支撐智能制造的PLCopen規范和技術

彭 瑜

(上海工業自動化儀表研究院1，上海 200233；PLCopen中國組織2,北京 100011)

支撐智能制造的PLCopen規范和技術

彭 瑜1,2

(上海工業自動化儀表研究院1，上海 200233；PLCopen中國組織2,北京 100011)

PLCopen長期致力于提高工業控制軟件的效率，在構建結構化、模塊化的軟件架構的基礎上，促使運動控制、橫向通信和縱向通信、功能安全、不同軟件的數據交換等諸多方面趨向標準化、規范化和高效率。因此可以得出以下結論：PLCopen在軟件規范方面的工作完全能夠滿足智能制造環境下對工業控制軟件的要求，使未來所要求的技術現在就可以使用。

智能制造 工業4.0 IEC 61131-3 運動控制 功能安全 IEC 61131-3的OPC UA信息模型 IEC 61131-3的XML格式

OPC UA information model for IEC 61131-3 XML formats for IEC 61131-3

0 引言

成立于1992年的非盈利國際組織PLCopen，在構筑工控編程環境的開放性的同時，還孜孜不倦地為提高工業自動化的工作效率進行最基礎性的規范工作。其最主要的成果之一就是構筑工控編程軟件包的開發環境；同時，在這些編程系統的基礎上為進一步發展統一工程平臺做了許多基礎性的開創工作。其中與智能制造緊密相關的主要有：運動控制規范、機械安全規范、IEC 61131-3 的XML格式規范和IEC 61131-3的OPC信息模型。

1 工業4.0和智能制造對PLC系統的要求

德國政府制定和大力推行工業4.0，強調其特征是工業自動化和信息通信技術的緊密結合，并建立在物理信息系統(CPS)的基礎之上。這為智慧工廠的實現指明了一條清晰的途徑。德國專家還特別指出，發起于1970年的第三次工業革命(工業3.0)，其特征是以數控系統、可編程控制器PLC為典型的制造自動化。這將PLC提到了過去從未有過的高度。因此，未來PLC在功能和技術上的發展顯然必須結合工業4.0進行討論。

PLC的角色定位永遠是設備和自動化生產線的控制器，因此在未來實現智能制造和智慧工廠的過程中，PLC仍然處于基礎自動化的層次。不過，由于它將控制的是具有感知、決策和執行功能的智能制造設備，因此未來PLC應該具備與品種更廣泛的感知設備和執行設備的接口，具備執行更強大的智能算法和更復雜邏輯控制的能力，還應該具備更高效運行的通信能力。未來PLC作為直接與生產過程打交道的控制器，還負責將最基本的生產信息上傳給上位管理系統，并接收上位管理系統發來的指令和數據。簡而言之，PLC作為智能制造裝備的控制器，將在智慧工廠所要求的硬件橫向集成和信息縱向集成中發揮關鍵節點的作用。

概括來說，PLC要承擔工業4.0和智能制造賦予的任務，首先應該滿足以下要求。

① 越來越多的傳感器被用來監控環境、設備的健康狀態和生產過程的各類參數，這些工業大數據的有效采集，迫使PLC安裝在機架上的集中式I/O，必須轉型為分布式I/O。

② 各類智能部件普遍采用嵌入式PLC，或者微小型PLC，盡可能在現場完成越來越復雜的控制任務。

③ 極大提高編程、調試和維護的效率，即實現編程等工程任務的自動化和智能化。

④ 無縫連通能力大幅提升，相關的控制參數和設備的狀態可直接傳輸至上位的各個系統和應用軟件，甚至送往云端。

PLC的硬件技術一直在為滿足工業4.0和智能制造日益清晰的要求積累經驗。特別是微電子技術的飛躍進展，使得SoC芯片在主鐘頻率越來越高的同時功耗卻顯著減小；多核的SoC的發展，在促進了PLC邏輯和順序控制處理的同時，可以進行高速的運動控制處理、視覺算法的處理等等；而通信技術的進展使得分布式I/O運用越來越多,泛在的I/O運用也有了起步。

為迎接工業4.0的挑戰，PLC硬件設計應該從以下方面著手：極大改善能耗和減小空間(PCB板85%的空間被模擬芯片和離散元器件所占，需要采取將離散元器件的功能集中于單個芯片中，采用新型的流線模擬電路等措施)；增加I/O模塊的密度；進行良好的散熱設計，降低熱耗散；突破信息安全的瓶頸(如何防范黑客攻擊、惡意軟件和病毒)。

事實上，PLC的軟件技術以PLCopen為先導，一直在為滿足工業4.0和智能制造日益清晰的要求做足了準備。PLCopen國際組織長期以來執著地為提高自動化效率所做的卓有成效的工作，使得明天的技術在今天就可以擁有。

2 IEC 61131-3推動了PLC軟件的巨大進步

IEC 61131-3推動PLC在軟件方面的進步，體現在以下幾個方面。

① 編程的標準化，促進了工控編程從語言到工具性平臺的開放；同時為工控程序在不同硬件平臺間的移植創造了前提條件。

② 為控制系統創立統一的工程應用軟件環境打下堅實基礎。從應用工程程序設計的管理，到提供邏輯和順序控制、過程控制、批量控制、運動控制、傳動、人機界面等統一的設計平臺，以至于調試、投運和投產后的維護等，統統納入統一的工程平臺。

③ 應用程序的自動生成工具和仿真工具。

④ 為適應工業4.0和智能制造的軟件需求，IEC 61131-3的第3版將面向對象的編程(OPP)納入標準。

之前已開發了許多為PLC控制系統工程設計、編程和運行，以及管理的工具性軟件。其中包括控制電路設計軟件包、接線設計軟件、PLC編程軟件包、人機界面和SCADA軟件包、程序調試仿真軟件以及自動化維護軟件等。盡管這些軟件都是為具體的工程服務的，但是，即使在對同一對象進行控制設計和監控，它們都互不關聯。不同的控制需求(如邏輯和順序控制、運動控制、過程控制等)要用不同的開發軟件；在不同的工作階段(如編程組態、仿真調試、維護管理等)又要用不同的軟件。往往在使用不同的軟件時必需自行定義標簽變量(tags)，而定義變量的規則又往往存在較大的隨意性，導致對同一物理對象的相同控制變量不能做到統一的、一致的命名。缺乏公用的數據庫和統一的變量命名規則，造成在使用不同軟件時不得不進行繁瑣的變量轉換，重復勞動導致人力資源成本高、效率低下。

為了克服上述問題，PLCopen構筑工控編程軟件包的開發環境；還在此基礎上進一步發展為統一工程平臺。開展了編程系統符合IEC標準的認證工作；制定了運動控制功能庫，在IEC的開發環境里加入了運動控制技術， 將PLC和運動控制的功能組合在控制軟件的編制中；為實現IEC 61131-3編程與其他環節間的數據交換，規范了XML格式作為數據交換的接口；定義了在IEC 61131-3的開發環境下涉及安全的規范；公布了《PLC性能的基準測試方法》，通過所定義的測試概要，以一種客觀的方式，為尋求不同PLC平臺的真實性能提供了標準化的方法。

長期以來，PLCopen國際組織還注重與許多國際標準化組織和基金會(譬如ISA、OPC基金會等)合作(如圖1所示)，開發了基礎性的規范，以建立一種開放標準的生態系統。

圖1 PLCopen與ISA、OPC基金會合作開發智能制造基礎標準Fig.1 The base standards developed cooperativelyby PLCopen, ISA and OPC foundation for intelligent manufacturing

這些工作都為智能制造和工業4.0的應用和發展做了先導性的探索和準備，從而打下了堅實的基礎。譬如與OPC基金會合作開發的IEC 61131-3的信息模型(2010.5發布)、IEC 61131-3 的OPC UA Client FB客戶端功能塊(2015年3月發布)、IEC 61131-3的OPC UA Server FB服務端功能塊(2015年3月發布)。這些規范經美國ISA屬下的OMAC的二次開發，已經成功應用于專為包裝行業系列標準PackML中，大大簡化了包裝機械與上位生產管理系統的通信。

這些標準提升了如今廣泛運用于計算技術行業的SOA面向服務的架構的應用范圍；同時也推進了一度落后于計算技術和軟件的自動化系統技術快速跟上IT技術的進展。

PLCopen的運動控制規范開啟了運動控制智能化的道路。

2.1 運動控制是智能機械控制的重要基礎

機械裝備的制造加工功能一般是通過其相關的部件的運動來實現，盡管制造加工的原理常常有很大的差異(如冷加工的金屬切削、熱加工的焊接、鍛造……)，但是都離不開機械部件的運動。從這個意義上說，運動是機械裝備的本質特征。盡管不同的工藝對運動控制的關注點有很大差異，但運動控制都是通過驅動部件(諸如液壓泵、直線驅動器，或電動機，通常是伺服電機)對機械設備或其部件的位置、速度、加速度和加速度變化率(躍度)進行控制。

由此可見，運動控制系統是確保數控機床、機器人及各種先進裝備(如包裝機械、印刷機械、紡織機械、裝配線、半導體生產設備)高效運行的關鍵環節。而運動控制技術是裝備領域和制造行業的核心技術。

2.2 PLCopen開發運動控制規范的目的和意義

在用戶的推動下，PLCopen早在1996年建立了運動控制規范工作組，目的是在IEC 61131-3為基礎的編程環境下，在開發、安裝和維護運動控制軟件等各個階段，協調不同的編程開發平臺都能滿足運動控制功能塊的標準化要求。開發運動控制標準化的技術路線是，在IEC 61131-3統一的編程架構下，建立標準的運動控制應用功能塊庫，從而讓運動控制軟件的開發平臺獨立于運動控制的硬件，讓運動控制的軟件具有良好的可復用性。特別是該規范的第四部分，創造性地規范了多軸協調運動控制的理論基礎和功能性，并詳盡規定了各種相關的功能塊。經過多年的努力，現在已經有了很好的實現，既有集合機器人、數控機床(CNC)和通用運動控制的工程軟件平臺，也有硬軟件一體化的PLC系列產品，還有許多實際應用運動控制規范的智能裝備。

PLCopen為運動控制提供功能塊庫，其最顯著的特點是：極大增強了運動控制應用軟件的可復用性，從而減少了開發、培訓和技術支持的成本;只要采用不同的控制解決方案，就可按照實際要求實現運動控制應用的可擴可縮;功能塊庫的方式保證了數據的封裝和隱藏，進而使之能適應不同的控制系統架構，譬如集中的運動控制架構、分布式的運動控制架構，或者既有集中又有分散的集成運動控制架構;它不但服務于當前的運動控制技術，而且也能適應正在開發的或今后的運動控制技術。由此可見，IEC 61131-3與PLCopen的運動控制規范的緊密結合提供了理想的機電一體化的解決方案。

2.3 PLCopen的運動控制規范

PLCopen國際組織專門制定了運用于智能制造的運動控制規范，現已成為國際公認的事實上的運動控制規范，如表1所示。

表1 PLCopen運動控制規范

基本上，每個規范都包含了3個內容：定義狀態機、定義單軸和多軸運動控制的功能塊的基本集合、規定符合規則和語句。

2.4 運動控制規范的核心技術及其詮釋

從技術上講，可按其協調控制的結構把運動控制劃分為兩類：①主軸/從軸運動控制，即主軸的定位生成一個或多個從軸的定位命令；②多維的運動控制協調結構，其中沒有主軸從軸之分，由多個軸構成的集合，稱之為軸組。只有這樣才可能進行更好的軌跡和路徑規劃，解決CNC、機器人等的復雜運動控制問題。

PLCopen運動控制規范針對形式各異的運動控制形態進行抽象，分別制定單軸和軸組的狀態圖，并闡明了它們之間的關系，如圖2和圖3所示。此外，還制定了一系列的基本功能塊，便于按運動控制的要求在各個狀態之間轉移。通過定義一組具有相關協調運動的功能性的功能塊，以及定義一個高層級的狀態圖來鏈接該軸組內的多個單軸的狀態圖，實現多維運動控制的協調控制。圖4給出在主/從結構下單軸和軸組的協調運動控制。

運動控制最重要的是控制運動的軌跡，而軌跡控制的本質在于協調兩個或多個軸的運動，以指定的速度從某個起點沿著所規定的路徑到達某個目標點。所謂路徑可以是直線運動、圓周運動，或者是仿形運動。在3維空間中要規定一種路徑(或者任意位置信息)需要一種坐標系。在PLCopen運動控制規范的第四部分，將坐標系定義為：與軸相關的坐標系(ACS)、與機械相關的坐標系(MCS)、與產品或工件相關的坐標系(PCS)。

為了解決數控機床和機器人實際應用中必須妥善處理的一些關鍵技術問題， PLCopen的運動控制規范第四部分給出了以下關鍵技術的描述：坐標系變換和逆變換、運動學變換和逆變換、運動軌跡規劃和運動混成、速度和加速度平滑。

圖2 主軸/從軸結構的運動控制規范的狀態圖

圖3 多軸(軸組)協調運動控制狀態圖與單軸狀態圖的關系

圖4 主/從結構下單軸和軸組的協調運動控制

為什么需要樣條路徑插補和加速度平滑？下面以五軸聯動數控機床為例進行說明。五軸線性刀具路徑由一系列的指令定義，每一個離散指令包含位置和方向信息，其中位置向量描述刀尖點的軌跡，方向矢量描述刀軸的方向。對這些離散指令進行線性插值，就獲得了刀具的連續運動。將數控指令發給數控系統后，數控系統將在機床動力學特性的約束下，實時規劃出每一個軸的位置、速度和加速度。因此刀具路徑將影響機床進給的動態特性。如果刀具路徑是線性的，刀具運動被定義為相鄰軌跡之間的直線段運動。在線段連接點處，刀具估計的切向和曲率都是不連續的。考慮到數控機床的最大加速度和加速度變化率都是有限值，這種不連續往往導致進給速度產生波動，而這種波動將造成機床的真實進給速度一般要低于數控代碼中指定的進給速度。因此，用光滑的參數樣條曲線來取代線性刀具路徑，顯然是提高加工效率和加工表面質量的重要方法。由以上分析可見，五軸樣條軌跡插補和加速度平滑是五軸聯動高速高精度軌跡跟蹤的關鍵技術。

插補型運動控制的基本部分是對軸組實施一連串連續且具有緩沖的運動命令的混成。如果沒有混成，軸組的TCP(對數控機床來說就是刀尖點)會向前運動至命令所要求的位置，減速并精準地停在該位置不動，接下去的緩沖減速運動命令不會被激活。顯然，軸組必須再加速。在許多應用中，會要求TCP具有不同的行為特性，要求不停頓地連續運動。這是因為這樣可以減少加工處理的循環時間(例如抓取和放置)；或者是為了減少機械應力，要生成平滑的運動；另外，有些應用要求TCP進行恒速運動(如噴涂、焊接、膠合等)。諸如此類的這些要求都可以用不同類型的運動混成加以滿足。其共同點是通過修正原始的路徑，從而得到平滑而沒有拐角的軌跡。

在多軸協調運動控制中，插補的運動命令的混成不同于單軸上的運動的混成。對單軸而言，命令所指定的位置總是能到達的。在多軸協調運動中，到達(或經過)命令所指定位置的時刻，可以按照緩沖模式的輸入參數改變速度。插補運動控制中的幾種類型的運動混成可考慮為與應用和過程相關，因此還必須在插補運動控制中導入多種新的運動混成類型。不同的插補方法會使用不同的混成的輸入參數，所以要按所采用的插補方法改變混成的輸入參數。運動控制系統的開發者可根據自己的訣竅和經驗來規定混成功能塊的輸入參數。

PLCopen運動控制所定義的功能塊，使用戶能迅速地識別其功能性，并且還能清晰了解在它被激活時，或者在一系列運動命令中它與其他功能塊相連接時會發生些什么，或者說會做些什么。面向軌跡運動的編程，或者用專門面向機器人的編程語言，或者用常用在CNC編程的G代碼。它們都可以在相當寬泛的應用中很好地描述機械運動。不過，使用這兩種編程方法的用戶過于專業，也許不能適應今后智能制造的普遍而廣泛推廣。總之，PLCopen運動控制規范的第四部分，就是為了把在CNC和機器人控制中運用的功能性，變換為在PLC也能方便運用的功能性，使得培訓和掌握CNC和機器人編程的人員更為容易。

2.5 PLC技術、機器人技術和CNC技術的融合發展

智能制造和智慧工廠正在全球蓬勃發展，其中關鍵的一個問題就是CNC和機器人這些制造單元的開放架構問題。MES、ERP、CAM……都要求制造設備層能提供基于IT技術的軟硬件接口，而且智能制造技術的實現也要求CNC、機器人和其他制造單元和設備之間建立開放性的網絡和軟件接口。與此同時，由于驅動技術和機器人技術的發展，使得用機器人來控制CNC加工單元成為可能。以上這些技術的進展，宣示了當前智能制造裝置最前沿的一個值得關注的動向，這就是PLC技術、機器人技術和CNC技術正在呈現融合發展的趨勢。

不過，對于傳統的CNC和機器人廠商來說，至今為止對于開放架構并沒有非常方便和高效率的方案。他們要迅速適應變化也非駕輕就熟。因為這些傳統廠商的硬件絕大多數是基于RISC的芯片。顯而易見，要實現更為開放的IT集成，Intel的CISC芯片會輕而易舉得多。

沿用傳統的概念，PLC承擔邏輯控制和順序控制的任務，機器人控制器完成實現機器人運動規劃的任務，而CNC控制器負責數控機床的控制。要將這三個系統集成在一起，將承受較高成本、難以達到同步運行、開發時間長等一系列的問題。為此，突破傳統思維，充分發揮PLCopen運動控制規范的作用，讓PLC、機器人、CNC技術融合在一個系統中成為現實可用的解決方案，其基礎就是由斯圖加特大學的ISG研究所的ISG Kernel。ISG Kernel是一種涵蓋幾乎所有的CNC、機器人和運動控制的機械裝置的控制軟件解決方案。它可以嵌入到基于IEC 61131-3的PLC編程平臺中，也可以作為一種獨立的具有高端功能性的控制軟件包。

3 PLCopen的機械安全規范

PLCopen制定機械安全規范的目的在于使用戶在機械水平和工廠水平達到功能安全規范IEC 61508的要求。PLCopen與專業從事安全的機構TüV一起定義了在IEC 61131-3的開發環境下涉及安全的規范。這必須由集成在IEC 61131-3的軟件開發平臺上的安全專用軟件工具支持，從而實現安全功能性的標準化，即定義與安全相關的函數集和功能塊集，在編程環境中的支持，包括編程語言(LD、FBD)和功能性(安全數據類型和說明等)、出錯處理和診斷。

按照功能安全國際工業標準IEC 61508第三部分的規定，編寫具有功能安全軟件的編程語言有兩類，一類為全可變語言FVL(如C語言、C++、匯編語言等)，另一類是有限可變語言LVL(如IEC 61131-3規定的LD、FBD等五種語言)。一個符合安全規范的PLC系統除了其硬件必須達到一定的SIL等級外，其軟件部分往往由全可變語言(FVL)寫成嵌入式的操作系統，而其安全應用程序則往往用有限可變語言(LVL)中的LD和FBD編寫，如圖5所示。

圖5 符合功能安全的軟件的基本概念

PLCopen開發的機械安全規范與IEC 61131-3所支持的邏輯和順序控制以及運動控制規范構成了一個統一的編程環境(參見圖6)。PLCopen的機械安全規范包含4個部分：第一部分概念和功能，第二部分用戶舉例，第三部分是第一部分的擴展，第四部分是壓力機的擴展。

圖6 在IEC 61131-3的編程環境下組合邏輯控制、運動控制和功能安全的功能

圖7描述了PLCopen機械功能安全的結構模型。由圖可知，盡管在硬件上標準輸入/輸出與安全的輸入/輸出是必須嚴格分開的，但功能安全的程序與正常的控制程序可以在同一應用程序中運行，正常的控制程序的運算結果還可對安全程序發生一定作用。

橫向集成和縱向集成的利器——IEC 61131-3信息模型。建立IEC 61131-3的OPC UA信息模型目的在于提高控制器和可視化裝置(人機界面)、上位信息系統之間通信的復用性。從長期應用的觀點看，將明顯提高工程流程的效率和顯著降低工程的成本。設想，當某個PLC項目中多控制平臺由不同供應商提供，如果用一種可視化工具或MES/ERP,從外部來看，這些控制平臺是完全一樣的，即所有PLC對象具有IEC 61131-3軟件模型，而它們的詳細描述均在OPC UA的命名空間內由OPC UA的公共工作組給出的規則予以實現。

圖7 PLCopen機械功能安全的結構模型

2006年OPC UA規范發布，將原有的OPC DA、OPC A&E、OPC HAD等整合到可廣泛應用的面向服務的架構SOA，并且增加了許多新的特性，包括：與平臺無關、規模的可擴可縮、新的信息安全機制、高可用性和互聯網服務等。OPC UA具有兩個維度：①通過將OPC技術嵌入裝置級的設備和應用，為這些設備和應用提供信息安全的可互操作性；②將OPC通信從設備級和基礎自動化級擴展到企業級的應用和系統。在頂層，嵌入式OPC UA支持與企業標準的XML互聯網服務協議通信。這將有助于經由公共的架構保證從設備層到企業層的所有通道的連接性和通信。

目前OPC UA已經被接受為一種國際計算技術的標準，目的在于讓工業自動化系統進入通用計算機工業也要進入的領域。這樣，OPC UA成為計算機工業中普遍采用的公共標準，應用于系統通信和各種網絡互連、互通、互操作的互聯網服務。W3C(世界互聯網聯盟)定義了一種Web服務：用軟件系統支持通過網絡的機器對機器(M2M)的互操作。2010年已由SAP公司在異構的控制器和SCADA構成的系統中實現。ISA 95是由美國ISA學會開發的企業信息集成系列標準，現在已被IEC和ISO接受為國際標準(IEC/ISO 62264)。而B2MML是這個系列標準的XML實現。 B2MML包括一系列用W3C的XML語言XML格式規范。近年來美國的ISA學會又與OPC基金會合作開發基于B2MML接口標準的OPC UA/ISA 95伙伴規范。

有了這些基礎性的工作，過去控制工程師使用OPC UA對象進行控制層、MES層和ERP層之間的通信碰到的難題即將迎刃而解。即在處理關鍵數據的存取時，如何在制造運營管理(MOM)系統的高速要求與企業信息系統的慢速而又隨機存取的要求之間構筑一種順暢通達的橋梁，成為可能而又可行。

工業互聯網、工業物聯網、工業4.0和智慧工廠以及智能制造的應用，如今正在快速推進和實現。盡管有一些由供應商所開發的數據交換協議，但都不能提供可互操作性，使控制器與企業信息系統、云端之間的信息傳輸暢通無阻。而運用PLCopen的OPC UA功能塊，將使之大為簡化和改善。

開放的PLCopen規范和標準改善了自動化控制系統的設備可互操作性；運用基于IEC 61131-3的OPC UA Server FB服務端功能塊，將簡化由傳智能感器、控制器與企業管理系統和生產調度執行系統通信，與云端通信以及與互聯網通信。圖8～圖10分別給出了利用OPC UA實現縱向集成、橫向集成和由控制器直接將數據送至云端的原理圖。

圖8 運用OPC UA將現有網絡進行縱向集成Fig.8 Longitudinally integrating existing networks using OPC UA

圖9 運用PLCopen頒布的OPC UA功能塊進行

在工業控制軟件的開發成本和工程成本日益上升的形勢下，希望能在不同的軟件開發環境之間交換其程序、函數/功能塊庫和工程項目的需求越發高漲。考慮到編程僅僅是控制軟件完整應用開發套件的一個環節，為規范它與其他環節間的數據交換的接口，有必要提供為實現IEC 61131-3編程的數據交換規范，如圖11所示。

圖10 運用PLCopen頒布的OPC UA功能塊將PLC數據送往云端Fig.10 Sending PLC data to the Cloud using OPC UA functional blocks issued by PLCopen

圖11 以XML格式提供構成統一的工程軟件平臺開發環境

通過為IEC 61131-3規定一種XML的格式倡導一種開發環境，使得在此基礎上構成統一的工程軟件平臺。利用PLCopen規范的XML格式，來實現不同軟件工具的數據交換：為統一的工程平臺實現不同控制功能的編程、組態提供基礎；為統一的工程平臺實現設計、調試、運行操作、維護各階段功能的前后銜接提供基礎。此外，還可以利用XML進行不同硬件平臺定義的I/O變量和內部變量之間的變換，為控制程序無障礙移植創造前提條件。

制定PLCopen的XML綱要規范的目的是，基于當今的XML技術，把IEC 61131-3環境下的完整工程項目的全部信息用XML的格式予以表達。這些信息包括：文本化編程語言(IL和ST)、圖形化編程語言(LD和FBD)、結構化編程語言(SFT)，圖形信息(如地點、位置和它們之間連接路徑)、程序組織單元POU(函數、功能塊、程序)、數據類型、工程項目信息(分層結構)、映射信息、制造廠商的特定信息和注釋。

類似于建模工具(如UML通用建模語言)，PLCopen的XML規范規定了與圖形和邏輯信息的生成程序接口；類似于文件生成程序和管理程序以及版本管理，規范也規定與圖形和邏輯信息的使用程序的接口；還規定了功能塊庫的分發格式。運用PLCopen定義的XML進行不同功能軟件的集成如圖12所示。由圖12 可知，從縱向看,XML是為開發工具和圖形和邏輯信息的生成軟件與使用軟件提供接口；從橫向看,XML又為不同工程項目的開發工具和程序組織單元POU提供輸入/輸出接口。

圖12 運用PLCopen定義的XML進行不同功能軟件的集成

多年前，汽車制造商Daimler發起聯合了ABB、KUKA、 Siemens 、 Rockwell Automation等工業企業，軟件和服務商netAllied 和 Zühlke以及karlsruhe大學和Magdeburg大學成立了AutomationML組織，為的是通過共同定義數字化工廠的一種中間格式——自動化標記語言(automation markup language,AutomationML)，并予以標準化。制定AutomationML標準的目的是：降低工程成本和加速工程進度，無縫數據傳輸，便于保持數據的一致性，便于同類數據的后備，為適合市場需要的創新產品制造商降低市場進入壁壘。

AutomationML是一種免費的開放標準。目前已被IEC接受成為工業4.0、智能制造的一種國際標準，主要用于制造自動化，包括機器人和物流，但并不局限于此。

AutomationML的創新主要在于：在一個單一的根格式(XML格式)下將許多重要工程方面所廣泛接受的標準綜合起來予以應用。車間工藝流程(設備)布局方面，采用CAEX 標準(computer aided engineering exchange)。這是一種基于XML的容許存貯分層結構對象信息(如工廠)的中間數據格式。幾何結構、機械運動學和運動規劃方面，采用COLLADA規范。這是Khronos組織定義的一組基于XML的文件策略模式，用以實現3D應用程序自由交換數據。在順序控制行為方面，采用PLCopen組織的IEC 61131-3的XML 格式。

4 結束語

智能制造體系設備層中最主要的控制和執行設備是PLC、工業機器人和數控機床。在智能制造的整體環境中，這些主要設備的控制軟件毫無例外都建立在IEC 61131-3和PLCopen所擴展的諸多工業軟件規范的基礎上。涵蓋實現這些規范和標準的統一工程平臺是實施智能制造的超強武器；按照工業自動化軟件的價值體系的目標建設智能控制、智能生產執行和智能管理無縫而高效集成的工程平臺，應該是工業軟件的發展方向。

[1] Dhanani S.Industry 4.0 impact on PLC system design[EB/OL][2015-04-20][2015-08-10]http://www.iebmedia.com/index.php?id=10904&parentid=63&themeid=255&hft=87&showdetail=true&bb=1.

[2] PLCopen. Function blocks for motion control technical specification[S].2001.

[3] 彭瑜. 運動控制智能化的發展和實現[J].自動化博覽,2013(S1):35-37.

[4] PLCopen. Safety software technical specification[S].2012.

[5] PLCopen and OPC Foundation.PLCopen technical specification OPC UA information model for IEC 61131-3[S].2010.

[6] PLCopen and OPC Fourdation.PLCopen technical specification XML formats for IEC 61131-3[S].2010.

Specifications and Technologies of PLCopen for Supporting Intelligent Manufacturing

PLCopen is an independent organization which is working for enhancing efficiency of industrial control software, and urging standardization and normalization in various aspects, including motion control, lateral and longitudinal communications, functional safety, and data exchange among difference software, etc., on the basis of constructing structured and modular software architecture. As the result, the requirements upon industrial control software under environment of intelligent manufacturing can be satisfied entirely; and the desired technologies in future can now being used.

Intelligent manufacturing Industry 4.0 IEC 61131-3 Motion control Functional safety

2015-08-27。

T-65;TP273

A

10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201510001

作者彭瑜(1938-)，男，1960年畢業于清華大學，國務院特殊津貼獲得者，教授級高級工程師；長期從事工業生產過程自控系統的設計、現場總線與工業通信在控制系統中的應用工作。