智能制造控制單元IMCU簡介

楊志偉 麥彬承 尹靜

【摘 ?要】

給出了一種基于5G、人工智能、標識解析技術替代PLC的新型工業(yè)控制產(chǎn)品——IMCU的內涵定義、整體框架、主要功能、標準體系以及技術路線，探討了IMCU改變傳統(tǒng)工業(yè)控制現(xiàn)場和工廠整體調度控制5層結構的可行性，旨在通過技術的集成融合創(chuàng)新，解決工業(yè)控制核心技術短板以及數(shù)據(jù)互通“卡脖子”等問題，助力我國引領未來工業(yè)控制領域的規(guī)模化、自主化和高質量發(fā)展。

【關鍵詞】新一代信息技術;工業(yè)控制系統(tǒng);PLC;IMCU

0 ? 引言

可編程邏輯控制器（PLC， Programmable Logic Controller），以其可靠性高、編程容易、組態(tài)靈活、功能模塊齊全、安裝方便等的優(yōu)勢，自1969年面世以來就得到了工業(yè)界的廣泛認可。為更加適應現(xiàn)代工業(yè)的需要，PLC不斷提升控制規(guī)模、控制能力以及產(chǎn)品配套能力，目前在國內工業(yè)體系各個行業(yè)和領域廣泛的應用。據(jù)統(tǒng)計，2016年我國PLC市場規(guī)模達73億元，預計2020年有望達100億元。然而，由于技術、市場等多方面原因，現(xiàn)在95%的國內市場由西門子、三菱、歐姆龍、霍尼韋爾、羅克韋爾等國外PLC廠家所占領，中、大型PLC產(chǎn)品幾乎全部由國際上幾大公司壟斷。

1 ? 我國工業(yè)控制系統(tǒng)（PLC）發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 ?國內PLC技術尚不具備國際競爭力

自上世紀70年代后期開始，我國PLC產(chǎn)業(yè)先后經(jīng)歷了成套設備引進、PLC引進應用、消化移植、合資生產(chǎn)的過程。國產(chǎn)PLC品牌和利時、臺達、匯川、江蘇信捷等企業(yè)在國內PLC中小型市場異軍突起，經(jīng)過多年發(fā)展，國產(chǎn)自主PLC產(chǎn)品仍未形成規(guī)模生產(chǎn)能力和完整的系列產(chǎn)品，尚不具有能夠與國際巨頭競爭的能力和實力。與此同時，由于PLC核心技術掌握在國外廠商，不能滿足我國關鍵技術自主可控的要求。

1.2 ?現(xiàn)有PLC技術無法滿足現(xiàn)代工業(yè)的新需求

工業(yè)控制系統(tǒng)已經(jīng)成為驅動整個工業(yè)向前發(fā)展的中堅力量，隨著計算機技術、通信技術和控制技術的融合發(fā)展，傳統(tǒng)的控制領域正經(jīng)歷著一場前所未有的變革，正在向智能化、網(wǎng)絡化、集成化方向發(fā)展，多任務執(zhí)行、網(wǎng)絡能力強化、處理功能高速化、軟件集成化、控制器微型化的趨勢越發(fā)明顯。PLC存在結構封閉和兼容性差的缺陷，難以滿足工控技術網(wǎng)絡能力強化、處理功能高速化、軟件集成化、控制器微型化等發(fā)展趨勢。

1.3 ? PLC無法實現(xiàn)真正意義的物物相連及精準控制

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟最近發(fā)布的《工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構2.0》提到，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)將會圍繞設備層、邊緣層、企業(yè)層和產(chǎn)業(yè)層等制造的四大層次開展網(wǎng)絡、標識、平臺、安全實施，可以看出其層數(shù)依然是遵循國家標準所規(guī)定的五層結構（如圖1所示）。其中，在設備層依然是通過PLC＼CNC進行生產(chǎn)控制，造成從智能機器、設備、儀器儀表等采集到的底層數(shù)據(jù)仍然必須通過PLC上傳，無法實現(xiàn)真正意義的物物相連、有效控制。

中國正處在從工業(yè)經(jīng)濟時代向數(shù)字經(jīng)濟時代轉型的關鍵期，將有越來越多的工廠開展網(wǎng)絡化、數(shù)字化、智能化改造，無人工廠、數(shù)據(jù)工廠、智慧工廠的建設將為我國工業(yè)控制產(chǎn)業(yè)提供巨大的市場。因此，通過研發(fā)替代PLC的方法和產(chǎn)品，將是理論上的顛覆性創(chuàng)新，將打破現(xiàn)有的PLC黑匣子，通過與5G、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等技術的集成融合創(chuàng)新，組成新一代的工控產(chǎn)品，從而更有效解決目前工業(yè)控制中的數(shù)據(jù)互通“卡脖子”問題，有助于突破現(xiàn)有被國外壟斷的技術標準與網(wǎng)絡架構，推動我國工業(yè)控制系統(tǒng)走向國產(chǎn)自主可控，為培育具有國際競爭力的工業(yè)控制廠商和產(chǎn)品奠定基礎。

2 ? IMCU簡介

雖然在過去國內各個研究機構也都在嘗試著能夠研發(fā)一種新的工業(yè)控制產(chǎn)品替代PLC產(chǎn)品，但由于基礎技術的限制一直無法進行有效的產(chǎn)品替代。但最近幾年，國內5G、標識解析、人工智能等技術的迅猛發(fā)展，為研發(fā)一種替代PLC的方法和產(chǎn)品提供了扎實的技術基礎。2019年6月我國向中國移動、中國電信、中國聯(lián)通以及中國廣電4家公司頒發(fā)了5G牌照，加快5G網(wǎng)絡的商用部署，向社會提供滿足連續(xù)廣域覆蓋、熱點高容量、低功耗大連接、低時延高可靠等多樣化場景的網(wǎng)絡環(huán)境。與此同時，北京、上海、廣州、武漢、重慶五個地方工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標識解析頂級節(jié)點均已全部上線試運行，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標識解析二級節(jié)點快速部署和推廣，將通過標識解析技術為各部件賦予唯一可識別的身份符號，有效解決傳統(tǒng)標識編碼不統(tǒng)一的問題，實現(xiàn)信息的準確關聯(lián)和地址的自動獲取。此外，基于深度學習的人工智能在語音識別、圖像識別等領域取得突破，為機器的自我診斷、預測性維護等工業(yè)應用提供了能力。

為了克服PLC目前存在的問題，同時為了將設備控制未來的發(fā)展符合現(xiàn)代多學科的技術發(fā)展路線，進一步推廣工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，可以將PLC分解形成最小化模塊，再加上5G模塊和標識解析技術形成智能制造控制單元（IMCU， Intelligent Manufacturing Control Unit）。按照國際電工委員會對PLC的定義格式，我們可以將IMCU定義為：它是一種數(shù)字運行操作的電子系統(tǒng)，專為工業(yè)環(huán)境應用和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)應用而設計。它通過無線傳輸、可尋址的方式，采用內外部可編程序的存儲器，用于內外部存儲執(zhí)行邏輯運算、順序控制、定時、計數(shù)、數(shù)術運算操作和圖像和語音人工智能算法等操作指令，并通過數(shù)字式、模擬式的輸入和輸出，控制各種機械或者生產(chǎn)過程。

3 ? IMCU技術方案設計

從技術層面看，IMCU可成為一種取代PLC更高級的工業(yè)控制產(chǎn)品，既能兼顧現(xiàn)有PLC所具備的功能，同時采用5G、標識解析和AI等新一代通信技術，還可進一步滿足工廠對設備網(wǎng)絡化、自動化、數(shù)字化和智能化的需求，成為打破工業(yè)現(xiàn)場和工廠控制遵循了三十多年的五層框架體系的技術創(chuàng)新。

3.1 ?IMCU的整體框架設計

IMCU是在把PLC分解成最小化模塊的基礎上，再加上5G芯片形成的，其結構如圖2所示。其中，IMCU的輸入和輸出均為標準接口，具備光電隔離，使其具備更好的工業(yè)現(xiàn)場抗干擾能力。微處理器是IMCU的控制中樞系統(tǒng)，也是邏輯部分的控制核心，通過運行存儲器內的軟件及調用存儲器內的數(shù)據(jù)庫，達到對單元整體監(jiān)控的目的。采用5G芯片，可以是應用處理器和基帶合一的單芯片和應用處理器和基帶芯片分離的雙芯片，基帶芯片負責信號處理和協(xié)議處理，它包括DBB（Digital Baseband，數(shù)字基帶芯片）和ABB（Analog Baseband，模擬基帶），完成語音信號和數(shù)字語音信號調制解調、信道編碼解碼和無線Modem控制。

IMCU可以根據(jù)車間工藝的要求和復雜程度，設定為直接和后臺的云平臺聯(lián)系，也可以直接和車間的邊緣計算服務器聯(lián)系（如圖3所示）。這種設定可使在設備層的智能機器、專用設備、成套設備和儀器儀表在不需要邊緣層的輔助計算和指導下，即可直接到達企業(yè)層和SCM、ERP對接，也可直接到達產(chǎn)業(yè)層和互聯(lián)網(wǎng)平臺和標識解析的二級節(jié)點對接，有助于企業(yè)管理層更快、更準確地了解和控制設備層的所有設備，同時讓產(chǎn)業(yè)層可以直接了解供應鏈上下游企業(yè)的生產(chǎn)運行情況。

3.2 ?IMCU的主要功能和技術要求

目前，傳統(tǒng)的工業(yè)控制現(xiàn)場和工廠整體的調度控制層數(shù)均按照國家標準《GBT20720.1-2006企業(yè)控制系統(tǒng)集成第1部分_模型和術語標準》所規(guī)定的五層結構（如圖4所示），所有0層產(chǎn)生的I/O信號均傳輸?shù)?層再往上層層傳遞。而采用IMCU控制的工業(yè)控制現(xiàn)場和工廠整體的調度控制，將通過無線傳輸和有效的地址尋址功能，可直接接受所有來自1-4層的控制信息，按照需要將0層信息同時發(fā)送到1-4層或者單獨發(fā)送到任意一層（如圖4所示）。

通過以上分析，新一代新型控制設備IMCU的主要功能和指標如下：

一是單點或者幾點的開關量、模擬量和運動控制：通過標準I/O模塊實現(xiàn)開關量、模擬量的運動控制，同時能夠傳輸每個控制點工作的相關統(tǒng)計數(shù)據(jù)和有效的監(jiān)控。

二是數(shù)據(jù)處理：強大的數(shù)學運算功能，并對數(shù)據(jù)進行采樣、分析和處理。

三是監(jiān)控功能：可監(jiān)控各個點運行狀態(tài)和進程，對系統(tǒng)出現(xiàn)的異常進行報警和記錄，甚至自動終止運行。也可在線調整、修改控制程序中的定時、技術等設置值或強制I/O狀態(tài)。

四是人工智能：前期可以進行圖像識別，后期具備邏輯自我判斷功能。

五是通信聯(lián)網(wǎng)功能：IMCU采用5G技術實現(xiàn)中心化或者對等化網(wǎng)絡機構進行的無線傳輸，實現(xiàn)與上位計算機、智能儀表、智能裝置之間的通信。

六是節(jié)點IP化：通過賦予每個節(jié)點的IPV6地址，并通過標識解析系統(tǒng)有效的解析，可以在任何地方有效對設備進行有效尋址。

七是極高的安全性：確保設備能具備極強的抗工業(yè)現(xiàn)場干擾問題。

八是軟件指令：通過現(xiàn)有計算機指令種類和圖像編制能力豐富的特點，達到處理能力和控制能力越強。

與傳統(tǒng)的PLC相比，IMCU技術上具有以下特點：

一是軟硬件體系結構上，傳統(tǒng)的PLC結構封閉、兼容性差，IMCU體系開放、兼容性強，支撐實現(xiàn)網(wǎng)絡及協(xié)議、I/O模板、編程語言及指令系統(tǒng)的通用兼容。

二是多任務執(zhí)行上，目前PLC無法完全滿足需求，IMCU可以實現(xiàn)每個模板執(zhí)行各自的任務，控制與其執(zhí)行任務相關的I/O模板。

三是網(wǎng)絡能力強化上，目前仍有較多的現(xiàn)場設備無法與PLC相連，IMCU實現(xiàn)跨地區(qū)的編程、監(jiān)控、診斷、管理。

四是處理高速化上，許多傳統(tǒng)的PLC沒有通信功能，無法實現(xiàn)高速運行和實時通信功能。IMCU具有通信功能，可借助無源數(shù)據(jù)總線消除系統(tǒng)的瓶頸，提供高性能的分布式實時控制系統(tǒng)的解決方案。

五是軟件集成化上，軟PLC還存在不能滿足硬實時、可靠性還有待加強等問題。IMCU可將可編程序控制器的編程、操作員界面、運動控制、程序調試、故障診斷和處理、通信等集成為一體，有效地集成到ERP系統(tǒng)。

六是安全可靠性上，具有冗余、相異、自檢測的可編程序控制器已經(jīng)出現(xiàn)，但是價格普遍昂貴，無法滿足眾多中小企業(yè)的需求。IMCU依托5G、標識解析等技術，具有極高的安全性。

3.3 ?IMCU的關鍵技術分析和可能面對的挑戰(zhàn)

作為一種完全替代和升級PLC的產(chǎn)品，具有兼容PLC的顯著特點同時超越PLC性能指標的產(chǎn)品，必須充分利用已有的技術并融合現(xiàn)代科技發(fā)展的最新成果。因此在未來發(fā)展的過程中，IMCU涉及的主要技術問題和可能面對的挑戰(zhàn)如下：

（1）核心芯片的研發(fā)

目前5G的標準和技術還沒有完全成熟，市場上5G的芯片只有高通和華為兩款針對eMBB場景的手機芯片。而本項目中最需要的5G兩個應用場景uRLLC和mMTC的標準Rel-16將在2020年才會提交。能同時滿足5G三大或其中兩個應用的場景的芯片還未問世。

（2）標準接口的確定

現(xiàn)有PLC具備比較完善的輸入輸出接口，未來IMCU是兼容現(xiàn)有的PLC豐富的輸入輸出接口功能，還是只具備標準接口，而將接口形成全球統(tǒng)一的標準對所有設備廠商開放，讓所有設備廠商提供的設備具備對IMCU接口，還有待進一步研究確認。

（3）中央控制電腦的軟件開發(fā)

IMCU的主要控制軟件還集中在邊緣服務器和中心服務器上，所以必須借鑒現(xiàn)有PLC編程語言，開發(fā)出一種能充分利用服務器資源，容易上手學習編制的全球統(tǒng)一的標準軟件。由于IMCU直接放置在邊緣服務器和中心服務器上，必須有對其他軟件開放的接口，以便其他軟件提取它所關心的數(shù)據(jù)。

（4）響應速度的保障問題

5G標準的時延極速為1～10 ms，從理論上已經(jīng)完全滿足工業(yè)現(xiàn)場執(zhí)行用戶程序的速度速率要求，但IMCU的傳輸依靠無線，有很大的不確定性，目前只依靠5G基站的切片技術可能還無法滿足。未來，必須通過大量的試驗，模擬不同的場景進行有效測試和檢驗。

（5）抗干擾性

無線信號從1G發(fā)展到4G，但一直沒有在工業(yè)控制現(xiàn)場中得到應用，其無線信號抗干擾性一直沒有得到工業(yè)界的認可。5G提出了傳輸可靠性高于99.999%，但由于IMCU的直接安置在設備端，同時工業(yè)控制現(xiàn)場中有些現(xiàn)場的電磁環(huán)境非常惡劣，所以同響應時間一樣，同樣需要通過大量的試驗。

（6）標識解析中有源IP的注冊和及時更新

每個IMCU均有IP地址可進行尋址控制，同時必然要在我國目前的標識解析系統(tǒng)中進行有效注冊，因此在系統(tǒng)軟件運行過程中，如果每次均需要標識解析系統(tǒng)對地址進行解析，而目前從現(xiàn)有的材料中還無法得知解析時間，因此可能會影響整體的響應時間。

（7）企業(yè)現(xiàn)有軟件的開放程度

IMCU可以讓最底層信號直接接入到企業(yè)管理層和行業(yè)平臺層，打破現(xiàn)有ERP、MIS和平臺對現(xiàn)場數(shù)據(jù)的獲取方式，會得到更加豐富的現(xiàn)場數(shù)據(jù)量和種類，對現(xiàn)有的工業(yè)控制理論體系進行完善和豐富。但這也是對目前現(xiàn)有的企業(yè)信息管理層、軟件廠商是一個巨大的沖擊，需要考慮現(xiàn)有軟件的開放程度。

（8）IMCU系列化的確定

由于工業(yè)現(xiàn)場要求控制的要求多樣化，目前市場上推出的5G芯片功能復雜，還沒有用于物聯(lián)網(wǎng)使用的單一功能的5G芯片。同時，由于目前工業(yè)現(xiàn)場控制中輸入設備有很多是價格便宜的無源產(chǎn)品，考慮到按需所求的原則，同時也為了追求更好的性價比，可以按照需求和價格對IMCU進行產(chǎn)品系列化。

（9）工業(yè)控制的安全性

使用IMCU進行傳輸即將面類兩大安全問題：一是工業(yè)安全，確保工業(yè)制造設備的信息在網(wǎng)絡上無法尋找;二是控制信號在有線網(wǎng)絡中還無法進行有效保證安全，就直接進行無線的傳輸。IMCU的網(wǎng)絡安全可以依托工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)2.0標準中對安全的要求，進一步提升安全的等級。

（10）在蜂窩網(wǎng)絡通信和D2D通信的有效判斷和切換

如何在一個企業(yè)控制系統(tǒng)中讓眾多的MUC單元、邊緣服務器、中心控制服務器、公有云和行業(yè)平臺之間的聯(lián)系和通信在蜂窩網(wǎng)絡通信和D2D通信兩種模式中進行有效判斷和切換，以確保整套控制系統(tǒng)時間響應最快、負載最均衡、控制最合理，目前還沒有一個很好的理論模型和說法。

3.4 ?IMCU技術發(fā)展線路圖

由于IMCU的定型、推廣、批量生產(chǎn)和最后的廣泛應用，需要在工業(yè)控制理論的認識上達到高度一致，同時它又和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)技術、人工智能和5G的發(fā)展息息相關。所以，提出了IMCU技術發(fā)展線路圖（如圖5所示），為IMCU的發(fā)展提供理論基礎和技術支持。同時，IMCU的發(fā)展還需要政產(chǎn)學研用各方共同構建產(chǎn)業(yè)發(fā)展生態(tài)，推動產(chǎn)業(yè)環(huán)境的成熟、為產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供必需的政策支持。

4 ? 結束語

本文對IMCU展開了初步的研究探索，給出了其內涵定義、整體框架、主要功能以及技術路線圖。但是，PLC的發(fā)展已經(jīng)非常成熟，要想研發(fā)出一種替代PLC的方法和產(chǎn)品，是一個漫長的過程。接下來，為了推動IMCU更快的發(fā)展，一方面，要考慮核心芯片的研發(fā)、標準接口的確定、中央控制電腦的軟件開發(fā)、響應速度的保障問題、抗干擾性、標識解析中有源IP的注冊和及時更新、企業(yè)現(xiàn)有軟件的開放程度、IMCU系列化的確定、工業(yè)控制的安全性、在蜂窩網(wǎng)絡通信和D2D通信的有效判斷和切換等技術問題;另一方面，亟需從技術標準、產(chǎn)業(yè)生態(tài)以及政策規(guī)劃等多個維度開展工作，給予IMCU發(fā)展更全方位的支持。

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