什么是實現(xiàn)智能制造的內(nèi)因？IT-OT如何融合？自動化這幾十年發(fā)生了哪些變化？智能制造時代下PLC需要如何自身變革？PLC為何要嵌入AI？今天，我們分享一篇杜博士的長文。

雞蛋在合適的溫度上可以轉(zhuǎn)化為雞子，而最適當?shù)臏囟纫膊荒軐⑹^轉(zhuǎn)化為雞子。這說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，而外因只有通過內(nèi)因起作用。

當前我們在討論中國的智能制造實現(xiàn)之路時，同樣也要考慮從自動化制造轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄苤圃鞎r，什么是實現(xiàn)智能制造的“雞蛋”(內(nèi)因)。什么是實現(xiàn)智能制造的“溫度”（外因）。如果我們一味地強調(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。

一、智能制造是互聯(lián)網(wǎng)時代的產(chǎn)物，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進入制造領(lǐng)域，使得自動化制造升級為智能制造成為可能

當前，我們已進入了互聯(lián)網(wǎng)時代，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以不可阻擋的潮流進入各行各業(yè)，給各行各業(yè)的變革帶來強大的動力，同時也對各行各業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生巨大的影響。作為互聯(lián)網(wǎng)時代的產(chǎn)物：智能制造的概念誕生了。智能制造的目標就是對目前的生產(chǎn)制造模式進行轉(zhuǎn)型升級，即智能制造生產(chǎn)模式有以下幾方面的變革和提升：

01.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)品生命周期的全過程。它即考慮了產(chǎn)品的質(zhì)量、成本，同時又考慮了企業(yè)內(nèi)部的運行模式、企業(yè)的應(yīng)變能力以及企業(yè)在市場和客戶中的定位等，無論是研發(fā)與設(shè)計、生產(chǎn)與制造，還是營銷與服務(wù)都以滿足消費者需求作為出發(fā)點和歸宿點，推行用戶體驗式的設(shè)計，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。

02.智能制造實現(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，機和產(chǎn)品之間的無縫連接。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)的智能化的特點。

03.智能制造生產(chǎn)制造模式的內(nèi)容也有了新的含義。

顯而易見，目前的工業(yè)自動化控制技術(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)真正的能引進到控制領(lǐng)域，從而使智能制造成為可能。

溫故而知新，我們不妨回顧一下近三十多年自動化技術(shù)發(fā)展的歷史：

01.上世紀80年代，當RS232的串聯(lián)通信技術(shù)廣泛地運用在計算機領(lǐng)域的時候，自動化領(lǐng)域的工程師們馬上對這種技術(shù)進行了分析，消化和變革，針對工業(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)場總線傳輸通信（物理層）的標準，并且創(chuàng)造性地對ISO/OSI七層協(xié)議通信進行了簡化（物理層，數(shù)據(jù)層直接到應(yīng)用層），在拓撲結(jié)構(gòu)上又對串行通信協(xié)議的信息內(nèi)容和使用格式進行了擴展，產(chǎn)生了環(huán)形網(wǎng)絡(luò)拓撲（Interbus）和線性網(wǎng)絡(luò)拓撲（Profibus）結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場總線自動化通信技術(shù)，成功地將當時串行通信技術(shù)運用于工業(yè)控制領(lǐng)域。成為自動化融合通信技術(shù)的一個典范。

02.上世紀90年代，PC技術(shù)風起云涌，自動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)境運用到自動控制系統(tǒng)中去。特別對傳統(tǒng)的PLC編程語言（IEC61131）進行了改進，采用了高級語言（如C語言）進行了編程，這種編程方法也日益地被專業(yè)人員所接受。使得以PC為基礎(chǔ)的PLC控制器也成為自動控制系統(tǒng)的一個主流。

03.而在21世紀初，以太網(wǎng)技術(shù)發(fā)展日新月異的時候，自動化工程師馬上取其精華，實現(xiàn)了工業(yè)以太網(wǎng)和工業(yè)實時以太網(wǎng)，以太網(wǎng)技術(shù)成功地與工業(yè)自動化技術(shù)有機地結(jié)合起來，大大地提高了控制系統(tǒng)的性能，功能和應(yīng)用范圍。成為自動化人的自豪和佳話。

通過以上三段歷史的回顧，我們得到這樣的啟示：

所謂的自動化技術(shù)的發(fā)展都是以自動化本身的改革為主導(dǎo)，大膽地融合了不同時代出現(xiàn)的不同技術(shù)，如果沒有自動化本身變革的內(nèi)因發(fā)生變化，就不會有工業(yè)自動化技術(shù)發(fā)展的今天。

這是我想起中國的一句古話：以史為鑒。所以只有了解事物的過去，才能知道事物的今天。只有知道事物的今天，才能預(yù)測事物的明天。

而今，當IT技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)要進入生產(chǎn)制造領(lǐng)域時，IT領(lǐng)域的專家們成為改革自動化控制系統(tǒng)的主導(dǎo)者，他們希望通過成熟的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)運用到工業(yè)場景上來實現(xiàn)IT融合OT。實際上工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺的產(chǎn)生是在云平臺的基礎(chǔ)上疊加物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新興技術(shù)，實現(xiàn)海量數(shù)據(jù)匯聚與建模分析、工業(yè)經(jīng)驗知識軟件化與模塊化、工業(yè)創(chuàng)新應(yīng)用開發(fā)與運行，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)測維護、機器學(xué)習(xí)和增強現(xiàn)實在各個領(lǐng)域得到了應(yīng)用。這樣一來，似乎實現(xiàn)智能制造的條件已經(jīng)成熟。

但是我本人認為，采用目前的這種方法并沒有改變生產(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)不成功的例子所說的那樣：“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)則是數(shù)字化轉(zhuǎn)型的實現(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，但無法做到控制…“由于GE的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)沒有與控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)有機的結(jié)合，使得Predix沒有在工業(yè)界得到廣泛的使用。

要真正做到IT融合OT，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)平臺的作用，打通產(chǎn)業(yè)鏈上下游，優(yōu)化資源配置，實現(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)不僅要與過去一樣處理控制數(shù)據(jù)（即實時性數(shù)據(jù)），同時對于大量的生產(chǎn)管理，產(chǎn)品研發(fā)數(shù)據(jù)（非實時數(shù)據(jù)）也有處理能力。

但是可惜的目前大量互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)達成的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺都不能對控制的實時數(shù)據(jù)進行處理和交流，他們做了大量分析，但是對于現(xiàn)場的控制的作用微乎其微。

所以到目前為此所謂的“IT融合OT”實質(zhì)上僅僅是“IT湊合OT”。因為智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)庫的管理。這些功能無疑對于生產(chǎn)制造模式從自動化到智能化的轉(zhuǎn)變起了一個很大的作用，但是僅是“外因”即提供了一個“合適的溫度”。

二、自動化控制技術(shù)是實現(xiàn)智能制造的根本，它是事物發(fā)展變化的內(nèi)因

實現(xiàn)智能制造生產(chǎn)模式的目標就是對目前的生產(chǎn)制造模式進行轉(zhuǎn)型升級，解決目前采用自動化制造生產(chǎn)模式不能解決的問題，即：

在互聯(lián)網(wǎng)時代產(chǎn)品生命周期不斷縮短的問題、產(chǎn)品更新?lián)Q代的快速響應(yīng)要求的問題、多品種小批量性生產(chǎn)的問題、產(chǎn)品生命周期周期考慮下的成本問題、企業(yè)ROI的周期問題、企業(yè)互聯(lián)網(wǎng)時代的盈利模式問題以及帶來的能源使用效率、節(jié)能減排等等問題。

顯而易見，這些問題的結(jié)單單靠現(xiàn)在的控制系統(tǒng)所有的功能和方法是遠遠不夠的。

一句話，現(xiàn)在PLC控制系統(tǒng)不僅僅要對生產(chǎn)制造的實時性的控制數(shù)據(jù)進行處理和分析，而且要對大量的具有分析，歸納，總結(jié)的非實時數(shù)據(jù)進行處理。因此為了滿足智能制造生產(chǎn)模式的需求，控制器本身要進行軟件，功能和硬件結(jié)構(gòu)等多方面的變革。控制器這種內(nèi)因本身的變化，在加上融合外因的變化，才能實現(xiàn)智能制造的目標。

三、PLC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，我認為PLC自動控制系統(tǒng)為了滿足智能制造生產(chǎn)模式的新要求，其本身必須進行兩方面的改革：

重塑PLC框架結(jié)構(gòu)，新型PLC控制系統(tǒng)不僅能處理實時數(shù)據(jù)，同時也能處理非實時數(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)不僅能處理實時數(shù)據(jù)，同時也能處理非實時數(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)場層采集的信息一定要有可控、可觀、可測、可通訊的功能。在這種情況下，智能制造對自動化系統(tǒng)提出了新的要求。PLC控制系統(tǒng)目前的最大問題是不能處理，分析，歸納和總結(jié)管理，服務(wù)和研發(fā)的所謂的非實時數(shù)據(jù)。這個缺陷形成了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，當前的PLC控制系統(tǒng)必須進行變革，才能滿足自動化系統(tǒng)運行過程和控制相關(guān)的實時數(shù)據(jù)處理及管理，服務(wù)等非實時數(shù)據(jù)的分析、存儲、歸納等要求。

但是實時數(shù)據(jù)和非實時數(shù)據(jù)的性質(zhì)是完全不同的，見表一所示，由于非實時數(shù)據(jù)與實時數(shù)據(jù)在數(shù)量上，時間上，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)計中僅對實時的控制數(shù)據(jù)進行處理。而沒有考慮處理管理，研發(fā)，服務(wù)等的非實時性數(shù)據(jù)的問題。

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)即滿足原來的功能，同時又能滿足處理部分的非實時數(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)也能在控制器進行運算和分析。這樣就形成一個全新的PLC控制系統(tǒng)。

菲尼克斯公司開發(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行設(shè)計的，其簡化的描述可以用下圖表示：

在德國推進工業(yè)4.0的初期，菲尼克斯就針對智能制造對于新一代的PLC控制器提出的要求，開始開發(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)時代的PLC控制系統(tǒng)。它的特點是既保留了傳統(tǒng)PLC編程的優(yōu)勢，同時通過擴大了編程語言、工具及開源功能集成的自由度的能力，實現(xiàn)處理實時性數(shù)據(jù)的功能的同時，又能處理非實時數(shù)據(jù)的PLC控制系統(tǒng)平臺。其結(jié)構(gòu)設(shè)計是采用了以下六大開放性的技術(shù)來實現(xiàn)的：

1.采用Linux的開放式實時操作系統(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全局數(shù)據(jù)庫（GlobalDataSpace）管理的內(nèi)部用戶組件和外部用戶組件技術(shù)

4.開放性的軟件編程語言

5.開放性的功能塊開發(fā)平臺（PLCnextAPP）

6.開放性的各種通信接口平臺

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PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計中去。

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就是探討智能形成的基本機理，研究利用自動機模擬人的思維過程。而近期的目標如何用計算機去做那些靠人的智力才能做的工作，一個是模擬人的思維過程，一個是模擬人的能力。從而可以認為人工智能就是按照人的功能進行開發(fā)研究的一種技術(shù)。反過來講，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。

那么工智能如何用到自動化上去呢？如何與PLC自動化系統(tǒng)結(jié)合起來呢？按照人工智能的7大部分的作用，我們做了以下分類：感知、認知、明知：

感知就是視覺和圖像識別、機器人的深度化應(yīng)用、聲控和自然語言系統(tǒng)；

認知就是機器學(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，專家系統(tǒng)和最佳策劃功能。

我為什么要把人工智能分成三類呢？這恰恰符合了自動化控制系統(tǒng)的三大功能：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析。

我們在PLCnext控制器中非實時數(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)容可以對一些生產(chǎn)，研發(fā)服務(wù)等管理數(shù)據(jù)進行分析歸納總結(jié)，實現(xiàn)預(yù)測，專家系統(tǒng)和最佳策劃的功能。

而在PLCnext的邏輯運算部分增加了人工智能的認知部分，使得控制器的運算部分的增加了機器學(xué)習(xí)的功能，通過機器學(xué)習(xí)的辨識，建模和決策的功能使得PLCnext控制器不僅能夠按照已知對象的調(diào)節(jié)規(guī)律進行控制，同時也可以對未知的對象通過自學(xué)習(xí)的方法進行自適應(yīng)控制。使得控制器有了人工智能的功能。

在數(shù)據(jù)采集上即現(xiàn)場層增加了視覺控制，聲控和語言功能，這些功能不僅使得我們對于控制對象的現(xiàn)狀，運行狀態(tài)以及未來的預(yù)測有了更多的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，同時已與機器人組成為一體，使得機器人也有了視覺和語言功能，機器人的應(yīng)用場合會越來越多，智能化的程度也愈來愈高了，進行分析的數(shù)據(jù)量更多更豐富。

利用PLCnext控制平臺，有機地整合了人工智能的功能，PLCnext的新型框架結(jié)構(gòu)使得智能制造實現(xiàn)有了新的可能。同時也實現(xiàn)了智能制造生產(chǎn)模式即全產(chǎn)品生命周期的生產(chǎn)制造模式。

四、總結(jié)

以上的闡述作為拋磚引玉，本人提出以下一些觀點：

1.工業(yè)自動化控制系統(tǒng)是實現(xiàn)智能制造的內(nèi)因，IT技術(shù)的應(yīng)用是實現(xiàn)智能制造的條件。

2.現(xiàn)在的PLC控制系統(tǒng)本身框架結(jié)構(gòu)必須進行變革，即實現(xiàn)對實時和非實時數(shù)據(jù)的分析，歸納，總結(jié)和制定規(guī)律的能力。

3.在PLC控制系統(tǒng)的運算中嵌入人工智能的功能是實現(xiàn)智能制造的重要條件。

目前，菲尼克斯正依據(jù)PLCnext的平臺，開展了以人工智能為導(dǎo)向的智能生產(chǎn)制造模式的推廣工作，菲尼克斯首先與大專院校合作，開發(fā)應(yīng)用人工智能的各種工業(yè)場景的模塊化的實訓(xùn)平臺，如采用VR/AR與人工智能的算法相結(jié)合形成遠程預(yù)測監(jiān)控系統(tǒng)，將機器學(xué)習(xí)算法嵌入到PLC的運行控制功能塊實現(xiàn)自學(xué)習(xí)的識別建模的控制決策。采用大數(shù)據(jù)的基本算法在管理層自行生存專家系統(tǒng)以及最佳策劃的智能機理等等。PLCnext新的控制平臺為IT真正融合OT打開了一個新的思路，實現(xiàn)一個新的路徑。希望控制界的工程師們關(guān)注這種新的理念，讓我們共同拭目以待吧！

作者簡介：

杜品圣博士，菲尼克斯電氣中國公司副總裁，總工程師，智能制造學(xué)院院長，中國自動化學(xué)會理事，上海仿真學(xué)會常委，武漢理工大學(xué)客座教授，同濟中德工程學(xué)院客座教授，南京大學(xué)學(xué)生創(chuàng)業(yè)導(dǎo)師，江蘇省科技創(chuàng)新帶頭人，南京市電動車輛充/換電設(shè)備工程技術(shù)研究中心負責人，《自動化博覽》編委，《電氣自動化》自動化委員會委員等職務(wù)，TC65標準委員會成員，中國家電智能制造專家組成員。