微软的工业软件革命为第三方的开发者带来了什么？

作者

彭宇：上海工业自动化仪表研究所，PLCopen中国组织

前段时间动软代码生成器 总结，美国一位资深自动化人士声称PC控制将占PLC市场份额的40%，引起了很多人对PC控制的前世今生的兴趣。为了了解PC控制的来龙去脉以及未来是否还有发展空间，我们首先要回顾一下PC控制的发展历程。

PC控制的发展背景

1981年，IBM推出个人电脑PC，使用的操作系统是微软推出的标准磁盘操作系统（DOS）。PC 是一种通用计算机，其成本远低于当时流行的小型计算机。从硬件上看，PC架构为扩展卡提供了开放的硬件总线，极大地激发了广大开发者的创新和创造力；而从软件的角度来看，操作系统的开放性是各个应用领域发展的关键。人员为应用开发提供了适应各种场景的机会。换言之，PC平台的开放性极大地扩展了可用应用的种类，激发了广大科技人员的创造力，打造了服务各种需求的软件开发生态系统。因此，毫不夸张地说，随着PC的诞生，开启了计算机应用的新革命，也让工业自动化领域受益匪浅。

随着个人电脑和DOS操作系统的日益普及，第三方图形和图像软件应运而生，也出现了一些开发图形显示器的新公司，包括Intellution、Iconics和USDATA。Microsoft Windows 操作系统于 1985 年推出，对工业自动化产生了深远的影响。Dennis Morin 于 1987 年创立 Wonderware，领导开发了 Windows 操作系统环境下的人机界面软件 InTouch。技术和业务系统的开放接口。该软件产品的推出标志着微软工业软件革命的开始，面向离散制造和流程行业控制系统架构的第三方开发商。即使在发展初期，流程工业对此方案并不看好，认为不适合流程工业的要求动软代码生成器 总结，但时间和应用是最好的判断。最终，这一趋势淘汰了原本性价比优异的专用DCS。操作员控制台。

与此同时，1985年出现了PC控制的重要方向。那时的PC控制基本上是用个人电脑来运行控制程序和处理显示程序。有的使用主要用于过程工业的PID控制程序，有的使用PLC控制逻辑程序和顺序控制程序；而 I/O 使用插件控制程序。PC 总线上的扩展板可以是数字输入/输出或模拟输入/输出。无论是DOS还是Windows操作系统，由于不能满足实时控制和时间确定性控制的要求，真正实用的PC控制也必须改造操作系统，或者使用专门的实时操作系统，如Windows CE 嵌入式操作系统。共同平台。此外，

显然，此类系统的优缺点同样明显。优点是随着PC成本越来越低，使用PC控制的成本也会降低；控制和过程显示集中在一台PC上，不像PLC，如果要配备过程显示，必须使用另一台PC。做过程显示，或专门的HMI设备。缺点是PC不能在恶劣的工业环境中使用，其电磁兼容性和环境适应性远不能满足工业应用的要求。如果换成工业PC（IPC），其成本优势将不复存在；此外，它的实时性和时间确定性，如果没有好的解决方案，将大大限制其应用范围。

这里有一个小插曲。在 PC 诞生之前，PC 的简称就是 Programmable Controller。然而，PC诞生后，由于其多功能性覆盖了包括科技、工业、商业、交通，甚至教育、文化、办公管理等各个领域，其影响力和实力迫使可编程控制器改名。 . PLC可编程逻辑控制器，将PC这个响亮的名字交给了个人电脑。这发生在 1980 年代中期。

PC控制发展历程回顾

最早的基于 PC 的控制系统之一是 Ron Lavallee 在 1980 年代中期开发的 FloPro 产品。它以流程图为基础，构成了一种描述和表达流程的决策方法。然而，他的第一个项目是使用惠普的 HP-85 生成的代码将流程图符号转换为梯形逻辑的后处理器。他向 Gould Modicon 公司展示了他的开发成果，该公司曾提出购买该技术，但不知为何放弃了该技术。FloPro 搬到 IBM 的 PC 上，再加上一张通讯卡连接 Allen-Bradley 远程 I/O 系统，FloPro 进入通用汽车开发，一个新的范式诞生了。

Mike Klein 创办了一家名为 Steeplechase（越野赛车）的流程图公司，并在计算机控制方面取得了早期的成功。它基于Windows，其提供的流程图编程软件界面远优于FloPro，获得了广泛好评。2000年以前，公司出版了PC控制技术专着给作者。

障碍赛还与公司结成联盟，实际上催生了更多推广流程图编程软件应用的公司，例如 Think&Do。Think&Do的销售经理是上海人，毕业于上海工业大学。他在 2000 年后在中国（主要是上海和北京）举办了数年的研讨会，还访问了一些研究机构、企业和大学，希望能够为流程图编程语言开辟道路。记得有的单位用Think&Do提供的流程图软件做一些项目，比如北京邮电部的邮件分拣装置。作者与销售经理讨论了这种编程语言的未来，并直言很难推广，因为IEC61131-3这个国际标准在当时已经得到了国际工业界的稳步认可，而且这个标准中的标准。顺序功能图（SFC）可以完全替代FloPro等流程图编程语言。实际开发证明了笔者的判断，现在SFC已经成为PLC控制软件的固件。它现在被广泛用作可以在硬件中实现的基于状态的控制软件系统。之后，Steeplechase 和 Think & Do 合并成立了 Entivity，后来被 Phoenix USA 收购，但总体来说并不是很成功。实际开发证明了笔者的判断，现在SFC已经成为PLC控制软件的固件。它现在被广泛用作可以在硬件中实现的基于状态的控制软件系统。之后，Steeplechase 和 Think & Do 合并成立了 Entivity，后来被 Phoenix USA 收购，但总体来说并不是很成功。实际开发证明了笔者的判断，现在SFC已经成为PLC控制软件的固件。它现在被广泛用作可以在硬件中实现的基于状态的控制软件系统。之后，Steeplechase 和 Think & Do 合并成立了 Entivity，后来被 Phoenix USA 收购，但总体来说并不是很成功。

另一家因 FloPro 而成立的公司是 FlexI SProcess Control。它引入了一个后处理程序，该程序采用 SFC 编程控制算法并将其转换为 Allen-Bradley (AB) PLC-5 子程序的梯形逻辑。它真的很流畅而且做得很好，但是当涉及到图形语言时，业界有一些阻力，因为开发人员没有按照他们需要的方式思考。他们的头脑已经为梯形逻辑的开发做好了准备，而且大多数开发都是一次完成的。

事实上，科技界并不排斥一种新颖的想法和一种新的方法来创建控制过程程序，但创作者必须有一定的资源，需要长期的维护、升级和技术支持。例如，FloPro 在加拿大温莎的一个项目中遭遇挫折，当时系统集成商抨击该软件的可视化效果不佳和缺乏故障排除工具。在多伦多的耐克配送中心有一个系统仍在运行障碍赛的流程图软件。问题是，如果系统出现问题，将很难找到任何资源来提供帮助。简而言之，流程图编程语言及其平台之所以没有取得预期的成功，问题在于从事这个方向开发和推广的公司没有得到足够的资源支持，市场推广也不足以支持他们。长期坚持和发展。. 但从图1所示的应用程序编程示例中，可以发现它仍然具有明显的优势：逻辑清晰、易于理解，甚至可以用自然语言表达等等。

图 1 以流程图编程语言编写的程序示例

障碍赛的流程图编程已经死了吗？不是这样，至少在美国有很多它的粉丝。OPTO22等控制器一直沿用此编程工具，其近年推出的边缘可编程工业控制器EPIC Groove仍提供流程图编程工具。菲尼克斯2008年开发的面向中小型应用的PLC（型号ILC150 VLC系列）是一款紧凑、低成本的嵌入式平台。从其搭载的工业以太网EtherNet/IP来看，这是针对美国市场的目标。产品。本PLC采用Steeplechase的流程图编程软件（图形逻辑控制软件VisualLogic Controller），版本为VLC7.2。Phoenix 还有一条产品线 S-MAXVLC，它也使用这种编程工具。

图2 德国凤凰城ILC150 VLC系列PLC

在美国还有一种所谓的低图形编程（low diagram programming），流程图编程也属于这一类。另外，在国内比较熟悉的NI LabView平台，提供了一个包含各种基本功能块的库，供用户进行功能块图形编程，也属于低图形编程的范畴。

事实上，1985年以后，国内很多单位也开始探索使用PC开发控制系统。作者参与了上海工业自动化仪表研究所的造纸控制系统开发项目，使用长城0520C（Intel8086，带8087协处理器进行浮点运算），除了人机界面，I/O，还有论文基础重量和水分除了通过测量装置的通讯进行数据采集外，还承担造纸过程控制模型的计算。由于计算能力有限，为保证矩阵运算量大的控制模型能在1秒内完成计算，程序采用汇编语言编写。该系统在北京一号长网造纸机投入运行。

1990年代中后期，中国工控市场出现了适用于中小型DCS系统的基于PC的产品。因为它们的成本远低于正规厂家的DCS，所以也获得了一定的市场份额。但后来中控、和利时、友文等国内正规DCS厂商不断壮大，产品质量和规模不断提升，价格下跌，此类PC型DCS逐渐退出市场。但国内很少使用PC开发软PLC控制，除非使用国外相关软件。也许是因为这种基于 IEC61131-3 的软件的开发需要相当坚实的基础。

PC控制的PLC化开辟了工控应用的新领域

IEC61131-3发布至今已近30年，已成为国际工控界广泛接受的控制软件平台的基础标准。在PC控制的发源地美国，似乎很少有像德国Beckhoff、奥地利B&R这样具有国际规模和影响力的PC硬件平台运行符合IEC-61131标准的控制软件。它似乎继承了基于PC的控制的原始概念和原始优点和好处。当然，像美国的OPTO22，由PC和PLC控制，或者曾经以可编程自动控制器PAC的形式出现，也有非常好的产品。在产品定位方面，这些基于PLC的PC控制产品大多属于中高端品类，吸收了PLC产品的高可靠性、高环境适应性、高电磁兼容性等优点，可直接用于恶劣的工业环境；模块化机械结构继承了PLC灵活配置的特点；其I/O模块的多样性可以充分满足各种工业现场的要求。从用户的角度来看，它们都具备PLC应有的性能。更吸引用户的是其CPU的处理能力超过普通PLC，所配备的综合工程开发软件平台（如贝加莱的Automation Studio、倍福的TwinCAT3）普通PLC）开发平台，

以上基于PLC的PC控制主要采用X86架构。还有一种新型的PLC也可以归入同一类别。典型代表是德国凤凰城的PLCnext和德国Lenz的新型PLC。它们的共同特点是既有实时控制PLC也有非实时系统，可以在一个系统中直接链接IT（包括云、IIoT、数据中心等），为OT的集成提供了解决方案和它。. PLCnext通过建立开放的实时操作系统、开放的编程环境、开放的通信接口和开放的用户界面四大开放平台，将传统稳定的PLC与现代软件工程的灵活性和开放性相结合。满足智能制造的日常需求。

PLCnext 技术是一个开放的固件平台，它实现了 Linux 操作系统（带有 OSADL 实时补丁）。固件形式的各种组件构建了它们的核心功能，包括系统组件、服务组件、I/O 组件和中间件。中间件将 PLCnext 固件平台与操作系统隔离开来。为用户提供使用公共类集合调用系统功能（如文件操作、套接字服务或线程服务）的可能性。中间件中包含的全局数据空间GDS是PLCnext技术中的一个特殊组件，通过所谓的“数据端口”保证各个组件实时数据交换的一致性。

图 3 PLCnext 集成实时控制和非实时处理的系统架构

近年来工业自动化市场出现的新品种引起了广泛关注。这是一款应用在工业边缘，可以安全接入工业互联网的可编程工业控制器。例如美国霍尼韦尔的ControlEdge PLC，OPTO 22的groov EPIC，日本三菱电机的MELIPC MI5000、MI3000、MI2000、MI1000和台湾研华的WISE-5000等。这种新的解决方案可以同时满足自动化和 IIoT 的要求。这种集设备边缘、路由器边缘和计算边缘于一体的多功能、计算能力强、通信灵活的新型控制器，可以直接访问各种I/O，进行PLC控制、数据采集和处理等。

这些新架构、新品种的PLC无疑应该属于基于PLC的PC控制。之所以说基于PC的控制技术的潜力远未达到它所能达到的水平，显然是在告诉工业自动化行业，随着智能制造的发展，基于PLC的PC控制将占据更多的PLC市场份额，工业互联网。.

图 4 OPTO 22 的边缘可编程工业控制器解决方案

结语

在过去的几十年中，控制软件发生了许多变化，但有趣的是，大多数制造过程仍然在 PLC 中控制，主要使用梯形编程逻辑。支持这一说法的事实是，在过去的 10 年中，几乎所有关于编程语言的调查结果都以 Ladder Logic 为主导，当然 SFC 作为流程图编程的替代品，SFC 已经超过 FBD，ST 排名第二。

问题是 PLC 仍然是主流，但基于 PC 的控制技术的潜力远未达到它的可能。PC控制经过PLC化，成为PLC家族的重要成员。PC控制正在进一步发展，不断挖掘其在综合软件平台方面的优势，创造出更适合市场需求和用户要求的新功能。，新模式，新结构，让PC控制在中高端占据PLC市场40%的份额，相信是可以实现的。