一个产品。

  去年7月11日,我们中科院计算所在济宁开了一次院士大会,就是计算机把各个行业计算机化。其中让我来讲PLC,当时阿里巴巴,联想,华为的人都在场,大家一起来讨论这个问题。后来得到的结论,1969年发明的PLC在思想和形态上,领先了我们IT界整整40年,因为工业界的人,绝大多数没有学过计算机,所以当年做PLC的这些专家,就是让这些没学过计算机的人也能编程,这就是PLC的成功之处。今天来看PLC的成功,反而呼应了互联网时代的概念,要让一件事成功,就得让用户体验做到极佳。

  现在看来,我们的机械装备不仅仅是逻辑控制,包括机器人,数控加工,纺织机械,造纸机械,还有非常复杂的运动伺服,逻辑控制简单的开关是做不到的。所以,当代PLC发生了一个华丽的转身,为什么是华丽转身呢?因为当代的机械装备对控制系统的需求已经发生了本质的变化,第一要求硬件平台的高度通用化,第二是可靠性,第三是标准化,第四是软件模块化,第五平台具有一定的开放性,第六是要融合多种功能:PLC的功能,运动控制的功能,数据通信的功能,都要能融合。PLC是一个与时俱进的产品,PLC当年有先进的思想和理念,而且它的工作模式也决定了它的可靠性比一般的计算机要可靠,所以当代的软PLC是融合了当代的计算机软件和信息技术发展的最新成果,这是时代的产物,就是把PLC的优势和计算机的最新成果做了一个真正的整合,这就是软PLC。

  当今的软PLC的处理器平台,可以是手机的处理器,也可以电脑处理器,甚至可以是中科院的龙芯。第二,当代新型的PLC的I/O基本上都是通过现场总线,工业以太网来实现的。第三,是集成开发平台,集成开发平台遵循国际上IEC 61131-3的标准,而且必须用C或C++或高级语言来编程。另外,还有一些基础的工业库,就是说,如果底下的这层是工业计算机层的话,那么这个工业库的话就是面向行业的应用,比如说,PLCOPEN组织,它们发布了很多关于运动控制和PLC的一些技术标准,在这个基础之上,用户拿到这个软PLC平台之后,会在上面开发自己的行业库,以行业库和这些基础做支撑的话,实际上最后才是面向自己产品的应用。其实在PLC平台里,有一部分在当代已经实现了标准化。在用户的行业库里,有的是客户自己开发的,有的是第三方的,所以实际上当今的软PLC平台,第一把机械装备软件化,第二,对于用户来讲,应用软PLC做它的机械装备,只需关心它的应用部分,底层的都已完全实现标准化。

  基础软硬件平台、实时操作系统、包括开发环境、基础软件库、I/O通道,这些形成了软PLC的结构。大家有机会去看一下德国倍福、库卡等等的控制器,完全是按照这样的一个体系和架构来做的,只是不同厂家选择的操作系统、处理器有差异,但是整个体系是一致的。当然在软PLC里,还是英特尔的处理器优势更加明显,因为我们现在做的好多机械装备都是高端装备,客户的需求是能否提供一个的整线的解决方案,所以在这种情况下,对计算能力的要求非常高,而且在很多设备里,有数控、有视觉,一般的处理器做不到这么强的性能。X86的处理器做软PLC,现在在国际是这样做的了,为什么呢?因为硬件平台是可以多样化选择的,如西门子,研华等买一个工控机,装个软件就可以。

  第三是操作系统,真正用在软PLC里的实时系统是比较多的,包括实时Linux系统,windows+实时补丁。实时操作系统是软PLC的一个基础,实时操作系统的选择,考虑更多的是实时性、开发的开放程度、费用问题。目前来讲,在国际上比较多的三个操作系统,实时Linux、windows、Vxworks,像史陶比尔公司机器人用的是Windows,实际上在Linux、windows的平台上,从理论上来讲,这两个操作系统实际上不是实时操作系统,但是,它们两个操作系统打完补丁以后,可以满足绝大多数的应用需求,包括数控机床的需求都可以满足的,只要精度要求不是特别的极端,都是可以做到的。实时Linux,对于很多做装备的来说,有优越性,不要钱,第二,Linux有个好处就是病毒少,有的客户抱怨,因为机床是由windows系统插着运动控制卡,开机床的工人,用数控界面来看电影,客户要求说陈博士,能不能换掉这个windows系统?选择Linux软PLC,就解决了。

  第四,是工业以太网,对于现代的软PLC来讲,已经不是插运动控制卡的年代了,所有的模块都是软件化,不需要卡制式的了。全球各种工业以太网很多,如Profinet、EtherCAT等。实际上这两年EtherCAT发展的非常快,不是说EtherCAT的技术一定是最牛的,但是有一点,全球支持它的用户数量是最多的,现在有2700个会员,I/O、伺服、驱动、变频,你可以在全球选,当你用EtherCAT这个标准的时候,你可以把全球的工控配件集成在一起,做成合适你用的工控系统解决方案。

  实际上软PLC的体系架构,一个最基本的出发点,就是机械架构软件化。为什么机械可以软件化,就是因为今天我们的计算机计算性能已经很高了。软PLC软件开发高度标准化,软件高度的模块化,模块可重用,配合广泛的工业实时以太网的支持。

  对于软PLC来讲,到底给我们客户能带来什么?

  机械装备的客户面临的很多挑战,软PLC带来的第一大优势就是,加快产品研发进度,因为平台是标准化的,模块是可重用的,也就是说之前写的软件,可以用在别的项目上。客户说,做机械装备,他们的产品有100多种型号,产品长的模样都差不多,但是,公司为每种型号都写了一次软件,如果用软PLC的平台,帮客户把软件做成一个标准的模块,变成一个模块参数可配置的模块。你面对不同的客户,不同的需求,只要给模块改几个参数就可以了。以前开发一个软件要3个月,现在3分钟就搞定,这就是当今的软PLC平台高度的标准化以后,它给客户带来的就是加快研发的进度。大家请看数控车床的数控系统,当你要给客户提供数控系统的时候,把模块集合,这几个参数双击配置并连线,这个数控系统就成了。

  系统集成商研发了一条生产线,里面既有机器人,也有自身研发的一些设备,事实上在软PLC里面,就是一个控制器,就可以把所有的软件装在一个控制器里,所有的设备都可以映射成PLC里的一个软件模块。那么,当你做一个生产线只需要一个控制器的时候,比你有十个PLC的时候的可靠性要高很多。

  很多客户也关心,我可不可以利用这个平台,实现它的差异化,因为做机械装备行业互相抄的年代已经过去了,互相抄只能是互相压价,互相压价的结果,只能导致大家都不挣钱。其实很简单,当你使用软PLC作为控制平台的时候,可以把诀窍写成软件打包在模块里,这样的话,你做出来的软件是别人没有的,别人可以抄你的机械结构,但是抄不走你的软件。

  另外,软PLC可以实现很多智慧工厂的信息系统集成,PLCopen组织和OPC组织现在已经形成一个紧密的合作,PLCopen里通信技术组织是采用了OPC UA的架构,OPC UA是一个跨操作系统的一个通信协议,主要是面向智慧工厂的信息化的集成形成的一个标准。

  另外,软PLC的计算能力很强,具有很丰富的网络化接口。如果产品卖到全国各地可以通过远程的售后服务来解决。

  整个软PLC的技术体系包括了编程语言、运动控制,XML数据交换、OPC UA通讯标准。对于很多企业来讲,智慧工厂的基础信息平台架构,包括PLC平台,包括了信息化的平台,包括了设备之间数据接口的技术标准。当你在做机械装备的时候,你可以参照这个架构来对我们的供应商提出要求。

  未来的制造业要的不是一台单机,要的是整体解决方案,你的机械装备如果不具备信息化的接口或不具备信息化的能力,那么在未来的竞争中是要被淘汰的,所以软PLC就是为高端机械制造商定制的软件平台,充分满足了装备制造商的四大需求,第一是可靠性,第二,快速响应市场,第三有效的控制研发成本,第四,实现装备的差异化。不要把PLC当作一个简简单单的零配件来看,其实是一个公司的战略平台,当你选择了一个战略平台的时候,你的机械装备未来发展是可持续的,如果仅仅是当作一个零配件来看的话,实际上最后害的是自己。例如,客户的智能涂装生产线的解决方案,把待加工的零部件随意的放到传输带上,希望有一个扫描相机把零件的周边轮廓扫描出来,生成一个精到的轨迹,对它的静表面进行喷涂,因为生产线没有工装,没有夹具,所以这个必须通过视觉系统来完成。最早用的控制系统采用的方案,它的生产线与逻辑开关量有关的控制是用PLC做的,喷涂的环节是买了一台数控系统来完成的,视觉部分是买了个工控机插了个运动控制卡,这个项目做了7年,到现在为止,还没有真正完全弄好,像这种大型生产线要跳出传统思维,考虑软PLC的方案,后来给对方提供了一个软PLC方案,就是用一个控制器用EtherCAT把伺服轴、变频器、I/O连接,然后,所有的机台都是用软件模块的方式,那么,这样控制器的数量大大的减少,然后,软件开发是一个统一的平台,最后将机械装备变成软件模块组装起来。同时,利用软PLC的信息化能力,还开发了一个简单的生产管理系统,也称为MES。那么所以这个方案就是把所有的控制器变成软件装在一个控制器里,全都变成软件模块,叫做All-IN-ONE。而现在它也就是整个体系,变成这个样子,非常简单。而且开发起来也非常的方便,还有一个案例,这是我们一个客户的案例,就是集成生产线的案例,它原来就是每台机器配了一组PLC,有好多PLC组成的,那么它组成的电缆连接非常复杂,每个PLC要单独编程。这个项目,客户做了以后,这个软件上始终存在BUG,为什么呢?因为他给多个PLC编程的时候,PLC之间的协同是件很麻烦的事,所以后来我们给他改进了一个方案,就是用这个软PLC这个方案把三个机台最后映射成三个软件功能块,然后就很简单,用模块化的方法就实现了。最后整个电缆的连接数量少了70%。所以最后它这台设备还出口了几个国家,国外的这些客户就看了这个方案以后就决定用这个EtherCAT、软PLC方案来做。最后,它就采用现在我们提供的这个。所以,大家记住现在是个信息化的年代。所以刚才唐总说的信息化的年代,我们要有信息化的思维,或是互联网的思维,其实软PLC也是这个时代,就是软件和这个工控真正结合的一个产物,而且在这将来还能玩很多的商业模式,所以我们唐总要帮我们把这个做出来,是不是咱们可以分成,最后,我把PLC介绍完了。

  小编插句话:

  PLCOpen组织中国主席彭瑜教授在微信中回复:“我想说几句话。软PLC这个词出现在上世纪90年代在美国兴起了一股用PC机取代PLC的风浪。核心就是在PC中运行PLC功能的软件,也就是软PLC的由来。当时提倡这一技术方向的公司公开打出PLC死了的口号。如今过去了十几二十年,PLC活得好好的,还有滋有味,而以PC为基础的控制,在美国已找不到有代表性的企业。反而在欧洲出现了倍福、贝加莱这些在全球都有影响的以PC技术开发工控系统的优秀公司。他们的产品仍然被人叫做PLC,不过充分发挥了PC强大的运算功能,远远超出了经典PLC的功能。从形态上,确实还是PLC的结构和外形,而内涵却适应了市场和技术的发展趋势,丰富多了,高强多了。他们没有把这样的产品叫软PLC,还是称之为PLC。如果一定要归类,还不如称之为嵌入式PLC。嵌入式芯片越来越强有力了,随之而来的嵌入式PLC也会越来越强大。嵌入式系统将替代PC,据此,软PLC的叫法也不能算很确切了,叫嵌入式PLC更有生命力。”

  (完)

    公司相关介绍

  因为说实话,我们合耕公司,在工控行业真的是非常年轻的一个公司。在座的都是前辈,我就大概介绍一下我们公司的情况,我们是中科院计算所全资的子公司,我们来自北京,然后公司成立于2009年,然后现在是41个员工,我们现在就是致立于做智慧工厂的一站式服务。

    我们所谓的一站式服务就是,我们有咨询,有教育,培训,我们有做智能控制,我们其实不做控制器,我们就做软PLC软件,控制器让客户自己去买,他可以买研华,买研祥,买西门子买谁都可以,我给他装个软件,他的PLC就出来了,我们也帮助一些客户做一些装备,同时我们还做信息化系统。所谓的一站式服务就是,对机械装备制造商来讲,我们帮客户去做软PLC的选型,人才培养,信息化系统的深度融合,同时我们也为一些终端制造业的厂商提供一站式服务,比如说像大自然这样的厂商,主要是制造环节和物流改善,一个装备制造商的PLC和MES的应用,我们重点就这两个,PLC的机械装备和MES的信息化系统,最后是怎么融合在一起的。

    我们也有一个相对年轻的专家咨询团队,涵盖了这个生产管理,包括制造,包括软件、PLC都有,这个就是我们自己研发的软PLC,大家可以看Linux操作系统,软PLC的平台,EtherCAT通信,然后我们自己还研发了一个叫BUTTERWINGS的软PLC平台。目前来讲,我们也是跟全球的很多厂商做配合,而这个就是我们软PLC平台。这是我们的AKENSYS平台,MES系统。这个AKENSYS系统是我们自己研发的叫智慧工厂实时操作系统,AKENSYS和软PLC无缝对接,直达设备的任务排产,就设备和生产任务之间实时调度,然后生产过程的实时监控,数据实时采集、存储、分析。目前我们做到这个程度,同时开放式架构,允许客户做二次开发,我们认为对这个智慧工厂来说,我们现在可能要的是所谓的基础信息架构,因为今天的这个制造业,它已经不再是一个单打独斗的年代,它必须是一个整合信息化和自动化的时代。德国在提工业4.0,其实我们中国也完全可以走,我们的制造业应该走到这一步,真正的把自动化的控制系统和后台的信息化系统做一个完整的融合,而这个将是我们提倡的一个信息系统架构,包括一些大数据的分析。我们现在也已经开始为顺德的一个机械装备制造商做了,把它在全国的机械装备点连网,连到我们这个平台上,我们已经帮他开始做数据分析,我不敢说那是大数据,但数据分析这个肯定是我们工业时代未来的另外一个新兴的增长点--数据,所以德国的工业4.0,非常提倡,将来数据的应用,在上面会产生一些新的商业模式和增长点。

    同时,大家可以看我们的生产线,这个也可以到我们公司来看。同时我们的教育,我们的教育就看几件事,一个是思想理念的分享,第二我们注重这种高端跨界的人才的培养。所谓的跨界就是,要懂PLC应用,要懂计算机,而且还要懂装备,懂工艺。你不仅要懂生产管理,还要懂控制装备,但是在我们中国来讲,我们的教育体系来讲,懂计算机的人往往不懂装备,搞生产管理的人往往对计算机不熟,所以这就是我们教育的失败,但是我们的制造业又需要这样的大量的跨界人才,跨界人才怎么培养,我认为这是我们共同的一个话题,我们现在有一个开放式培训,大家有机会可以来听,我们每一年大概都有五期,这个是我们去年的课程,我们去年的课程总共有650人/次,305家。我们今年的第一期是在德国汉诺威展会上,就是一个软件论坛。这个规模将近是150个人,囊括了顺德南海,浙江的大批做机械的企业家。比如说像这位Elco先生,是PLCopen国际组织执行主席,讲一些软件,其实也就是把真正的机械装备的控制后台的一些行业专家人请出来。让大家能深刻的理解软PLC在这个信息化的时代,我们工控到底应该怎么去做,同时我们也是PLCopen在中国的第三家培训中心,我们能颁发国际证书,大家有兴趣也可以关注,同时我们在广东做了一个广东智能装备产业技术创新联盟,重点就是服务我们广东装备制造业企业,这是我们这个联盟里的成员,大家可能很多也比较熟悉。

    同时,我们也做了很多解决方案,比如这个我们做的压铸车间,整体的智能车间解决方案,这是我们做的智能瓦楞纸车间的整体解决方案,都是跟机械装备融合在一起的,这是我们做的智能注塑车间的解决方案,其中这个软PLC部分,它是德国倍福的控制器,我们提供的控制系统。同时这是我们做的玻璃生产线,这是流程工业的。演讲结束,我在这里感谢这些屏幕上的这些人,他们给我提供了很多素材,谢谢大家。

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