自動控制系統(tǒng)是智能制造的“雞蛋”還是“石頭”

編者按：什么是實現(xiàn)智能制造的內(nèi)因？IT-OT如何融合？自動化這幾十年發(fā)生了哪些變化？智能制造時代下PLC需要如何自身變革？PLC為何要嵌入AI？請看杜博士的長文。雞蛋在合適的溫度上可以轉(zhuǎn)化為雞子，而最適當?shù)臏囟纫膊荒軐⑹^轉(zhuǎn)化為雞子。這說明了什么是事物變化的根本原因：即內(nèi)因是事物變化的根本，外因是事物變化的條件,事物的發(fā)展是內(nèi)外因共同起作用的結(jié)果，而外因只有通過內(nèi)因起作用。

當前我們在討論中國的智能制造實現(xiàn)之路時，同樣也要考慮從自動化制造轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄苤圃鞎r，什么是實現(xiàn)智能制造的“雞蛋”(內(nèi)因)。什么是實現(xiàn)智能制造的“溫度”（外因）。如果我們一味地強調(diào)“溫度”的作用，而不考慮其本質(zhì)的內(nèi)因。那么再好的外部條件也不能實現(xiàn)本質(zhì)的變化。本文想利用《工控百家談》發(fā)表自己的一些想法，與大家商討。

一、智能制造是互聯(lián)網(wǎng)時代的產(chǎn)物，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進入制造領(lǐng)域，使得自動化制造升級為智能制造成為可能當前，我們已進入了互聯(lián)網(wǎng)時代，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以不可阻擋的潮流進入各行各業(yè)，給各行各業(yè)的變革帶來強大的動力，同時也對各行各業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生巨大的影響。作為互聯(lián)網(wǎng)時代的產(chǎn)物：智能制造的概念誕生了。智能制造的目標就是對目前的生產(chǎn)制造模式進行轉(zhuǎn)型升級，即智能制造生產(chǎn)模式有以下幾方面的變革和提升：

1.智能制造延伸了生產(chǎn)制造的含義，從單純的生產(chǎn)制造鏈延伸到產(chǎn)品生命周期的全過程。它即考慮了產(chǎn)品的質(zhì)量、成本，同時又考慮了企業(yè)內(nèi)部的運行模式、企業(yè)的應(yīng)變能力以及企業(yè)在市場和客戶中的定位等，無論是研發(fā)與設(shè)計、生產(chǎn)與制造，還是營銷與服務(wù)都以滿足消費者需求作為出發(fā)點和歸宿點，推行用戶體驗式的設(shè)計，制造和服務(wù)的一體化，這樣形成研發(fā)，制造和服務(wù)三位一體的智能制造生產(chǎn)模式。

2.智能制造實現(xiàn)了數(shù)字一體化的生產(chǎn)模式，產(chǎn)品的數(shù)學化，制造的數(shù)學化和管理的數(shù)字化保證了人，機和產(chǎn)品之間的無縫連接。制造信息流，管理信息流及研發(fā)和客戶信息流可以在控制系統(tǒng)中進行通訊和交換。這樣的生產(chǎn)制造系統(tǒng)具有自適應(yīng)功能，柔性靈活、快速重構(gòu)的智能化的特點。

3.

智能制造生產(chǎn)制造模式的內(nèi)容也有了新的含義。金字塔結(jié)構(gòu)自動化制造的金字塔PLC系統(tǒng)智能制造的金字塔PLC系統(tǒng)管理層對控制數(shù)據(jù)進行顯示產(chǎn)品生命周期的分析管理和總結(jié)控制層對控制數(shù)據(jù)進行處理對研發(fā)端，制造端和服務(wù)端數(shù)據(jù)處理現(xiàn)場層進行控制數(shù)據(jù)的采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集具有可觀，可測，可控和可通訊性

顯而易見，目前的工業(yè)自動化控制技術(shù)是不能完成這些任務(wù)的。

我們必須依靠外力，即考慮如何將當今日益發(fā)展工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用與工業(yè)領(lǐng)域，如何將IT技術(shù)真正的能引進到控制領(lǐng)域，從而使的智能制造成為可能。溫故而知新，我們不妨回顧一下近三十多年自動化技術(shù)發(fā)展的歷史：1.上世紀80年代，當RS232的串聯(lián)通信技術(shù)廣泛地運用在計算機領(lǐng)域的時候，自動化領(lǐng)域的工程師們馬上對這種技術(shù)進行了分析，消化和變革，針對工業(yè)通信傳輸安全和工業(yè)工況環(huán)境的可靠性和抗干擾的要求，發(fā)展性地采用了RS485雙工差分式雙絞線的現(xiàn)場總線傳輸通信（物理層）的標準，并且創(chuàng)造性地對ISO/OSI七層協(xié)議通信進行了簡化（物理層，數(shù)據(jù)層直接到應(yīng)用層），在拓撲結(jié)構(gòu)上又對串行通信協(xié)議的信息內(nèi)容和使用格式進行了擴展，產(chǎn)生了環(huán)形網(wǎng)絡(luò)拓撲（Interbus）和線性網(wǎng)絡(luò)拓撲（Profibus）結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場總線自動化通信技術(shù)，成功地將當時串行通信技術(shù)運用于工業(yè)控制領(lǐng)域。成為自動化融合通信技術(shù)的一個典范。

2.上世紀90年代，PC技術(shù)風起云涌，自動化工程師又大膽地改革了PLC控制器的硬件結(jié)構(gòu)，大量地將Window的軟件環(huán)境運用到自動控制系統(tǒng)中去。特別對傳統(tǒng)的PLC編程語言（IEC61131）進行了改進，采用了高級語言（如C語言）進行了編程，這種編程方法也日益地被專業(yè)人員所接受。使得以PC為基礎(chǔ)的PLC控制器也成為自動控制系統(tǒng)的一個主流。

3.而在21世紀初，以太網(wǎng)技術(shù)發(fā)展日新月異的時候，自動化工程師馬上取其精華，實現(xiàn)了工業(yè)以太網(wǎng)和工業(yè)實時以太網(wǎng)，以太網(wǎng)技術(shù)成功地與工業(yè)自動化技術(shù)有機地結(jié)合起來，大大地提高了控制系統(tǒng)的性能，功能和應(yīng)用范圍。成為自動化人的自豪和佳話。

通過以上三段歷史的回顧，我們得到這樣的啟示：所謂的自動化技術(shù)的發(fā)展都是以自動化本身的改革為主導，大膽地融合了不同時代出現(xiàn)的不同技術(shù)，如果沒有自動化本身變革的內(nèi)因發(fā)生變化，就不會有工業(yè)自動化技術(shù)發(fā)展的今天。這是我想起中國的一句古話：以史為鑒。所以只有了解事物的過去，才能知道事物的今天。只有知道事物的今天，才能預(yù)測事物的明天。而今，當IT技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)要進入生產(chǎn)制造領(lǐng)域時，IT領(lǐng)域的專家們成為改革自動化控制系統(tǒng)的主導者，他們希望通過成熟的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)運用到工業(yè)場景上來實現(xiàn)IT融合OT。實際上工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的產(chǎn)生是在云平臺的基礎(chǔ)上疊加物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新興技術(shù)，實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)匯聚與建模分析、工業(yè)經(jīng)驗知識軟件化與模塊化、工業(yè)創(chuàng)新應(yīng)用開發(fā)與運行，從而支撐生產(chǎn)智能決策、業(yè)務(wù)模式創(chuàng)新、資源優(yōu)化配置和產(chǎn)業(yè)生態(tài)培育的發(fā)展。目前互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)已完成，各種的生產(chǎn)制造管理的IT軟件的應(yīng)用技術(shù)也已逐漸成熟，如5G,大數(shù)據(jù)通訊、歸納分析算法、基于條件的監(jiān)控、預(yù)測維護、機器學習和增強現(xiàn)實在各個領(lǐng)域得到了應(yīng)用。這樣一來，似乎實現(xiàn)智能制造的條件已經(jīng)成熟。

但是我本人認為，采用目前的這種方法并沒有改變生產(chǎn)制造的本質(zhì)。正如前ABB總裁史畢福在總結(jié)GE的Predix工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)不成功的例子所說的那樣：“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)則是數(shù)字化轉(zhuǎn)型的實現(xiàn)形式，GE的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)只做到了收集數(shù)據(jù)和分析，但無法做到控制…“

由于GE的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)沒有與控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)有機的結(jié)合，使得Predix沒有在工業(yè)界得到廣泛的使用。

要真正做到IT融合OT，我們必須找出生產(chǎn)制造模式變化的內(nèi)因何在，才能得到IT技術(shù)融合于生產(chǎn)制造領(lǐng)域的通道，更好地發(fā)揮人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)在以產(chǎn)品全生命周期為導向的大規(guī)?；茟?yīng)用模式的互聯(lián)網(wǎng)平臺的作用，打通產(chǎn)業(yè)鏈上下游，優(yōu)化資源配置，實現(xiàn)從企業(yè)管理層到生產(chǎn)層的縱向數(shù)據(jù)集成。這里面最主要的是，控制系統(tǒng)不僅要與過去一樣處理控制數(shù)據(jù)（即實時性數(shù)據(jù)），同時對于大量的生產(chǎn)管理，產(chǎn)品研發(fā)數(shù)據(jù)（非實時數(shù)據(jù)）也有處理能力。

但是可惜的目前大量互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)達成的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺都不能對控制的實時數(shù)據(jù)進行處理和交流，他們做了大量分析，但是對于現(xiàn)場的控制的作用微乎其微。

所以到目前為此所謂的“IT融合OT”實質(zhì)上僅僅是“IT湊合OT”。因為智能制造的核心是要改變的傳統(tǒng)的生產(chǎn)制造模式，而不僅僅是數(shù)據(jù)的分析，數(shù)學模型的建立和數(shù)據(jù)庫的管理。這些功能無疑對于生產(chǎn)制造模式從自動化到智能化的轉(zhuǎn)變起了一個很大的作用，但是僅是“外因”即提供了一個“合適的溫度”。二、自動化控制技術(shù)是實現(xiàn)智能制造的根本，它是事物發(fā)展變化的內(nèi)因?qū)崿F(xiàn)智能制造生產(chǎn)模式的目標就是對目前的生產(chǎn)制造模式進行轉(zhuǎn)型升級，解決目前采用自動化制造生產(chǎn)模式不能解決的問題，即：在互聯(lián)網(wǎng)時代產(chǎn)品生命周期不斷縮短的問題、產(chǎn)品更新?lián)Q代的快速響應(yīng)要求的問題、多品種小批量性生產(chǎn)的問題、產(chǎn)品生命周期周期考慮下的成本問題、企業(yè)ROI的周期問題、企業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時代的盈利模式問題以及帶來的能源使用效率、節(jié)能減排等等問題。

顯而易見，這些問題的結(jié)單單靠現(xiàn)在的控制系統(tǒng)所有的功能和方法是遠遠不夠的。

一句話，現(xiàn)在PLC控制系統(tǒng)不僅僅要對生產(chǎn)制造的實時性的控制數(shù)據(jù)進行處理和分析，而且要對大量的具有分析，歸納，總結(jié)的非實時數(shù)據(jù)進行處理。因此為了滿足智能制造生產(chǎn)模式的需求，控制器本身要進行軟件，功能和硬件結(jié)構(gòu)等多方面的變革?？刂破鬟@種內(nèi)因本身的變化，在加上融合外因的變化，才能實現(xiàn)智能制造的目標。

三、PLC控制系統(tǒng)在智能制造條件下自身變革的建議作為拋磚引玉，我認為PLC自動控制系統(tǒng)為了滿足智能制造生產(chǎn)模式的新要求，其本身必須進行兩方面的改革：重塑PLC框架結(jié)構(gòu)，新型PLC控制系統(tǒng)不僅能處理實時數(shù)據(jù)，同時也能處理非實時數(shù)據(jù)。PLC控制系統(tǒng)必須整合人工智能的功能。重塑PLC框架結(jié)構(gòu)，新型PLC控制系統(tǒng)不僅能處理實時數(shù)據(jù)，同時也能處理非實時數(shù)據(jù)。智能制造中的企業(yè)管理結(jié)構(gòu)模式中：管理層是企業(yè)產(chǎn)品生命周期的管理；控制層是研發(fā)端、制造端和服務(wù)端的整合控制；現(xiàn)場層采集的信息一定要有可控、可觀、可測、可通訊的功能。在這種情況下，智能制造對自動化系統(tǒng)提出了新的要求。PLC控制系統(tǒng)目前的最大問題是不能處理，分析，歸納和總結(jié)管理，服務(wù)和研發(fā)的所謂的非實時數(shù)據(jù)。這個缺陷形成了PLC控制系統(tǒng)在智能制造中應(yīng)用最大的瓶頸，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，大數(shù)據(jù)，人工智能技術(shù)不能直接進入到控制系統(tǒng)的核心-PLC控制系統(tǒng)中，

限制了迅猛發(fā)展的互聯(lián)網(wǎng)新技術(shù)在控制器層面的應(yīng)用范圍。

因此在這種情況下，當前的PLC控制系統(tǒng)必須進行變革，才能滿足自動化系統(tǒng)運行過程和控制相關(guān)的實時數(shù)據(jù)處理及管理，服務(wù)等非實時數(shù)據(jù)的分析、存儲、歸納等要求。

但是實時數(shù)據(jù)和非實時數(shù)據(jù)的性質(zhì)是完全不同的，見表一所示，由于非實時數(shù)據(jù)與實時數(shù)據(jù)在數(shù)量上，時間上，處理方法和傳輸效率的完全不同，使得目前的PLC控制系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)設(shè)計中僅對實時的控制數(shù)據(jù)進行處理。而沒有考慮處理管理，研發(fā)，服務(wù)等的非實時性數(shù)據(jù)的問題。實時數(shù)據(jù)非實時數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)數(shù)量少數(shù)據(jù)傳輸數(shù)量大實時性要求嚴格無實時性的要求周期性進行傳輸無需周期性傳輸傳輸效率要求高，可靠性要求高可采用高傳輸速率，可靠性相對低為了滿足智能制造的要求，我們必須考慮新的PLC控制系統(tǒng)的硬件，軟件和操作系統(tǒng)即滿足原來的功能，同時又能滿足處理部分的非實時數(shù)據(jù)的功能。即產(chǎn)品生命周期的研發(fā)，服務(wù)和管理數(shù)據(jù)也能在控制器進行運算和分析。這樣就形成一個全新的PLC控制系統(tǒng)。

菲尼克斯公司開發(fā)的PLCnext控制系統(tǒng)，其系統(tǒng)架構(gòu)模型就是按照這種思路進行設(shè)計的，其簡化的描述可以用下圖表示：

在德國推進工業(yè)4.0的初期，菲尼克斯就針對智能制造對于新一代的PLC控制器提出的要求，開始開發(fā)了用于智能制造模式的新型PLC控制系統(tǒng)，并且命名為PLCnext，即互聯(lián)網(wǎng)時代的PLC控制系統(tǒng)。它的特點是既保留了傳統(tǒng)PLC編程的優(yōu)勢，同時通過擴大了編程語言、工具及開源功能集成的自由度的能力，實現(xiàn)處理實時性數(shù)據(jù)的功能的同時，又能處理非實時數(shù)據(jù)的PLC控制系統(tǒng)平臺。其結(jié)構(gòu)設(shè)計是采用了以下六大開放性的技術(shù)來實現(xiàn)的：1.

采用Linux的開放式實時操作系統(tǒng)2.

PLCnext的多核多任務(wù)的硬件系統(tǒng)架構(gòu)3.

采用ESM執(zhí)行和同步管理器(Execuzation&SynchonizationManager和GDS全局數(shù)據(jù)庫（GlobalDataSpace）管理的內(nèi)部用戶組件和外部用戶組件技術(shù)4.

開放性的軟件編程語言5.

開放性的功能塊開發(fā)平臺（PLCnextAPP）6.

開放性的各種通信接口平臺PLC控制系統(tǒng)必須整合人工智能的功能。PLC控制系統(tǒng)需要智能化的功能，唯一的方法就是將人工智能的技術(shù)整合到整個PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計中去。

那么什么叫人工智能呢？清華大學孫富春教授曾經(jīng)做了這樣的描述：人工智能的最終目標就是探討智能形成的基本機理，研究利用自動機模擬人的思維過程。而近期的目標如何用計算機去做那些靠人的智力才能做的工作，一個是模擬人的思維過程，一個是模擬人的能力。從而可以認為人工智能就是按照人的功能進行開發(fā)研究的一種技術(shù)。反過來講，人有什么功能呢？有眼睛、耳朵、大腦、手腳、神經(jīng)、消化、呼吸。人們正是仿照這些功能產(chǎn)生人工智能，即人工智能的七大功能。

那么工智能如何用到自動化上去呢？如何與PLC自動化系統(tǒng)結(jié)合起來呢？按照人工智能的7大部分的作用，我們做了以下分類

：感知、認知、明知：

感知

就是視覺和圖像識別、機器人的深度化應(yīng)用、聲控和自然語言系統(tǒng)；

認知

就是機器學習、深度學習，一直到神經(jīng)學習；

明知

就是預(yù)測，專家系統(tǒng)和最佳策劃功能。

我為什么要把人工智能分成三類呢？這恰恰符合了自動化控制系統(tǒng)的三大功能：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析。

我們在PLCnext控制器中非實時數(shù)據(jù)的分析管理中增加了人工智能的明知部分，使得PLCnext內(nèi)容可以對一些生產(chǎn)，研發(fā)服務(wù)等管理數(shù)據(jù)進行分析歸納總結(jié)，實現(xiàn)預(yù)測，專家系統(tǒng)和最佳策劃的功能。

而在PLCnext的邏輯運算部分增加了人工智能的認知部分，使得控制器的運算部分的增加了機器學習的功能，通過機器學習的辨識，建模和決策的功能使得PLCnext控制器不僅能夠按照已知對象的調(diào)節(jié)規(guī)律進行控制，同時也可以對未知的對象通過自學習的方法進行自適應(yīng)控制。使得控制器有了人工智能的功能。

在數(shù)據(jù)采集上即現(xiàn)場層增加了視覺控制，聲控和語言功能，這些功能不僅使得我們對于控制對象的現(xiàn)狀，運行狀態(tài)以及未來的預(yù)測有了更多的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，同時已與機器人組成為一體，使得機器人也有了視覺和語言功能，機器人的應(yīng)用場合會越來越多，智能化的程度也愈來愈高了，進行分析的數(shù)據(jù)量更多更豐富。

利用PLCnext控制平臺，有機地整合了人工智能的功能，PLCnext的新型框架結(jié)構(gòu)使得智能制造實現(xiàn)有了新的可能。同時也實現(xiàn)了智能制造生產(chǎn)模式即全產(chǎn)品生命周期的生產(chǎn)制造模式。

四、總結(jié)以上的闡述作為拋磚引玉，本人提出以下一些觀點：1.工業(yè)自動化控制系統(tǒng)是實現(xiàn)智能制造的內(nèi)因，IT技術(shù)的應(yīng)用是實現(xiàn)智能制造的條件。2.現(xiàn)在的PLC控制系統(tǒng)本身框架結(jié)構(gòu)必須進行變革，即實現(xiàn)對實時和非實時數(shù)據(jù)的分析，歸納，總結(jié)和制定規(guī)律的能力。3.在PLC