1 邏輯控制與算法設計

　　機器，早期通過各種畜力、水力、蒸汽機等方式來實現(xiàn)傳動。操作也從人工操作演變到了電氣時代通過繼電器邏輯來實現(xiàn)。伴隨著晶體管技術和IC封裝的進步，PLC和變頻器逐漸被用于作為機器的控制與傳動的核心部件。變頻電機可大幅提升能源使用效率，而PLC則加快了機器的設計靈活性。

       即使在今天，很多人提及“PLC”，還是把它理解為“邏輯”控制器，畢竟它的名字在70年代就被定義了。今時今日，PLC這個詞似乎約束了“PLC”作為一種普遍存在的控制器的應用邊界。盡管今天的PLC早已不是當年的PLC——而且，很多應用已經(jīng)不是傳統(tǒng)PLC可以解決的，并且，PLC作為“邏輯”控制器這一邊界在30年前其實就已經(jīng)被改變了。

　　就像貝加萊，在上世紀80年代，就開發(fā)了支持高級語言編程的PLC。之所以會這樣設計，與貝加萊早期所要面對的業(yè)務領域有比較大的關系。當時，貝加萊很多業(yè)務集中在塑料機械領域，而這類機器的特點就是需要多個溫度和壓力閉環(huán)控制，且相對流程工業(yè)來說，這些溫度和壓力閉環(huán)的響應要求都特別高，這使得對于控制器的算法設計能力及性能提出了較其它機器更為嚴格的需求。

　　而當時的PLC，通常采用匯編語言或梯形圖、順序功能圖等進行編程，這些編程對于復雜的回路調(diào)節(jié)任務算法設計來說不大現(xiàn)實，因此，貝加萊據(jù)此需求開發(fā)出了黑色系列控制器。它采用經(jīng)典的MC68K芯片組——具有協(xié)處理器可以用于浮點運算，并借助于OS9的分時多任務操作系統(tǒng)，使得PLC也可以支持BASIC高級語言編程。到了90年代的2000系列(也被稱為藍色系列)，2003系列仍然采用MC68K芯片組;而2005系列已開始采用Intel X86芯片組及基于此的PC架構CPU/FPU和aPCI總線、RAM/ROM架構設計。在這種硬件基礎上，運行了定性分時多任務操作系統(tǒng)，當時，它被命名為“可編程計算機控制器PCC”。

　　由此可見，貝加萊的控制器設計來源于產(chǎn)業(yè)需求——像注塑、包裝機械這種領域，都會用到比較多的算法設計能力，并且考慮工藝的變化和分析，需要較大的存儲和對大塊數(shù)據(jù)的處理能力;而同樣是溫度控制，機器的溫控響應速度又較之流程更快，達到mS級任務級別。

　　2 機械到電子傳動的遷移

　　到了上世紀90年代，機器對于靈活性提出了更高的要求，即在同一機器上生產(chǎn)變化的產(chǎn)品，批次更小，而品種更多。這需要機器能夠快速地實現(xiàn)調(diào)整，例如：傳統(tǒng)的機械裁切刀，需要針對裁切尺寸準備不同的刀輥，而采用電子凸輪(CAM)可以設置參數(shù)實現(xiàn)對不同尺寸的裁切——這種通過參數(shù)設置來調(diào)整機器生產(chǎn)的應用，成為了各類機器領域的主要需求。它的應用優(yōu)勢主要有：

　　? 機械簡化，降低磨損帶來的維護成本;

　　? 電子傳動更為靈活，可以根據(jù)需要調(diào)整參數(shù)(配置下載即可)，而無需復雜的機械調(diào)整;

　　? 精度更高，相對于機械傳動，電子軸提供更高的傳動精度，也會讓品質(zhì)一致性更好。在這個階段，機器產(chǎn)業(yè)的傳動控制是從機械化專向“電子化”的過程，例如：

　　? 電子軸印刷機

       在印刷行業(yè)，機械長軸正被電子軸取代，卷筒紙凹版、柔版以及印后裝訂的書夾數(shù)量的調(diào)節(jié)都通過伺服系統(tǒng)來完成;

　　? 多電機傳動粗紗/細紗

　　采用機械結構的粗紗/細紗，被多電機傳動的電子結構所替代;而在經(jīng)編機里，電子送經(jīng)(EBM)和電子橫移(ELS)也成為主體;

　　? 全電動注塑機

　　全電動注塑機、全電動吹瓶機開始成為應用主流;

　　? 全伺服熱膜包裝

　　在飲料包裝領域，原來采用機械傳動的熱收縮膜包裝，也開始改為全伺服傳動。早在90年代，貝加萊藍色系列的PCC就支持NC模塊，用于定位、同步和CNC的運動控制。到了1997年，貝加萊推出ACOPOS系列伺服驅動器的時候，運動控制庫如電子凸輪、鼓序列發(fā)生器、電子凸輪、虛擬主軸等都被列為PCC的一類任務，無需額外的運動控制模塊即可。

　　由于貝加萊是做控制器出身，使得貝加萊擁有了“全局看待機器與系統(tǒng)”的能力。因此，運動控制的任務僅僅是PCC的任務之一，而PCC會運行運動控制功能，包括定位同步控制、CNC和機器人，來作為運動控制的協(xié)調(diào)調(diào)度中心，而每個驅動器又自身具有智能執(zhí)行的能力——這使得整個控制架構的效率非常高，這是因為控制器可以協(xié)調(diào)多軸、任務之間的關系，而無需過高的負載，且驅動器本身具有智能性，可以自主執(zhí)行。

　　3 電子傳動對于實時通信的需求

　　因應流程工業(yè)大量的部署儀表、執(zhí)行機構及中央控制的需求，從70年代開始發(fā)展總線技術，就是將信號、通信、控制實現(xiàn)數(shù)字化，這個數(shù)字化更多意義是在將模擬轉為數(shù)字，更易于傳輸、匯集。與此同時在離散制造業(yè)里單機生產(chǎn)對于總線技術還沒有太多的需求，但隨著更多的伺服軸、傳感器的接入——接線復雜性成為問題，總線技術也開始在離散裝備上有了使用需求。但是，離散制造又屬于時間嚴苛型任務領域，它更為強調(diào)實時性，因此，就對PLC的實時通信能力提出了新的需求。

　　到了2001年左右，POWERLINK已經(jīng)成為了行業(yè)標配，它直接采用了以太網(wǎng)技術，這與貝加萊PLC本身的強處理能力有關。與當時PLC不同的是，它采用了復雜指令集架構的處理器——由于以太網(wǎng)本身的數(shù)據(jù)解包/打包、校驗等任務是非常消耗資源的(因為以太網(wǎng)數(shù)據(jù)塊比較大)，但是這種架構的處理器本身就擅長處理大塊數(shù)據(jù)。并且，這使得控制器擁有更大的數(shù)據(jù)存儲能力——在2000年左右，當大部分PLC的內(nèi)存用kB計算的時候，貝加萊PLC已經(jīng)具備了MB級的存儲能力。

　　4 機器的軟件能力需求提升

　　當機器變得更為靈活之時，機器的軟件模塊化也成為了一個比較緊迫的需求。其實，機器變得復雜的原因很多，例如在各個領域都會隨著材料的發(fā)展而變得更為復雜，導致機器需要應對各種變化，要用到大量的運動控制技術來配置各種參數(shù)。

　　隨著產(chǎn)品方案的應用領域越來越廣泛，這使得貝加萊對于“軟件”的價值和意義有著更為深刻的認識。因此，在接下來的很多年里，貝加萊在控制器部分的開發(fā)精力主要放在了對軟件的投入上。而硬件則隨著Intel的芯片升級而升級，確保兼容性，在2003年X20系列發(fā)布時，貝加萊采用了刀片式I/O結構，算力更強，結構更為緊湊，同時為了保持與市場統(tǒng)一，改為通稱的PLC。

　　軟件，首先就是平臺的問題——Automation Studio必須作為一個平臺(圖1)，讓用戶能夠快速完成自己的機器任務搭建，并且針對不同的對象增加可以擴展，對第三方則要有豐富的通信支持能力。

　　2008年Simulink PLC

　　在Mathworks推出Simulink PLC的時候，就支持C代碼的自動生成(Code Automatic Generation)——剛好由于貝加萊PLC支持C編程，這就成了水到渠成的事情。

　　2012年mapp技術

　　其實在mapp推出之前，map it概念就已經(jīng)在貝加萊內(nèi)部成為了一個標準計劃。由于貝加萊所提供支持的行業(yè)非常多，這就意味著如何能夠在不同行業(yè)種提供快速的用戶機器構建能力，讓機器的軟件像建筑領域的“預制件”一樣，在軟件工程上，這也被稱為基于組件的開發(fā)(CBDComponent-Based Development)，以提高開發(fā)效率。

圖 1 PLC 開發(fā)所需的集成開發(fā)平臺 Automation Studio

5 信息時代的機器——控制與計算融合

　　傳統(tǒng)流程工業(yè)先天具有連續(xù)性，因此，流程工業(yè)會有更高的人均產(chǎn)值。但是，離散制造業(yè)在最初都是通過單機生產(chǎn)零配件，然后由人工進行搬運，甚至在不同企業(yè)間轉運，形成最終產(chǎn)品。但是，對于一些長流程而言，顯然能夠實現(xiàn)連線生產(chǎn)，則效率就因為省略中間環(huán)節(jié)而更高。一些典型的連續(xù)型生產(chǎn)線正在離散制造業(yè)中出現(xiàn)，例如：

　　? 啤酒飲料工業(yè)：吹瓶-清洗-灌裝-旋蓋-貼標-膜包連線生產(chǎn)的設備;

　　? 印刷工業(yè)：制版-印刷-折頁-配頁-膠裝-切書聯(lián)線生產(chǎn)設備;

　　? 制藥：成型-泡罩-裁切-視覺檢測-裝盒一體機;

　　? 紡織：開清棉、清梳聯(lián)等。

　　除此之外，在這個階段，通過機器人、機械輸送系統(tǒng)，制造業(yè)開始把整個生產(chǎn)集成起來，并形成連續(xù)流動的生產(chǎn)過程。這種生產(chǎn)對于控制的需求，包括了以下幾個方面：

　　? 設備的統(tǒng)一規(guī)約與連接;

　　? 機器人的集成;

　　? 全局的信息集成;

　　? 數(shù)據(jù)采集與處理能力;

　　? 操作流程與仿真軟件需求。

　　這些算力要求較高的機器與產(chǎn)線會需要機器的控制器具有控制與計算能力的融合——這個時候，采用PC架構的控制器也就得到了更為廣泛的應用，如圖2。

圖 2 貝加萊 APC 系列工業(yè)控制計算機

圖 3 Panel PC 融控制、計算與顯示于一身

　　貝加萊的APC系列工控機采用Intel X86處理器，但其Automation Runtime和Windows均可獨立運行。這樣，HMI操作、Web服務、通信等任務都在Windows環(huán)境下進行;而RTOS仍然執(zhí)行PLC的任務。當然，機器制造商仍然更喜歡HMI與控制集成的控制系統(tǒng)，因此，貝加萊Panel PC系列也得到了青睞，如圖3。

　　Panel PC將HMI、PC、PLC集成于一體，并集成了按鍵操作功能，通過總線連接驅動，構成架構清晰、簡單的控制系統(tǒng)。除了機器的控制網(wǎng)絡需要高實時性之外，還要求與第三方設備實現(xiàn)總線連接。在信息時代，機器不但要擁有內(nèi)部的高實時響應能力，還需要與管理系統(tǒng)建立高效的連接，此外機器也需要更多的遠程診斷與維護功能——這些都可以借助于無所不在的網(wǎng)路技術來實現(xiàn)。

　　如圖4所示，經(jīng)過這么多年發(fā)展，貝加萊的PLC/PC已經(jīng)可以支持非常廣泛的總線和通信規(guī)范，這使得它所控制的機器具有較強的融入數(shù)字化系統(tǒng)的能力。

圖 4 貝加萊控制器豐富的網(wǎng)絡支持能力

6 更聰明的機器——智能時代的控制

　　雖然軟件已經(jīng)變得更為關鍵，生產(chǎn)也更為靈活與柔性，但這些都是以機理模型下為主的，或者由人根據(jù)經(jīng)驗給出的設置;而下一代機器面對的是“更為聰明”的訴求——它必須能夠不依賴于人的經(jīng)驗，而具有自我學習、自我進化的能力。

　　在貝加萊的X86硬件架構下，進一步利用新的CPU超強算力和多核架構，可以在貝加萊APC、Panel PC上劃分出基于Windows或Linux的運行任務，以及PLC的Runtime運行任務。

　　圖5為貝加萊Hypervisor技術，它使得APC可以運行為PLC與PC，而且相互之間可以通過內(nèi)部的虛擬以太網(wǎng)高速交互。exOS是一類兩棲型操作系統(tǒng)，用于解決工程開發(fā)的接口銜接——它將Linux的代碼編譯導入到AutomationStudio，使得在Linux下的Java、Python開發(fā)程序可以與實時任務實現(xiàn)交互，令到事件觸發(fā)的學習任務與控制的周期性任務可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交互。

　　如圖6，exOS使得IT與OT的工程集成實現(xiàn)了統(tǒng)一，計算與控制得到了融合。

圖 5 計算與控制融合的控制系統(tǒng)架構

圖 6 讓機器變得更聰明的軟件編程

7 滿足需求是創(chuàng)新的核心

　　貝加萊的控制器適應范圍廣，可應對各種小型、中型及大型機器控制，也能夠采用多種形式來實現(xiàn)，既可是機架式PLC，也可以是嵌入式HMI形式、Panel PC形式、PC形式，還可以是虛擬PLC形式，包括采用不同的操作系統(tǒng)等等。

　　這一切，都是因為不同的用戶有著不同的需求。自動化技術，就是不斷的借助于橫向科技的進步，以創(chuàng)新的方式開發(fā)新的產(chǎn)品與技術，并最終為用戶解決在工業(yè)生產(chǎn)中所遇到的各種復雜工程難題，為客戶的問題尋找創(chuàng)新性的答案——這就是貝加萊自動化技術發(fā)展的理念。