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互联网是一个颇具颠覆性和侵略性的思想和体系,从它的诞生之日起短短十多年时间,就跨界打击多个行业并取得巨大成功。总结起来,互联网的核心思想就是规模经济,以规模形成经济效应,即在初始阶段,进行大规模的资本投资,提供满足基本需求的产品,大规模的发展客户,以求达到规模经济性。并在达到一定规模后就开始多元化批量复制这种规模经济,形成多元化的规模发展。因为互联网每新增加一种产品的存储、营销等成本可以趋近于零,所以互联网的这种特质决定了其针对各个行业必然具有天然的侵略性和颠覆性。

在互联网向工业控制系统领域逐渐***之后,诞生了工业互联网、工业4.0以及工业物联网等市场营销概念和体系。这些概念喧嚣尘上,一时满城风雨。喧嚣之后可能归于沉寂,然而来自互联网的***已不可阻挡。

天下大势,浩浩荡荡,顺之者昌,逆之者亡。作为工业控制系统从业者,我们应该抛开市场营销的概念迷雾,去追寻互联网概念下工业控制系统的技术变革。在这样的变革时代,工业4.0、智能工厂、工业互联网等倡导的理念及其技术的实现将不得不在短时间内重新配置,因此需要重新灵活配置工业控制系统的核心设备plc。如何来灵活配置plc成为工业互联网真正实现工业互联的的背后支撑。因此本文从这样的角度出发,描述了在工业互联网时代,工业互联网的背后核心技术。

可编程逻辑控制器,英文称programmable logic controllers,简称plc(本文在后续一律简称plc)是带有模块化组件的小型工业计算机,旨在自动化定制控制过程。我理解的控制过程就是通过程序对物理设备进行控制的过程,而这个程序就是通过逻辑表达的形式实现的(梯形图或其他plc编程语言)。在plc内部,将真实物理设备通过一个符号或字符串进行逻辑表示,因此编写的程序就是对这些逻辑进行编程和组合、循序控制的过程。这个控制过程是可编程的,可自定义的。因此称之为可编程逻辑控制器(plc)。

plc一直在发展中,至今尚未对其下最后的定义。国际电工学会(iec)曾先后于1982年11月、1985年1月和1987年2月发布了plc标准草案的第一,二,三稿。在第三稿中,对plc作了如下定义:可编程逻辑控制器(plc)是一种数字运算操作电子系统,专为在工业环境下应用而设计。它采用了可编程序的存储器,用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令,并通过数字的、模拟的输入和输出,控制各种类型的机械或生产过程。可编程逻辑控制器(plc)及其有关的外围设备,都应按易于与工业控制系统形成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。

在工业控制系统领域内,工业生产环境的物理机器和生产线通常由硬件plc控制,这也被认为是当前最优化的解决方案并以此驱动工业自动化进程多年。为了更好地理解plc的目的,让我们看一下plc的简史。

工业自动化在plc之前就已经开始了。在20世纪早期到中期,工业自动化通常使用复杂的机电式继电器电路来实现。机电继电器是一种电子控制器件,它具有控制系统(又称输入回路)和被控制系统(又称输出回路),当输入量(如电压、电流、温度等)达到规定值时,使被控制的输出电路导通或断开的电器。但是,通过继电器这种架构制造简单的自动化所需的继电器、导线和空间的数量都存在很多问题。一个简单的工厂控制过程的实现就需要成千上万的继电器!如果逻辑电路中有什么东西需要更改的话,那更是灾难性的。

plc的设计可以让熟悉继电器逻辑和控制原理图的控制工程师和技术人员能够轻松编程。其中最初始的实现就是梯形图逻辑,该逻辑被设计用来模拟控制电路原理图。梯形图看起来像是控制电路,其中电力从左到右通过闭合触点来激励继电器线圈。

而基于这样的梯形图逻辑进行编程,只需要根据现场工厂环境的的生产流程对照编程梯形图逻辑即可,从而实现控制过程的可编程性。这个可编程逻辑控制器(plc)虽然是可编程的,但是和现今热炒的软件定义还是有一些区别,主要在于可编程逻辑控制器(plc)的可编程性具有一定的限制条件。即每台可编程逻辑控制器(plc)对其进行编程,都需要特定的编程软件将程序实现之后,通过和可编程逻辑控制器(plc)通讯来实施最终的控制过程程序的上载。可编程逻辑控制器(plc)介于传统硬件设备和软件定义之间,实现了数据平面的可编程性,但是控制平面并没有抽离出来实现统一集中控制。

plc是为了应对机电继电器复杂的机器控制而开发的。目的是开发更灵活的控制系统,减少机器停机时间,并用这种新设备执行逻辑功能。从plc开发出来到现在,确实也达到了最初设计和开发的目的。plc已经在工业自动化领域默默奉献了有几十年的历史,即使在对安全至关重要的应用中,它们也已经实现了对机器进行控制的可靠性。以至于几乎所有的现代工业自动化的控制器都是由plc实现,在工业环境下,plc几乎无所不能。

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。

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