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近年来国内PLC技术的进展和市场发展展望
来源:ballbet贝博在线 作者:BB贝博ballbet网页登录时间:2024-04-18 11:53:04 浏览:9

  领域的三大支柱。为摆脱基本依赖进口的局面,改革开放以来,国内许多企业、高校和研究单位前赴后继,投入了这三大系统的开发研制。比较而言,最有成效的应该是DCS,以中控、和利时等为代表的还不得不部分依赖进口,但在软件方面已经立足于自行开发,积累了相当的经验和诀窍。SCADA也有像亚控这样的企业持续深耕,积累了相当多的客户,技术上也形成了一些特色,正在向融合性平台方面发展。那么,PLC的状况如何,是不是很乐观呢?本文试图在这一方面进行探讨,可能挂一漏万,诚恳地希望各位读者指正和补充。

  总的来说,这些年来我国PLC的技术也有了长足的进步,在硬件和软件两个方向已经很少看到仿造的痕迹,独立开发、自行设计已经成为主流。特别是近几年,龙芯致力于***在工业领域的应用开发,帮助一些企业走出了PLC系立发展的新路;再加上众多的PLC中小型企业锲而不舍地辛勤耕耘,在硬件和软件方面都呈现了若干亮点。目前国产的PLC在国内市场的份额可能还没有突破10%,但从发展的趋势来说完全可能加速。

  当上世纪80年代PLC进入我国的时候,PLC编程语言的国际标准IEC 61131-3(那时被命名为IEC 1131-3)尚处于开发起步的阶段。在国内市场活跃的是随成套火力发电装备引进而来的美国MODICON的中大型PLC,还有就是日本三菱电机、OMRON、富士电机等厂家的小型PLC。当时国内缺乏这方面的开发人员,软件基本上照抄照搬。到了1993年正式颁布了PLC编程语言国际标准之后,国际上陆续出现了基于IEC 61131-3标准的商品化的编程软件平台,并在大约2000年前后进入了国内的工控市场。国内企业经过几年的熟悉和应用,摸到了一些门道,于是在引进的基础上开始寻找自主开发的方法。又过了十几二十年,国内终于形成了目前的相当斑斓的局面和多元化的特色。这一条路走得有点长,一个重要原因是这类应用场景相对专一的技术难入国家科学技术发展规划的法眼,都是根据市场的发展和需求,各个有志于此的单位和人员在自行摸索和投入。

  1. 从自行开发的基于国际标准的PLC内核发展为综合集成的开发环境IDE,但并非把商品化作为目标,只为自身的控制系统服务,或为定制化的控制系统服务。这种形态的典型例子是杭州电子科技大学计算机学院严义团队的CAS S系统,还有和利时、中控、杭州优稳等,以服务自身的DCS产品为主。

  2. 也是从自行开发的基于国际标准的PLC内核发展为综合集成的开发环境IDE,主要特色是已经产品化,可以为社会上任何有需求的单位提供商品化的软件套件。以有15年IEC 61131-3可编程系统研发经验的团队为基础的北京奥特斯技术是目前国内此类商品化平台最具代表性的公司。

  3. 与国外的公司合作,在他们的PLC内核基础上开发适合于国内工控市场需求的的综合开发环境,包括为国产化嵌入式芯片提供完整的软件环境和开发路径。典型的例子是上海翌控科技。

  4. 完全立足于自行开发并运用IT业界最新技术所形成的软件平台。其特点是既能满足传统PLC编程的各种要求,又能适应现代PLC运用于工业互联网环境的要求,以及方便地将人工智能引入。浙江清捷智能科技正在沿着这个方向做开创性的工作,而且已经取得了很好的成效。

  如果从前瞻性和执行力来评价一个科技机构的发展状况,这四个典型可以说各有专注,呈现出服务对象的差异化和技术特色的差异化。基本可以满足当下国内PLC市场对软件开发平台不同的需求,又在数字化转型时代具有不同的发展前景和方向,对今后PLC系统运用AI服务所必须的数据治理,如何方便采用开源的AI基础算法库等都有合适的解决路径和实现方案。

  杭州电子科技大学计算机学院严义教授、邬惠峰教授团队是一支自主开发IEC 61131-3编程系统平台的有生力量。他们的IDE开发环境CASS,配备了逻辑控制、顺序控制、过程控制、机械安全控制、多轴协调的运动控制、视觉检测和控制、现场总线和工业等综合功能,还创造性地将装备数据库的概念和实现引入PLC系统,智能装备的运行数据都可以以规定的数据格式实时输入的时序数据库,为人工智能、视觉等算法所用。其编程功能在2017年获得PLCopen国际组织的认证(见图1)。CASS平台具有宽泛的适应性,功能配置和裁剪自如,既可为复杂的智能装备提供应用软件集成开发、调试和运行维护,也可为国内外各种型号的MCU提供嵌入式PLC系统的软件开发环境。它们提供的系统已在工业机器人数控绕线机、数控弹簧机、全电动注塑机、木材加工生产线、定制嵌入式PLC等获得广泛应用。

  北京奥特思技术有限公司提供国产化IEC61131-3可编程系统AnyControl。该软件产品适用于PLC、DCS、运动机器人、边缘、工控机、人机界面等,为用户提供先进的逻辑控制、运动控制和现场总线协议转换的自动化软件解决方案。公司对标全球先进的IEC61131-3可编程系统提供商,填补了中国自动化控制底层核心技术的空白,为广大用户提供自主可控且标准化程度高、易用性好的产品及服务。公司产品和服务具有以下特点:自主开发安全可控(系统基于开源工具链自主开发,不包含第三方不可控组件);适配国产生态环境(可以运行于并不限于国产操作系统和国产处理器芯片);支持的指令平台有:X86/64、ARMv7 Cortex-M/A 、ARMv8 Cortex-A 、龙芯(MIPS和LoongArch) 。支持处理器多核任务分配,支持基于优先级的多任务调度;系统支持IEC61131-3规范的五种编程语言LD、FBD、ST、SFC和IL,并支持高级语言程序扩展,用户可编写C/C++代码集成到运行时系统;采用执行效率高的编译型(非解释运行)技术,将用户逻辑直接编译成可执行的机器码;支持主流的现场总线和OPC UA协议,并可根据用户需求快速增加总线协议;集成运动控制功能,支持PLCopen运动控制规范;程序调试手段丰富,提供多种程序调试方法,包括断点调试、调用栈、交叉引用、变量读写、强制、监视列表、趋势图等。

  典型应用案例有:中科院自动化研究所 机器人;某核电集团 核电DCS控制系统;某电网集团 风电PLC和通用PLC;中国华电集团 风电PLC和水电PLC;南京科唯信关键行业控制系统;深圳雷赛 PLC和运动;仪综所 边缘控制网关;中国移动研究院 边缘控制网关;上海商飞网关控制一体机;四川某自动化公司 通用PLC ;某航天自动化 通用PLC。

  上海翌控科技有限公司专注于IEC61131-3 标准的工业控制系统软件解决方案,为国内研发PLC公司提供核心软件平台,其中包括:IEC61131-3标准的开发环境、运行系统、主流现场总线等技术。采用高效的编译型技术以及组件化轻量级内核设计,对8/16/32位资源受限单片机或者Cortex-A以及x86平台均有较好支持。通过组件化开放式SD接口,客户可集成任意C/C++组件至运行系统中(通讯协议、现场总线、专业算法函数与功能块等)。同时IEC61131-3标准的开发环境可以支持基于HTML/C++/C#技术的扩展开发、品牌定制。

  翌控科技核心团队具备十多年行业经验,在IEC61131-3标准的研发上具有较深入的理解,并坚定本土化研发理念,围绕研发IEC61131-3标准的控制系统可提供从处理器芯片选型、基础驱动优化、操作系统选型、嵌入式中间件、运行系统集成,以及IEC61131-3标准的开发环境二次开发OEM定制等相关服务;同时攻克了多个关键技术点,如操作系统实时性优化,Linux平台EtherCAT驱动瓶颈优化等,其提供的基础平台协助客户产品达到全球领先级别。

  翌控科技还进行标准化的工业核心操作系统NXTOS、背板总线通讯协议、下一代工业实时以太网总线开发环境组件研发(见图2、图3)。NXTOS操作系统与国内外优秀的处理器以及核心模组伙伴进行深度合作,从硬件源头入手,挑选适合用户场景的处理器,把控外围硬件电路的设计与稳定可靠的BOM选型,并对设备驱动设计进行优化,更适合工业控制系统需求。此外还可提供面向不同场景需求的NXTOS硬件参考设计。面向工业自动化市场,NXTOS提供差异化的技术实现,例如,NXTOS N1系列采用基于Cortex-M4处理器单芯片方案,除了支持IEC61131-3编程外,可以支持全功能EtherCAT主站,运行在独立模式可支持9个从站,而运行在协处理器模式下则可支持16个从站,最小EtherCAT周期可稳定运行在500µs,同时可切换为支持PROFINET IO Device固件版本支持RT级别的通讯,最小通讯周期可达1ms。NXTOS N2系列平台则基于Cortex-M7处理器,可同时稳定支持PROFINET IO Device与EtherCAT主站同时运行,且以1ms的通讯周期运行,支持的EtherCAT从站个数则增加到36个。而NXTOS P系列采用x86架构则可实现125µs周期的EtherCAT通讯以及支持高达256个EtherCAT从站。未来NXTOS会推出数字化与IEC61131-3深度融合的技术解决方案。

  图3 翌控科技支持的基础硬件平台 位于宁波的浙江清捷智能(Tsing-Jet)科技有限公司是一家初创公司,其开发的新一放式工业控制平台解决方案WasomePLC,目标是定义新一代工业PLC软件平台。该平台以CODESYS为标杆,提供技术更先进的PLC软件平台与在线服务,希望构建由中国厂商主导的PLC上“安卓”平台。这一自主可控的国产软件产品竞争力的战术优势在于运用超越业界最高水准的PLC核心技术;而战略优势在于拥抱云、人工智能和5G,并具有开放生态。 主要特点是:

  1. 采用更先进的核心技术。用WebAssembly标准和技术作为PLC/CNC引擎,支持更多的开发语言生态(IEC61131-3, C/C++, Rust, TypeScript.。),提供更好的运行性能、隔离性、安全性和可靠性。

  3. 云定义控制,即云开发、云控制、云连接、云管理、云运维、云数据;兼顾本地和云端两种模式闭环工作。

  4. 开放边缘计算平台,实时Linux,实时虚拟化容器(Docker)与微容器( Wasm ) 。

  用WebAssembly标准和技术作为PLC/CNC/机器人控制的引擎,构建开放的应用生态(见图4 )。 进入 PLC开放生态工具链的途径有如下多种:由PLC的基本库进入;运用IEC 61131-3编程语言开发的程序,通过PLC语言WebAssembly编译器进入;用C/C++, Rust, TypeScript编写的应用程序,经过前端语言WebAssembly编译器进入; 由采用WebAssembly语言编写的第三方算法库(包括运动控制算法库、运动轨迹算法库等 )进入。针对具体项目的要求选择的应用程序被PLC/CNC安装包安装到目标设备中的 PLC/CNC管理器,形成PLC/CNC等的运行时程序。特别强调的是,作为W3C定义的标准格。