互聯網是一個頗具顛覆性和侵略性的思想和體系,從它的誕生之日起短短十多年時間,就跨界打擊多個行業并取得巨大成功。總結起來,互聯網的核心思想就是規模經濟,以規模形成經濟效應,即在初始階段,進行大規模的資本投資,提供滿足基本需求的產品,大規模的發展客戶,以求達到規模經濟性。并在達到一定規模后就開始多元化批量復制這種規模經濟,形成多元化的規模發展。因為互聯網每新增加一種產品的存儲、營銷等成本可以趨近于零,所以互聯網的這種特質決定了其針對各個行業必然具有天然的侵略性和顛覆性。
在互聯網向工業控制系統領域逐漸靠近之后,誕生了工業互聯網、工業4.0以及工業物聯網等市場營銷概念和體系。這些概念喧囂塵上,一時滿城風雨。喧囂之后可能歸于沉寂,然而來自互聯網的風聲已不可阻擋。
天下大勢,浩浩蕩蕩,順之者昌,逆之者亡。作為工業控制系統從業者,我們應該拋開市場營銷的概念迷霧,去追尋互聯網概念下工業控制系統的技術變革。在這樣的變革時代,工業4.0、智能工廠、工業互聯網等倡導的理念及其技術的實現將不得不在短時間內重新配置,因此需要重新靈活配置工業控制系統的核心設備PLC。如何來靈活配置PLC成為工業互聯網真正實現工業互聯的的背后支撐。因此本文從這樣的角度出發,描述了在工業互聯網時代,工業互聯網的背后核心技術。
工業控制系統的核心PLC
可編程邏輯控制器,英文稱Programmable Logic Controllers,簡稱PLC(本文在后續一律簡稱PLC)是帶有模塊化組件的小型工業計算機,旨在自動化定制控制過程。我理解的控制過程就是通過程序對物理設備進行控制的過程,而這個程序就是通過邏輯表達的形式實現的(梯形圖或其他PLC編程語言)。在PLC內部,將真實物理設備通過一個符號或字符串進行邏輯表示,因此編寫的程序就是對這些邏輯進行編程和組合、循序控制的過程。這個控制過程是可編程的,可自定義的。因此稱之為可編程邏輯控制器(PLC)。
PLC一直在發展中,至今尚未對其下最后的定義。國際電工學會(IEC)曾先后于1982年11月、1985年1月和1987年2月發布了PLC標準草案的第一,二,三稿。在第三稿中,對PLC作了如下定義:可編程邏輯控制器(PLC)是一種數字運算操作電子系統,專為在工業環境下應用而設計。它采用了可編程序的存儲器,用來在其內部存儲執行邏輯運算、順序控制、定時、計數和算術運算等操作的指令,并通過數字的、模擬的輸入和輸出,控制各種類型的機械或生產過程??删幊踢壿嬁刂破鳎≒LC)及其有關的外圍設備,都應按易于與工業控制系統形成一個整體、易于擴充其功能的原則設計。
在工業控制系統領域內,工業生產環境的物理機器和生產線通常由硬件PLC控制,這也被認為是當前最優化的解決方案并以此驅動工業自動化進程多年。為了更好地理解PLC的目的,讓我們看一下PLC的簡史。
工業自動化在PLC之前就已經開始了。在20世紀早期到中期,工業自動化通常使用復雜的機電式繼電器電路來實現。機電繼電器是一種電子控制器件,它具有控制系統(又稱輸入回路)和被控制系統(又稱輸出回路),當輸入量(如電壓、電流、溫度等)達到規定值時,使被控制的輸出電路導通或斷開的電器。但是,通過繼電器這種架構制造簡單的自動化所需的繼電器、導線和空間的數量都存在很多問題。一個簡單的工廠控制過程的實現就需要成千上萬的繼電器!如果邏輯電路中有什么東西需要更改的話,那更是災難性的。
1968年,第一臺可編程邏輯控制器(PLC)問世,取代了工業生產中復雜的繼電器電路實現的工業自動化控制。最開始提出明確想法的是美國通用公司。在1968年的時候他們想要一臺可以取代繼電器控制的裝置。次年,美國數字設備公司為通用公司研制出了第一臺可編程控制器PDP-14,并且試用成功,這就是世界上第一臺PLC。到70年代后期,PLC開始進入快速發展階段,運行速度快速提升,小型化也有實質性的進步。80年代初開始在西方國家廣泛應用,并快速成長,那段時間可謂是PLC的黃金時期。之后又發展了大型機和超小型機。到21世紀,PLC規模不斷擴大,I/O點數增加,多CPU并行工作,大容量存儲,高速掃描等,模塊化、標準化成為主流,成本大幅度縮減,應用更加廣泛。
PLC的設計可以讓熟悉繼電器邏輯和控制原理圖的控制工程師和技術人員能夠輕松編程。其中最初始的實現就是梯形圖邏輯,該邏輯被設計用來模擬控制電路原理圖。梯形圖看起來像是控制電路,其中電力從左到右通過閉合觸點來激勵繼電器線圈。
上圖的梯形圖看起來像簡單的控制電路原理圖,左側顯示開關、按鈕、傳感器等輸入源,右側顯示輸出源。通過這樣的梯形邏輯等直觀的界面編程來實現復雜的自動化過程,比使用之前的繼電器更加便捷高效,而且過渡到PLC的學習成本也降至最低。