从自动化集成体系结构的视角看PLC系统软件的长足进展

      集成体系架构的发展，是近几年来自动化技术和自动化市场的一个大趋势。随着市场竞争日趋激烈，生产制造业在挖潜增效的驱动下，要求自动化技术提供一揽子解决自动化控制和生产管理、执行等信息系统的全集成解决方案，而不再是plc或dcs的自动化孤岛和信息孤岛的陈旧模式。作为现场设备控制底层的系统，plc的发展，特别是其软件的发展，必须适应这样的宏观趋势。这就是说，现代plc除保持传统plc的固有属性之外，必须根据现代自动化技术和市场的发展趋势，从作为自动化的一个单纯执行某种控制任务的孤立单元，进一步提升为制造信息和设备健康状况信息的提供者，为生产全流程的控制和管理提供基本的原始数据。换言之，从企业的生产管理全局的角度看，现代plc在执行必要的基础自动化功能之外，还必须满足网络集成的基本要求，甚而为满足数据集成提供基本条件

    这是因为，经过十几年的探索和实验，从理论和实践上证明了制造业扁平化的（企业资源计划）、mes（制造执行系统）和pcs（广义过程控制系统）三层架构模型进入了大规模、全方位的应用时期。

    这也因为，当今自动化技术发展，已经从技术层次和认识层次两方面打破了将工业控制领域划分为电气控制（包括传动控制、逻辑和顺序控制）、过程控制、运动控制等多专业范畴的界限，从而为建立统一的工程设计和组态平台打下了基础。

    这还因为，在经济全球化大趋势的推动下，从上世纪80年代开始到现在，在国际产业界长期共同追求和努力下，开发和制定了许多自动化和信息化的国际标准。由于这些包括工控编程语言、公共组态环境等工程环节；现场总线、工业以太网等通信网络环节；数据交换接口、控制和企业管理信息集成等环节的标准化，使一系列国际标准的制定和推广应用取得了丰硕的成果，形成为普遍的共识，从而为自动化集成体系架构的发展和日趋成熟奠定了标准化基础。这里要特别要提到的有：iec61131-3工控编程语言标准，xml可扩展标记语言纲要，iec61158、61499、61784、61804等现场总线和工业以太网国际标准，isasp95（iec62264）企业与控制系统集成标准，isasp88批量控制标准，过程控制用数据交换接口规范opc，等等。

    在上述三方面因素的共同作用下，自动化全集成体系架构开始崭露头角。而这种趋势的形成又是自动化主流公司在控制系统、控制工程设计和组态软件、工业通信网络、制造管理和执行软件等多方面深厚积淀的基础上，通过整合集成，谋求实现管控一体化的必然产物。

    那么，什么是自动化集成体系架构发展的指导思想呢？

    cpas创导全厂控制和统一工程设计和组态环境

    协同过程自动化系统模型cpas，是著名咨询集团arc提出的在erp、mes和pcs三层结构中，作为自动化设备制造公司和工程公司应对的一种最佳解决方案。cpas把pcs和mes的功能性和具体实现所必需依托的网络技术、技术标准及它们之间的相互关系，完整清晰地予以概括。cpas倡导全厂控制（in-plantcontrol)的概念，用一个平台提供工厂所有必须的控制功能，摒弃长期以来由plc和dcs分担离散控制和过程控制的功能划分。同时，还倡导用一个统一的工程设计和组态环境，解决所有的电控、仪控、计算机控制和hmi（人机会话界面）、scada（远程监控）的设计和组态，乃至开车调试投运和运行管理维护所需要的工程问题。

      cpas明确指出，支持底层和设备自动化的网络技术是现场总线，支持工厂和企业的管理信息网络是基于以太网的技术。协同过程自动化系统模型
    传统的自动化系统是以当时的技术条件为出发点，用在市场上可采购到的硬件和软件产品组建的，很少去考虑制造厂的经营要求。如今已不能停留在这种落后的观念了。因为这造成了生产和经营管理严重脱节，信息交流不畅，甚至所生成的信息不及时、甚至偏离走样，以至于在许多情况下资本成本难以回收，绩效低下。新一代的过程自动化系统必须满足生产运营的综合生产指标优化的要求，并把这种要求转化为一种有效的可执行的解决方案。过去十多年来信息技术和因特网的发展，使运营管理与工厂生产建立紧密、实时联系的协同环境，有了强大的技术支撑。为了在运营管理和生产制造之间建立同步的、相互都有利的支持环境，实现在经营管理、工厂生产形成闭环的前提下追求绩效最佳，这就是协同过程自动化系统cpas的理念。

    cpas的关键是在三层结构中建立起上下各层次间的实时数据交换，或者称为上下各层次间的信息同步。这就是说，生产管理作为cpas的核心环节必须与过程控制紧密连接。用过程控制的术语说，cpas以经营业务流程的性能最优为目的，为经营管理、生产管理和生产制造之间形成闭环，提供了一种可行的方法。cpas对生产过程的绩效进行精确度量，为达到企业资源综合指标优化、运营效果出众提出了基于信息化的自动化技术的架构规范。cpas还要求纳入第三方产品的生产过程和管理的信息，以求得供应链的协同。概括起来说，cpas是一种控制生产过程，其规模可大可小（scalable)、具有高可用性（availability），性能稳健（robust），采集和处理数据能力极强，且无边界的平台。

    iec61131-3推动了plc在软件方面的巨大进步

    可编程控制器作为一类重要的工业控制器装置，之所以能够在长达数十年的工控市场上长盛不衰，本质上的原因必须从其内部去发掘。其中，软件与硬件发展的相辅相成、相得益彰，应该是重要原因。可以毫不韪言地说，iec61131-3对plc的进步，也起了关键的推动作用。同时，plc在软件上的进步也为自动化集成体系架构的发展创造了良好条件。

    iec61131-3推动plc在软件上的进步

    （1）编程的标准化。编程的标准化，促进了工控编程从语言到工具性平台的开放；同时为工控程序在不同硬件平台间的移植创造了前提条件。

    （2）统一的工程应用软环境。为控制系统创立统一的工程应用软环境，打下坚实基础。从应用工程程序设计的管理，到提供逻辑和顺序控制、过程控制、批量控制、运动控制、传动、人机界面等统一的设计平台，以至于将调试、投运和投产后的维护等，统统纳入统一的工程平台。

    （3）工具进步。应用程序的自动生成工具和仿真工具（鉴于篇幅所限，本文不再展开）。

    iec61131-3促进了工控编程从语言到工具性平台的开放

    （1）工控编程语言的实现架构和参照座标。iec61131-3是当今世界第一个，也是至今为止惟一的为工业自动化控制系统的控制软件设计提供编程语言的国际标准。

      这个标准将现代软件的概念和现代软件工程的机制与传统的plc编程语言成功地结合，又对当代种类繁多的工业控制器中的编程概念及语言进行了标准化。它为可编程控制器软件技术的发展，乃至整个工业控制软件技术的发展，起着举足轻重的推动作用。可以说，没有编程语言的标准化便没有今天plc走向开放式系统的坚实基础。自iec61131-3正式公布后，经过十来年年的推广应用和不断完善，它获得了广泛的接受和支持，在工业控制领域中产生了重要的影响，被全球越来越多制造商和客户所接受，并且成为dcs、plc、ipc、pac、运动控制以及scada的编程系统事实上的标准。
    工控编程语言是一类专用的计算机语言，建立在对控制功能和要求的描述和表达基础上。作为实现控制功能的语言工具，工控编程语言不可能是一成不变的，其进步和发展必然受到计算机软件技术和编程语言的发展，以及它所服务的控制工程在描述和表达控制要求和功能的方法的影响。但是不论其如何发展和变化，这些年来的事实表明，它总是在iec61131-3标准的基础和框架上展开的。这就告诉我们，iec61131-3不仅仅是工控编程语言的规范，也是编程系统的实现架构的参照座标。

    只要有了符合标准的基本编程系统，即使使用不同的实时操作系统和cpu芯片的控制器或系统，都可以获得所需的编程软件和运行软件。这明确的说明，不同目标系统之间的差异并不妨碍使用同一个基本编程系统。近些年来plc编程系统就是沿着这条轨迹在发展。国外商品化的工业控制软件的编程系统平台的发展模式是专业化集中化，即由为数不多的、且专门从事工业控制基础软件的小型企业承担，他们向工控界提供一类不具体地依赖于特定的plc或其他控制系统硬件产品的开放式编程软件包。如加拿大icstriplex公司的isagraf；德国kw的multiprog；德国infoteam的openpcs；德国3s公司的codesys等等。许多的工