漫談自動控制與被忽略的工業(yè)軟件

自動控制永遠是工廠里面的焦點，無論是智能制造，還是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，都無法回避。而最近圈里對PLC和基于PC控制這兩種控制器又有了很多討論。實際上，關(guān)于這兩種控制的爭論有很長的歷史。筆者想起二十多年前在美國全球最大的自動化展會ISAShow上，看到有一個專做PC控制的公司，打著一個很醒目的標語“PLCdie，PC-basedControlimmortal”（可編程控制器死了，基于PC的控制永生）。這個剪影深深留在人們的記憶中。這就是說早在二十多年前，在美國的自動化界就有過PLC與PC-based控制孰優(yōu)孰劣、孰勝孰輸?shù)臓幷?。這一爭論至少持續(xù)了七八年，結(jié)果呢？PLC與PC誰與爭鋒？那個高唱PLC死了的美國公司，經(jīng)過幾年的折騰卻早已銷聲匿跡了。當然，這個公司沒有了并不能掩蓋PC控制依然存在、依然在發(fā)展的事實。事實證明，PLC是個常青樹，它不僅不會死，還在發(fā)展演進，還在與時俱進。要打倒經(jīng)典PLC的“魯莽小生”并不少，本世紀前十年它還經(jīng)歷了PAC（可編程自動控制器，基本上相當于PLC+PC的部分功能）的一輪沖擊，而最近幾年還出現(xiàn)了一個新的品種EPIC（邊緣可編程工業(yè)控制器），同時具備PLC、運動控制和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的功能。但PLC依然長盛不衰。這背后有著深刻的原因。自動化界中明智之士指出，PLC的兩個本征特性是高可靠和容易使用。PLC本身是按工業(yè)應用要求設計的：要在嚴酷的工業(yè)環(huán)境下長期可靠使用，具有很高的電磁兼容性（可抗各類工業(yè)電磁干擾，現(xiàn)在還要求抗各類頻譜的無線干擾）、環(huán)境適應性（寬溫度范圍、防高濕、防霉防鹽霧、耐振動沖擊等等）；要容易編程，一般的電工，只要經(jīng)過適當培訓，就可以編寫邏輯控制的梯形圖程序；容易維護。這些看似簡單的要求，其實是需要很深的工業(yè)功底。這方面筆者有很多親身經(jīng)歷。我見到過用了三十多年的一家日本公司的PLC仍然能正常使用；也親自處理過中國二汽制造廠一臺萬噸臥式壓力機，因在高強度的震動和沖擊下PLC的輸出繼電器的接點發(fā)生顫動而無法正常工作，后來改用另一家公司PLC，不用任何加固就能正常運行；我還為上海的通用汽車公司的行車解決了由于變頻器的干擾使得GE的PLC老是出故障的問題。以上這些例子說明一臺工業(yè)用的控制器要提供的除了軟件的控制功能以外，還需要I/O和電源具有足夠高的抗干擾，以及堅固的機械結(jié)構(gòu)等等性能。PC控制從它出世的那一天起，就是想取代PLC的軟件控制功能。它的I/O常常是插在PC總線上，或者是通過RS485與外掛的I/O連接。這些I/O用在實驗室里沒有問題。不過，沒有工業(yè)級的I/O和電源來加固PC控制，就無法具有PLC的抗干擾和環(huán)境適應性。何況還有一個在工業(yè)應用上的敏感因素——成本。PC控制最早發(fā)端于美國，也一度盛行于美國，但最后的成功應用，卻是在歐洲。靠著貝加萊、倍福等公司將PC控制PLC化，讓PC控制具有PLC所有的優(yōu)勢，提供適應各類工業(yè)要求的的I/O，解決了電源的散熱和抗干擾問題，可以直接安裝在嚴酷的工業(yè)現(xiàn)場，具有統(tǒng)一的工程設計運維平臺等。PLC如何滿足市場和技術(shù)發(fā)展的要求？在當下，簡單去比較PLC與PC控制沒有太多意義。我們需要的搞清楚的是，在硬件、軟件和通信突飛猛進二十年多年之后，如何能讓PLC和PLC化的PC控制滿足市場和技術(shù)發(fā)展的要求。上世紀90年代美國密執(zhí)根大學機械學院有一篇博士論文，專門評述曾經(jīng)出現(xiàn)過的幾十種自動化控制編程語言，包括IEC61131-3規(guī)范的5種圖形和文本語言，以及在美國一度流行的流程圖語言。到今天，能夠沉淀和積累幾十年工控界的經(jīng)驗，真正有生命力能夠形成生態(tài)的，也就是只有有限幾種，即LD、SFC、FBD、STL。就連類似匯編語言的IL指令表語言，也因用的越來越少，也即將從IEC61131-3的新版本中被刪除。而面向?qū)ο蟮木幊谭绞揭呀?jīng)引入了IEC61131-3，甚至像C、C++等高級語言，也實際變成PLC常用的編程語言。下圖是2020年美國的的一個名為的網(wǎng)站和PLCopen國際組織聯(lián)合調(diào)查的結(jié)果，也印證了上述的結(jié)論。這也是PLC與日俱進的一個實證。而IEC61131-8，里面詳細說明了IEC61131-3選擇這5種語言的實際背景和緣由。圖1

網(wǎng)站的調(diào)查結(jié)果1970年誕生的第一臺PLC在通用汽車GM投入工業(yè)應用，對金屬切割、鉆孔、材料處理和裝配等環(huán)節(jié)進行控制。世界上首次推出PLC的成功，表現(xiàn)為兩個方面：一是用計算機來解析過去用繼電器實現(xiàn)的邏輯控制；二是采用梯形圖邏輯編程，使原來的電氣工程技術(shù)人員能在自己原有的技術(shù)基礎(chǔ)上采用計算機編程。這應該是早期工業(yè)軟件應用的一個標志，可是至今為止很少有人在談論工業(yè)軟件時提及這一重要的貢獻。被譽為PLC之父的RichardMorley當時是BedfordAssociate公司的工程師，他率先完成了創(chuàng)新的最初設計，然后與他的團隊研制了工廠自動化和連續(xù)處理應用的固態(tài)的順序邏輯解算器，這是第一臺實際可運用的可編程邏輯控制器，被命名為Modicon084。1969年11月在得知GM公司的要求后，他們向公司的液壓部門展示了Modicon084，獲得GM的青睞。編程語言為什么被歸納為工業(yè)軟件？梯形圖邏輯作為一種控制語言，第一次用在硅器件搭建的控制器上大約是在1969年。為了支持這個控制語言的運用，構(gòu)建了由三個部分組成的硬件平臺，即一臺雙端口的存儲器、一臺邏輯解算器（后來被命名為PLC）和一臺通用計算機。這個語言最大的優(yōu)點是能被世界上所有從業(yè)的電氣工程人員理解。之后梯形圖擴展為多個節(jié)點，還附加了一些功能。梯形圖邏輯的功能性和PLC的適用性迅速在所有的工業(yè)中大量采用。梯形圖邏輯編程極受電氣工程技術(shù)人員歡迎，其優(yōu)點是不言而喻的。首先，這種由Bedford公司開發(fā)的梯形圖邏輯編程中相關(guān)的符號，來源于電氣工程中描述順序操作功能，這使廣大的電氣工程師和電工能以非常容易理解的方式用計算機對PLC編程。這體現(xiàn)了工業(yè)軟件最基本的特征——源自工業(yè)的基礎(chǔ)電氣工業(yè)。其次，這個語言是最早利用通用計算機作為工具，對工業(yè)控制器進行編程的案例之一。沿用至今，既體現(xiàn)了“工業(yè)軟件以工具軟件為主流”的特點，又歷經(jīng)幾十年電氣工程和工業(yè)自動化從業(yè)人員的反復錘煉，并在所有的工業(yè)場合中廣泛采用。僅憑這兩點就應該奠定其在工業(yè)軟件發(fā)展中的地位?？上У氖?，在眾多討論工業(yè)軟件的文章中我們卻沒有發(fā)現(xiàn)其蹤跡，人們似乎已將它忘卻。有人或許會質(zhì)疑，編程語言憑什么可以算是工業(yè)軟件？殊不知用于工控領(lǐng)域的編程語言特別是圖形化的編程語言，與IT領(lǐng)域的編程語言是有很大區(qū)別的。工控用的編程語言都是用來表達和實現(xiàn)控制系統(tǒng)所必須完成的功能，而這些功能則是嚴格按照工藝要求和加工順序制定的。工業(yè)生產(chǎn)過程千變?nèi)f化，經(jīng)過不斷的抽象和提煉，概括起來基本上就是用于流程工業(yè)的連續(xù)流程、用于離散制造業(yè)的邏輯控制、順序控制和運動控制（或是這三種控制的集合），以及兼有離散和連續(xù)的批量間歇過程。功能塊圖能夠完美表達連續(xù)流程控制的各種要求，梯形圖和順序功能圖能夠完美表達離散過程控制的各種要求。具體將這些圖形化的編程語言集合起來實現(xiàn)編程的軟件，都是以IT領(lǐng)域的編程語言為工具運用一些相關(guān)的數(shù)學方法（例如圖論、邏輯代數(shù)等等）編制而成。由此可以推斷，用于工控領(lǐng)域的編程語言不僅屬于工業(yè)軟件中用于控制類別的基礎(chǔ)軟件，而且是運用范圍最為廣泛的一類工業(yè)軟件。更何況近二十多年的發(fā)展已經(jīng)形成了包括概要設計、詳細設計、編程、調(diào)試、運行維護、工程項目管理等在內(nèi)的綜合性的統(tǒng)一工程平臺的軟件套件，已經(jīng)是能夠自立于自動化領(lǐng)域的公司的標準配置和系統(tǒng)基礎(chǔ)。一個成熟的控制系統(tǒng)的應用軟件需要經(jīng)過設計、驗證和測試等過程，按照V&V的模式在經(jīng)過系統(tǒng)的概要設計后還要將其劃分為模塊進行詳細設計，之后才能動手寫代碼。接著就需要將所有的模塊集成起來形成系統(tǒng)的應用程序，并通過硬件在環(huán)仿真測試和檢驗。這些過程雖然嚴謹，但大大限制了工作進度和效率。IEC61131標準定義了幾種控制語言，但依賴于單個控制器的模型，而