论工控制未来发展趋势

第一次工业革命发生于18世纪到19世纪，通过创造新的制造工艺改进了生产流程从而促进了社会的进步。当时的制造业主要依赖于手工进行商品的生产，而诞生于英国的第一次工业革命改变了这种状况，使得机器制造业能够更好地利用水和蒸汽动力促进生产力提升。而这些改进的创新思想和体系在第二次、第三次工业革命中自然也起了很大的作用。正在进行的工业革命是第四次工业革命，也被称为工业4.0（德国提出）或工业互联网（美国提出）。工业4.0的基本概念与其他工业革命相同：通过改进业务流程和制造工艺，减少生产时间，降低生产材料成本，减少制造缺陷产品的数量，并通过创造能够代替人工作的机器来使工业制造更容易。

工业4.0或工业互联网是正在进行的工业革命的术语。它最初是指制造业的数字化，但实际上也指医疗、物流、石油和天然气等其他行业的数字化。也指我们经常听到的有关智能工厂，智能城市或智能设备的概念。工业4.0是关于物联网（IoT），网络物理系统（CPS），信息技术（IT）和操作技术（OT）的融合，其中，变革首先从信息技术领域引发，云计算，机器学习和大数据等IT技术引导现代信息企业采用新的业务模式，改进自身业务流程和运营效率，提升企业核心竞争力。而这些IT新技术的发展解决了互联网企业和传统企业共同的一个诉求，即解决规模不断扩张、业务快速变化的挑战，同时还有效控制成本。在传统企业中，其他类型的企业愿意通过在早期阶段部署新技术来承担风险，而工业企业可能会更谨慎。由于工业环境的特殊性，工业企业的这个诉求是否能够借鉴互联网企业的成功还是一个未知数。为了克服这个门槛，这个行业需要创新，因此类似工业4.0等概念和体系的兴起，目的就是为了进行大量的研究、测试和实施这些技术变革引导到工业企业中。

关于实践的最新进展情况，我们通过分析传统的自动化金字塔模型来进行说明。传统的自动化金字塔（图2）代表了当今工业控制系统领域的一个典型模型。从传感器到执行器的所有物理设备都处于现场级，用于控制这些现场级物理设备的数据和动作处于第二级，第二级通过使用PLC等物理硬件来控制现场级的物理硬件。第三个级别是一个数据采集和监控级别，允许用户通过SCADA系统监视和控制他们的工业控制过程。SCADA是数据采集与监视控制系统的缩写，典型的SCADA架构包括传统自动化金字塔的前三个级别。MES和ERP系统则在SCADA架构之上。MES代表制造执行系统，它是指实时监控制造数据的系统。MES系统可以跟踪整个生产过程的货物情况。企业资源规划（ERP）系统提供了自动化金字塔的最高级别。ERP系统管理核心业务流程的实时监控，如生产或产品计划，物料管理和财务情况等。

工业4.0和网络物理系统到来后，传统的基于该金字塔模型的工业控制系统架构正在发生变化。首先在最顶层的ERP和MES就逐渐实现互联和融合，实现了生产数据的上层联动，并最终利用云计算、大数据乃至人工智能的数据存储和运算的优势将生产数据进行深度挖掘和加工，并最终输出优化的生产数据用于提高生产效率。而在下层的生产执行层设备和系统，则也处于智能和重构阶段，比如最终生产数据的终端以及产生变化，包括人们身穿的跑鞋、智能工厂里面的智能生产线，这些从传感器到执行器的所有物理设备已经在向数字化、智能化方向发展并且已经取得成绩。因此可以发现，在工业互联网或工业40时代，工业控制系统最终的体系变革是将传统的金字塔模型从两端进行变革。准确一点来说，工业互联网侧重的是上层生产数据的技术变革，即工业控制系统和云计算、大数据、人工智能等的融合，提倡将工业控制系统的数据上载到工业云上，利用云进行数据挖掘和分析从而优化生产的过程。所以在现在的工业互联网架构实现上，其体系架构实现要么是工业互联网平台直接和PLC设备直接采集PLC上的生产数据，要么是工业互联网平台采集工业控制系统的实时数据库中的数据，要么就是开发出一个数据采集网关，通过数据采集网关将所有数据全部采集后，网关再将数据上传至工业互联网平台。所以工业互联网本质上来说就是一个将工业控制系统数据全部汇聚到一个云计算平台上。工业4.0则侧重于实现底层从传感器到执行器的所有物理设备的数字化和智能化，并且实现这些终端设备直接将该数据上传。上传的平台可能是MES，历史数据库也可能是工业互联网平台。对大多数企业来说，工业4.0首先要实现的第一步就是通过MES系统对生产系统所有相关子系统进行垂直整合和数字化，以实现实时的工厂运营透明度。同时横向整合还包括功能区的连接。在此MES起到了信息转盘的核心元素功能，对大数据进行收集、分析、处理以及为支持其他系统数据交换。

在自动化控制诞生之前，系统和机器的生产必须依靠手工进行操作。而自动化所带来的好处是，将那些需要重复操作的环节利用自动化控制实现，解放了人的双手并实现了诸多优势--从缩短上市时间到减少故障产品均能够很好表现自动化控制的优点。尽管如此，随着市场需求的不断增长，人们还是嫌弃现有的自动化控制无法满足生产效率的需求，而实质也是这样。人们需要更多的灵活性来保障快速的产品生产上市销售，灵活性是现在工业自动化的关键和重点。这些灵活性表现在：越来越多的工厂数据应该是可复用的，逻辑代码应该是易于移动和可重用的，系统应该是模块化和可扩展的，生产企业应该根据自己的需求选择他们的优选供应商而不是现在的绑定销售等等。

工业互联网和工业4.0的这些实现支持了未来工业控制系统灵活性和可扩展性的需求。工业互联网使得我们的生产数据可以进行规模化集中存储，实现以前不可能实现的大数据，并利用云计算平台前所未有的计算能力对这些大数据进行分析，挖掘和优化生产效率。工业4.0使得现场设备、机器和工厂已经变得“更智能”，所以我们可以谈论智能设备、智能机器和智能工厂。但是，我们会发现，无论是工业互联网还是工业4.0，均未对工业控制系统的的“大脑”PLC做出任何更进一步的技术变革。这种两头重中间轻的现象，就好比是高速路上的收费站，光高速路扩宽远远不能够实现更大的汽车吞吐，矗立与高速路上的各个收费站才是这条路上的瓶颈点。因此现在针对收费站都需要设置更多收费窗口、实现电子收费等等举措改革而适应高速快速增长的车流。适用于工业控制系统领域也是一样，控制的核心PLC设备不能够灵活扩展，无疑这一限制将会大大减弱工业控制系统灵活性和可扩展性。

因此目前业界针对工业互联网、工业4.0等的技术体系探索，重点将围绕PLC展开。

具体来说实现PLC灵活性和可扩展性的方案主要有以下两种：

1、实现PLC虚拟化。利用PLC虚拟化是虚拟PLC（vPLC）取代传统硬件PLC；

2、PLC硬件重构，实现下一代新型和智能的PLC设备，取代传统硬件PLC。

这两种技术是目前工业向互联网转化的技术热点和研究方向，至少从理论实现的角度上来说，实现PLC虚拟化将最大程度的保障现有的大部分厂家及其用户的现有利益，并且基于信息系统的成功案例，使得大家对其实现信心满满。另外的PLC硬件重构，主要以软件定义思想为核心，将PLC硬件的逻辑运算平面和逻辑控制平面进行分离，PLC硬件将实现通用的逻辑运算，统一由控制器进行控制平面的逻辑控制和逻辑管理。