編者按:

什么是實(shí)現(xiàn)智能制造的內(nèi)因？IT-OT如何融合？自動(dòng)化這幾十年發(fā)生了哪

些變化？智能制造時(shí)代下PLC需要如何自身變革？PLC為何要嵌入AI?請(qǐng)看杜博

士的長(zhǎng)文。

雞蛋在合適的溫度上可以轉(zhuǎn)化為雞子，而最適當(dāng)?shù)臏囟纫膊荒軐⑹^轉(zhuǎn)化為

雞子。這說(shuō)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(guò)內(nèi)因

起作用。

當(dāng)前我們?cè)谟懻撝袊?guó)的智能制造實(shí)現(xiàn)之路時(shí)，同樣也要考慮從自動(dòng)化制造轉(zhuǎn)

變?yōu)橹悄苤圃鞎r(shí)，什么是實(shí)現(xiàn)智能制造的“雞蛋”（內(nèi)因）。什么是實(shí)現(xiàn)智能制

造的“溫度”（外因）。如果我們一味地強(qiáng)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(shí)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。

智能制造是互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的產(chǎn)物，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)入制造領(lǐng)域，使得自動(dòng)化制造

升級(jí)為智能制造成為可能

當(dāng)前，我們已進(jìn)入了互朕網(wǎng)時(shí)代，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以不可阻擋的潮流進(jìn)入各行各

業(yè)，給各行各業(yè)的變革帶來(lái)強(qiáng)大的動(dòng)力，同時(shí)也對(duì)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(shí)代的產(chǎn)物：智能制造的概念誕生了。智能制造的目標(biāo)就是對(duì)目

前的生產(chǎn)制造模式進(jìn)行轉(zhuǎn)型升級(jí)，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(guò)程。它即考慮了產(chǎn)品的質(zhì)量、成本，同時(shí)又考慮了企業(yè)內(nèi)部的運(yùn)行模

式、企業(yè)的應(yīng)變能力以及企業(yè)在市場(chǎng)和客戶中的定位等，無(wú)論是研發(fā)與設(shè)計(jì)、生

產(chǎn)與制造，還是營(yíng)銷與服務(wù)都以滿足消費(fèi)者需求作為出發(fā)點(diǎn)和歸宿點(diǎn)，推行用戶

體驗(yàn)式的設(shè)計(jì)，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(shí)現(xiàn)了數(shù)字一體化的生產(chǎn)模式，產(chǎn)品的數(shù)學(xué)化，制造的數(shù)學(xué)化

和管理的數(shù)字化保證了人，機(jī)和產(chǎn)品之間的無(wú)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(jìn)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)的智能化的恃點(diǎn)。

3.智能制造生產(chǎn)制造模式的內(nèi)容也有了新的含義。

金字自動(dòng)化制造的金字塔智能制造的金字塔PLC系統(tǒng)

塔結(jié)構(gòu)PLC系統(tǒng)

管理對(duì)控制數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示產(chǎn)品生命周期的分析管理卻總結(jié)

層

控制對(duì)控制數(shù)據(jù)進(jìn)行處理對(duì)研發(fā)端，制造端和服務(wù)端數(shù)據(jù)處

層理

現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行控制數(shù)據(jù)的采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集具有可觀，可測(cè)，

層可控和可通訊性

層■■■■■■■■I

控制層研發(fā)■,??■,'■九■

現(xiàn)場(chǎng)屋可校,?〕■,川，瓜

顯而易見(jiàn)，目前的工業(yè)自動(dòng)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(dāng)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(jìn)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(dòng)化技術(shù)發(fā)展的歷史：

1.上世紀(jì)80年代，當(dāng)RS232的串聯(lián)通信技術(shù)廣泛地運(yùn)用在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的時(shí)

候，自動(dòng)化領(lǐng)域的工程師們馬上對(duì)這種技術(shù)進(jìn)行了分析，消化和變革，針對(duì)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(chǎng)總線傳輸通信(物理層)的標(biāo)準(zhǔn)，并且創(chuàng)造性地木

ISO/OSI七層協(xié)議通信進(jìn)行了簡(jiǎn)化(物理層，數(shù)據(jù)層直接到應(yīng)用層)，在拓?fù)浣Y(jié)

構(gòu)上乂對(duì)串行通信協(xié)議的信息內(nèi)容和使用格式進(jìn)嚀了擴(kuò)展，產(chǎn)生了環(huán)形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

(Interbus)和線性網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?Profibus)結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場(chǎng)總線自動(dòng)化通信技術(shù),成

功地將當(dāng)時(shí)串行通信技術(shù)運(yùn)用于工業(yè)控制領(lǐng)域。成為自動(dòng)化融合通信技術(shù)的一個(gè)

典范。

2.上世紀(jì)90年代，PC技術(shù)風(fēng)起云涌，自動(dòng)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(yùn)用到自動(dòng)控制系統(tǒng)中去。特

物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新興技術(shù)，實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)匯聚與建模分析、工業(yè)經(jīng)

驗(yàn)知識(shí)軟件化與模塊化、工業(yè)創(chuàng)新應(yīng)用開(kāi)發(fā)與運(yùn)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(cè)維護(hù)、機(jī)器學(xué)習(xí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)在各個(gè)領(lǐng)域得

到了應(yīng)用。這樣一來(lái)，似乎實(shí)現(xiàn)智能制造的條件已經(jīng)成熟。

但是我本人認(rèn)為，采用目前的這種方法并沒(méi)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)天成功的例子所說(shuō)的那樣：“工

業(yè)互聯(lián)網(wǎng)則是數(shù)字化轉(zhuǎn)型的實(shí)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(wú)法做到控制…“由于GE的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)沒(méi)有與控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)有機(jī)的結(jié)

合，使得Predix沒(méi)有在工業(yè)界得到廣泛的使用。

要真正做到IT融合0T,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(dǎo)向的大規(guī)模化制應(yīng)用模式的互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的作用，打通產(chǎn)

業(yè)鏈上下游，優(yōu)化資源配置，實(shí)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(guò)去一樣處理控制數(shù)據(jù)（即實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)），

同時(shí)對(duì)于大量的生產(chǎn)管理，產(chǎn)品研發(fā)數(shù)據(jù)（非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)）也有處理能力。

但是可惜的目前大量互朕網(wǎng)企業(yè)達(dá)成的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)都不能對(duì)控制的實(shí)

時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和交流，他們做了大量分析，但是對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)的控制的作用微乎其

微。

所以到目前為此所謂的“IT融合0T”實(shí)質(zhì)上僅僅是“IT湊合（XTo

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(xué)模

型的建立和數(shù)據(jù)庫(kù)的管理。這些功能無(wú)疑對(duì)于生產(chǎn)制造模式從自動(dòng)化到智能化的

轉(zhuǎn)變起了一個(gè)很大的作用，但是僅是“外因”即提供了一個(gè)“合適的溫度”。

■自動(dòng)化控制技術(shù)是實(shí)現(xiàn)智能制造的根本，它是事物發(fā)展變化的內(nèi)因

實(shí)現(xiàn)智能制造生產(chǎn)模式的目標(biāo)就是對(duì)目前的生產(chǎn)制造模式進(jìn)行轉(zhuǎn)型升級(jí)，解

決目前采用自動(dòng)化制造生產(chǎn)模式不能解決的問(wèn)題，即：在互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代產(chǎn)品生命周

期不斷縮短的問(wèn)題、產(chǎn)品更新?lián)Q代的快速響應(yīng)要求的問(wèn)題、多品種小批量性生產(chǎn)

的問(wèn)題、產(chǎn)品生命周期周期考慮下的成本問(wèn)題、企業(yè)ROI的周期問(wèn)題、企業(yè)互聯(lián)

網(wǎng)時(shí)代的盈利模式問(wèn)題以及帶來(lái)的能源使用效率、節(jié)能減排等等問(wèn)題。

顯而易見(jiàn)，這些問(wèn)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(yuǎn)遠(yuǎn)不

夠的。

一句話，現(xiàn)在PLC控制系統(tǒng)不僅僅要對(duì)生產(chǎn)制造的實(shí)時(shí)性的控制數(shù)據(jù)進(jìn)行處

理和分析，而且要對(duì)大量的具有分析，歸納，總結(jié)的非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)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(jìn)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(shí)

現(xiàn)智能制造的目標(biāo)。

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(rèn)為PLC自動(dòng)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(jìn)行兩方面的改革：

重塑PLC框架結(jié)陶，新型PLC控制系統(tǒng)不僅能處理實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，同時(shí)也能處

理非實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，同時(shí)也能處理

非實(shí)時(shí)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(chǎng)層采集的信息一定要有可控、

可觀、可測(cè)、可通訊的功能。在這種情況下，智能制造對(duì)自動(dòng)化系統(tǒng)提出了新的

要求。PLC控制系統(tǒng)目前的最大問(wèn)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。這個(gè)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(jìn)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(dāng)前的PLC控制系統(tǒng)必須進(jìn)行變革，才能滿足自動(dòng)化

系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程和控制相關(guān)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理及管理，服務(wù)等非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的分析、存

儲(chǔ)、歸納等要求。

但是實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的性質(zhì)是完全不同的，見(jiàn)表一所示，由于非實(shí)時(shí)

數(shù)據(jù)與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)在數(shù)量上，時(shí)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(jì)中僅對(duì)實(shí)時(shí)的控制數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。而沒(méi)有考慮處理

管理，研發(fā)，服務(wù)等的非實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)的問(wèn)題。

實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)非實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)性要求嚴(yán)格無(wú)實(shí)時(shí)性的要求

周期性進(jìn)行傳輸無(wú)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(duì)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(lái)的功能，同時(shí)乂能滿足處理部分的非實(shí)時(shí)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(jìn)行運(yùn)算和分析。這樣就形成

一個(gè)全新的PLC控制系統(tǒng)。

菲尼克斯公司開(kāi)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(jìn)行設(shè)計(jì)的，其簡(jiǎn)化的描述可以用下圖表示:

新型PLC的系統(tǒng)架構(gòu).從制造數(shù)據(jù)到管理數(shù)據(jù)的處理

在德國(guó)推進(jìn)工業(yè)4.0的初期，菲尼克斯就針對(duì)智能制造對(duì)于新一代的PLC控制器

提出的要求，開(kāi)始開(kāi)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(shí)代的PLC控制系統(tǒng)。它的特點(diǎn)是既保留了傳統(tǒng)PLC編程的

優(yōu)勢(shì)，同時(shí)通過(guò)擴(kuò)大了編程語(yǔ)言、工具及開(kāi)源功能集成的自由度的能力，實(shí)現(xiàn)處

理實(shí)時(shí)性數(shù)據(jù)的功能的同時(shí).，又能處理非實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的PLC控制系統(tǒng)平臺(tái)。其結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)是采用了以下六大開(kāi)放性的技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的：

1.采用Linux的開(kāi)放式實(shí)時(shí)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?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)

(GlobalDataSpace)管理的內(nèi)部用戶組件和外部用戶組件

技術(shù)

4.開(kāi)放性的軟件編程語(yǔ)言

5.開(kāi)放性的功能塊開(kāi)發(fā)平臺(tái)(PLCnextAPP)

6.開(kāi)放性的各種通信接口平臺(tái)

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(gè)PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中去。

那么什么叫人工智能呢？清華大學(xué)孫富春教授曾經(jīng)做了這樣的描述：人工智

能的最終目標(biāo)就是探討智能形成的基本機(jī)理，研究利用自動(dòng)機(jī)模擬人的思維過(guò)程。

而近期的目標(biāo)如何用計(jì)算機(jī)去做那些靠人的智力才能做的工作，一個(gè)是模擬人的

思維過(guò)程，一個(gè)是模擬人的能力。從而可以認(rèn)為人工智能就是按照人的功能進(jìn)行

開(kāi)發(fā)研究的一種技術(shù)。反過(guò)來(lái)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。

人的功能人工智能的功能

眼睛視覺(jué)和圖像識(shí)別

學(xué)習(xí)功能機(jī)器學(xué)習(xí)-深度學(xué)習(xí)

大腦分析功能預(yù)測(cè)和大數(shù)據(jù)分析

人的手腳功能機(jī)器人的深度化應(yīng)用

耳朵和嘴聲控和語(yǔ)言系統(tǒng)

組織功能最佳策劃

那么工智能如何用到自動(dòng)化上去呢？如何與PLC自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)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(rèn)知、明知：

感知就是視覺(jué)和圖像識(shí)別、機(jī)器人的深度化應(yīng)用、聲控和自然語(yǔ)言系統(tǒng)；

認(rèn)知就是機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)，一直到神經(jīng)學(xué)習(xí)；

明知就是預(yù)測(cè)，專家系統(tǒng)和最佳策劃功能。

感知（感覺(jué)）認(rèn)知（學(xué)習(xí)）明知（總結(jié)）

根覺(jué)和圖像識(shí)別修凋和大依據(jù)分析

機(jī)器人的深度化應(yīng)用機(jī)看學(xué)習(xí)-深度學(xué)習(xí)

,神經(jīng)學(xué)習(xí)

聲控和白腐語(yǔ)音系坡

我為什么要把人工智能分成三類呢？這恰恰符合了自動(dòng)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。

管理層增加了人工W能的明知部分

工

通

業(yè)

信

控制層增加了人工鬻能的認(rèn)知部分大

通

ZZlBBA數(shù)

道

據(jù)

理場(chǎng)后增加了人工智能的感即部分

我們?cè)赑LCncxt控制器中非實(shí)時(shí)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(duì)一些生產(chǎn)，研發(fā)服務(wù)等管理數(shù)據(jù)進(jìn)行分析歸納總結(jié),

實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)，專家系統(tǒng)和最佳策劃的功能。

而在PLCnext的邏輯運(yùn)算部分增加了人工智能的認(rèn)知部分，使得控制器的運(yùn)

算部分的增加了機(jī)器學(xué)習(xí)的功能，通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)的辨識(shí)，建模和決策的功能使得

PLCnext控制器不僅能夠按照已知對(duì)象的調(diào)節(jié)規(guī)律進(jìn)行控制，同時(shí)也可以對(duì)未知

的對(duì)象通過(guò)自學(xué)習(xí)的方法進(jìn)行自適應(yīng)控制。使得控制器有了人工智能的