智能制造控制单元IMCU简介

杨志伟 麦彬承 尹静

【摘  要】

给出了一种基于5G、人工智能、标识解析技术替代PLC的新型工业控制产品——IMCU的内涵定义、整体框架、主要功能、标准体系以及技术路线，探讨了IMCU改变传统工业控制现场和工厂整体调度控制5层结构的可行性，旨在通过技术的集成融合创新，解决工业控制核心技术短板以及数据互通“卡脖子”等问题，助力我国引领未来工业控制领域的规模化、自主化和高质量发展。

【关键词】新一代信息技术;工业控制系统;PLC;IMCU

0   引言

可编程逻辑控制器（PLC， Programmable Logic Controller），以其可靠性高、编程容易、组态灵活、功能模块齐全、安装方便等的优势，自1969年面世以来就得到了工业界的广泛认可。为更加适应现代工业的需要，PLC不断提升控制规模、控制能力以及产品配套能力，目前在国内工业体系各个行业和领域广泛的应用。据统计，2016年我国PLC市场规模达73亿元，预计2020年有望达100亿元。然而，由于技术、市场等多方面原因，现在95%的国内市场由西门子、三菱、欧姆龙、霍尼韦尔、罗克韦尔等国外PLC厂家所占领，中、大型PLC产品几乎全部由国际上几大公司垄断。

1   我国工业控制系统（PLC）发展现状

1.1  国内PLC技术尚不具备国际竞争力

自上世纪70年代后期开始，我国PLC产业先后经历了成套设备引进、PLC引进应用、消化移植、合资生产的过程。国产PLC品牌和利时、台达、汇川、江苏信捷等企业在国内PLC中小型市场异军突起，经过多年发展，国产自主PLC产品仍未形成规模生产能力和完整的系列产品，尚不具有能够与国际巨头竞争的能力和实力。与此同时，由于PLC核心技术掌握在国外厂商，不能满足我国关键技术自主可控的要求。

1.2  现有PLC技术无法满足现代工业的新需求

工业控制系统已经成为驱动整个工业向前发展的中坚力量，随着计算机技术、通信技术和控制技术的融合发展，传统的控制领域正经历着一场前所未有的变革，正在向智能化、网络化、集成化方向发展，多任务执行、网络能力强化、处理功能高速化、软件集成化、控制器微型化的趋势越发明显。PLC存在结构封闭和兼容性差的缺陷，难以满足工控技术网络能力强化、处理功能高速化、软件集成化、控制器微型化等发展趋势。

1.3   PLC无法实现真正意义的物物相连及精准控制

工业互联网产业联盟最近发布的《工业互联网体系架构2.0》提到，工业互联网将会围绕设备层、边缘层、企业层和产业层等制造的四大层次开展网络、标识、平台、安全实施，可以看出其层数依然是遵循国家标准所规定的五层结构（如图1所示）。其中，在设备层依然是通过PLC＼CNC进行生产控制，造成从智能机器、设备、仪器仪表等采集到的底层数据仍然必须通过PLC上传，无法实现真正意义的物物相连、有效控制。

中国正处在从工业经济时代向数字经济时代转型的关键期，将有越来越多的工厂开展网络化、数字化、智能化改造，无人工厂、数据工厂、智慧工厂的建设将为我国工业控制产业提供巨大的市场。因此，通过研发替代PLC的方法和产品，将是理论上的颠覆性创新，将打破现有的PLC黑匣子，通过与5G、工业互联网等技术的集成融合创新，组成新一代的工控产品，从而更有效解决目前工业控制中的数据互通“卡脖子”问题，有助于突破现有被国外垄断的技术标准与网络架构，推动我国工业控制系统走向国产自主可控，为培育具有国际竞争力的工业控制厂商和产品奠定基础。

2   IMCU简介

雖然在过去国内各个研究机构也都在尝试着能够研发一种新的工业控制产品替代PLC产品，但由于基础技术的限制一直无法进行有效的产品替代。但最近几年，国内5G、标识解析、人工智能等技术的迅猛发展，为研发一种替代PLC的方法和产品提供了扎实的技术基础。2019年6月我国向中国移动、中国电信、中国联通以及中国广电4家公司颁发了5G牌照，加快5G网络的商用部署，向社会提供满足连续广域覆盖、热点高容量、低功耗大连接、低时延高可靠等多样化场景的网络环境。与此同时，北京、上海、广州、武汉、重庆五个地方工业互联网标识解析顶级节点均已全部上线试运行，工业互联网标识解析二级节点快速部署和推广，将通过标识解析技术为各部件赋予唯一可识别的身份符号，有效解决传统标识编码不统一的问题，实现信息的准确关联和地址的自动获取。此外，基于深度学习的人工智能在语音识别、图像识别等领域取得突破，为机器的自我诊断、预测性维护等工业应用提供了能力。

为了克服PLC目前存在的问题，同时为了将设备控制未来的发展符合现代多学科的技术发展路线，进一步推广工业互联网，可以将PLC分解形成最小化模块，再加上5G模块和标识解析技术形成智能制造控制单元（IMCU， Intelligent Manufacturing Control Unit）。按照国际电工委员会对PLC的定义格式，我们可以将IMCU定义为：它是一种数字运行操作的电子系统，专为工业环境应用和工业互联网应用而设计。它通过无线传输、可寻址的方式，采用内外部可编程序的存储器，用于内外部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数、数术运算操作和图像和语音人工智能算法等操作指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种机械或者生产过程。

3   IMCU技术方案设计

从技术层面看，IMCU可成为一种取代PLC更高级的工业控制产品，既能兼顾现有PLC所具备的功能，同时采用5G、标识解析和AI等新一代通信技术，还可进一步满足工厂对设备网络化、自动化、数字化和智能化的需求，成为打破工业现场和工厂控制遵循了三十多年的五层框架体系的技术创新。

3.1  IMCU的整体框架设计

IMCU是在把PLC分解成最小化模块的基础上，再加上5G芯片形成的，其结构如图2所示。其中，IMCU的输入和输出均为标准接口，具备光电隔离，使其具备更好的工业现场抗干扰能力。微处理器是IMCU的控制中枢系统，也是逻辑部分的控制核心，通过运行存储器内的软件及调用存储器内的数据库，达到对单元整体监控的目的。采用5G芯片，可以是应用处理器和基带合一的单芯片和应用处理器和基带芯片分离的双芯片，基带芯片负责信号处理和协议处理，它包括DBB（Digital Baseband，数字基带芯片）和ABB（Analog Baseband，模拟基带），完成语音信号和数字语音信号调制解调、信道编码解码和无线Modem控制。

IMCU可以根据车间工艺的要求和复杂程度，设定为直接和后台的云平台联系，也可以直接和车间的边缘计算服务器联系（如图3所示）。这种设定可使在设备层的智能机器、专用设备、成套设备和仪器仪表在不需要边缘层的辅助计算和指导下，即可直接到达企业层和SCM、ERP对接，也可直接到达产业层和互联网平台和标识解析的二级节点对接，有助于企业管理层更快、更准确地了解和控制设备层的所有设备，同时让产业层可以直接了解供应链上下游企业的生产运行情况。

3.2  IMCU的主要功能和技术要求

目前，传统的工业控制现场和工厂整体的调度控制层数均按照国家标准《GBT20720.1-2006企业控制系统集成第1部分_模型和术语标准》所规定的五层结构（如图4所示），所有0层产生的I/O信号均传输到1层再往上层层传递。而采用IMCU控制的工业控制现场和工厂整体的调度控制，将通过无线传输和有效的地址寻址功能，可直接接受所有来自1-4层的控制信息，按照需要将0层信息同时发送到1-4层或者单独发送到任意一层（如图4所示）。

通过以上分析，新一代新型控制设备IMCU的主要功能和指标如下：

一是单点或者几点的开关量、模拟量和运动控制：通过标准I/O模块实现开关量、模拟量的运动控制，同时能够传输每个控制点工作的相关统计数据和有效的监控。

二是数据处理：强大的数学运算功能，并对数据进行采样、分析和处理。

三是监控功能：可监控各个点运行状态和进程，对系统出现的异常进行报警和记录，甚至自动终止运行。也可在线调整、修改控制程序中的定时、技术等设置值或强制I/O状态。

四是人工智能：前期可以进行图像识别，后期具备逻辑自我判断功能。

五是通信联网功能：IMCU采用5G技术实现中心化或者对等化网络机构进行的无线传输，实现与上位计算机、智能仪表、智能装置之间的通信。

六是节点IP化：通过赋予每个节点的IPV6地址，并通过标识解析系统有效的解析，可以在任何地方有效对设备进行有效寻址。

七是极高的安全性：确保设备能具备极强的抗工业现场干扰问题。

八是软件指令：通过现有计算机指令种类和图像编制能力丰富的特点，达到处理能力和控制能力越强。

与传统的PLC相比，IMCU技术上具有以下特点：

一是软硬件体系结构上，传统的PLC结构封闭、兼容性差，IMCU体系开放、兼容性强，支撑实现网络及协议、I/O模板、编程语言及指令系统的通用兼容。

二是多任务执行上，目前PLC无法完全满足需求，IMCU可以实现每个模板执行各自的任务，控制与其执行任务相关的I/O模板。

三是网络能力强化上，目前仍有较多的现场设备无法与PLC相连，IMCU实现跨地区的编程、监控、诊断、管理。

四是处理高速化上，許多传统的PLC没有通信功能，无法实现高速运行和实时通信功能。IMCU具有通信功能，可借助无源数据总线消除系统的瓶颈，提供高性能的分布式实时控制系统的解决方案。

五是软件集成化上，软PLC还存在不能满足硬实时、可靠性还有待加强等问题。IMCU可将可编程序控制器的编程、操作员界面、运动控制、程序调试、故障诊断和处理、通信等集成为一体，有效地集成到ERP系统。

六是安全可靠性上，具有冗余、相异、自检测的可编程序控制器已经出现，但是价格普遍昂贵，无法满足众多中小企业的需求。IMCU依托5G、标识解析等技术，具有极高的安全性。

3.3  IMCU的关键技术分析和可能面对的挑战

作为一种完全替代和升级PLC的产品，具有兼容PLC的显著特点同时超越PLC性能指标的产品，必须充分利用已有的技术并融合现代科技发展的最新成果。因此在未来发展的过程中，IMCU涉及的主要技术问题和可能面对的挑战如下：

（1）核心芯片的研发

目前5G的标准和技术还没有完全成熟，市场上5G的芯片只有高通和华为两款针对eMBB场景的手机芯片。而本项目中最需要的5G两个应用场景uRLLC和mMTC的标准Rel-16将在2020年才会提交。能同时满足5G三大或其中两个应用的场景的芯片还未问世。

（2）标准接口的确定

现有PLC具备比较完善的输入输出接口，未来IMCU是兼容现有的PLC丰富的输入输出接口功能，还是只具备标准接口，而将接口形成全球统一的标准对所有设备厂商开放，让所有设备厂商提供的设备具备对IMCU接口，还有待进一步研究确认。

（3）中央控制电脑的软件开发

IMCU的主要控制软件还集中在边缘服务器和中心服务器上，所以必须借鉴现有PLC编程语言，开发出一种能充分利用服务器资源，容易上手学习编制的全球统一的标准软件。由于IMCU直接放置在边缘服务器和中心服务器上，必须有对其他软件开放的接口，以便其他软件提取它所关心的数据。

（4）响应速度的保障问题

5G标准的时延极速为1～10 ms，从理论上已经完全满足工业现场执行用户程序的速度速率要求，但IMCU的传输依靠无线，有很大的不确定性，目前只依靠5G基站的切片技术可能还无法满足。未来，必须通过大量的试验，模拟不同的场景进行有效测试和检验。

（5）抗干扰性

无线信号从1G发展到4G，但一直没有在工业控制现场中得到应用，其无线信号抗干扰性一直没有得到工业界的认可。5G提出了传输可靠性高于99.999%，但由于IMCU的直接安置在设备端，同时工业控制现场中有些现场的电磁环境非常恶劣，所以同响应时间一样，同样需要通过大量的试验。

（6）标识解析中有源IP的注册和及时更新

每个IMCU均有IP地址可进行寻址控制，同时必然要在我国目前的标识解析系统中进行有效注册，因此在系统软件运行过程中，如果每次均需要标识解析系统对地址进行解析，而目前从现有的材料中还无法得知解析时间，因此可能会影响整体的响应时间。

（7）企业现有软件的开放程度

IMCU可以让最底层信号直接接入到企业管理层和行业平台层，打破现有ERP、MIS和平台对现场数据的获取方式，会得到更加丰富的现场数据量和种类，对现有的工业控制理论体系进行完善和丰富。但这也是对目前现有的企业信息管理层、软件厂商是一个巨大的冲击，需要考虑现有软件的开放程度。

（8）IMCU系列化的确定

由于工业现场要求控制的要求多样化，目前市场上推出的5G芯片功能复杂，还没有用于物联网使用的单一功能的5G芯片。同时，由于目前工业现场控制中输入设备有很多是价格便宜的无源产品，考虑到按需所求的原则，同时也为了追求更好的性价比，可以按照需求和价格对IMCU进行产品系列化。

（9）工业控制的安全性

使用IMCU进行传输即将面类两大安全问题：一是工业安全，确保工业制造设备的信息在网络上无法寻找;二是控制信号在有线网络中还无法进行有效保证安全，就直接进行无线的传输。IMCU的网络安全可以依托工业互联网2.0标准中对安全的要求，进一步提升安全的等级。

（10）在蜂窝网络通信和D2D通信的有效判断和切换

如何在一个企业控制系统中让众多的MUC单元、边缘服务器、中心控制服务器、公有云和行业平台之间的联系和通信在蜂窝网络通信和D2D通信两种模式中进行有效判断和切换，以确保整套控制系统时间响应最快、负载最均衡、控制最合理，目前还没有一个很好的理论模型和说法。

3.4  IMCU技术发展线路图

由于IMCU的定型、推广、批量生产和最后的广泛应用，需要在工业控制理论的认识上达到高度一致，同时它又和工业互联网技术、人工智能和5G的发展息息相关。所以，提出了IMCU技术发展线路图（如图5所示），为IMCU的发展提供理论基础和技术支持。同时，IMCU的发展还需要政产学研用各方共同构建产业发展生态，推动产业环境的成熟、为产业发展提供必需的政策支持。

4   结束语

本文对IMCU展开了初步的研究探索，给出了其内涵定义、整体框架、主要功能以及技术路线图。但是，PLC的发展已经非常成熟，要想研发出一种替代PLC的方法和产品，是一个漫长的过程。接下来，为了推动IMCU更快的发展，一方面，要考虑核心芯片的研发、标准接口的确定、中央控制电脑的软件开发、响应速度的保障问题、抗干扰性、标识解析中有源IP的注册和及时更新、企业现有软件的开放程度、IMCU系列化的确定、工业控制的安全性、在蜂窝网络通信和D2D通信的有效判断和切换等技术问题;另一方面，亟需从技术标准、产业生态以及政策规划等多个维度开展工作，给予IMCU发展更全方位的支持。

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