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PLC江湖波澜不惊 自动化风云录

2021-08-31彭瑜 林雪萍

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皮实、简单、可靠,这就是自动化控制系统的全部要义。智能制造的根基,也未能离开这一点,而可编程控制器PLC,则是一个传奇的产品常青树。

   皮实、简单、可靠,这就是自动化控制系统的全部要义。智能制造的根基,也未能离开这一点,而可编程控制器PLC,则是一个传奇的产品常青树。

崛起之后就是洗牌

   借助福特汽车产线的驱动力,美国莫迪康Modicon公司率先在1969年制造出第一台可编程控制器PLC。这是一个划时代的产品,如果按照德国工业4.0的说法,这是工业3.0开始启动的标志。如果把MO-DI-CON拆开了看,还是大有讲究的,它代表“模块化MOdular-数字化DIgital-控制CONtorl”三个字意思。这实在是一种经典传世的设想,五十年后今天的自动化领域,似乎都未曾离开过这个圈圈。

   这种简单部署、成本相对较低的控制器,随后在机器产线上风靡。全球自动化界为之卷动。从70年代开始特别是80年代,到处都是PLC品牌的大发展。在日本,正是机械大发展的时代,机械与电子融合迅速成为日本自动化崛起的契机。日本富士、欧姆龙、日立、安川、东芝都有PLC,像安川就是购买Modicon许可证。在美国,除了Modicon,还有SquareD,瑞恩Reliance、AB等。法国的Telemachanique的PLC也不错,至今在港机大吊车上依然能够看到。新开的边疆,到处都是热土,到处都是新兴者的乐园。西门子也在这个时候,走向了PLC控制系统的舞台。

   1980-1990年,是一个PLC亮出底牌的十年,技术诀窍变得不再神秘,企业家的管理开始发威。春秋无义战,收编时期开始。经营不善的Modicon也开始成为德国一家公司的猎物,并在辗转之后,卖给了施耐德 。法国TE也被施耐德收购。而反应灵敏的罗克韦尔,则在1985年并购了百年老店AB,并在1995年收购瑞恩电气,从此在自动化控制领域彻底站稳脚跟。至此,美国四家最早的PLC公司,全部被收购。

   在日本这个内卷也很厉害的自动化市场,三菱电机脱颖而出。在1985前后,根据市场调研公司F&S的报告,在日本市场上三菱电机跟欧姆龙差不多,都是20%多。然而仅仅到了80年代末,日本市场已经是三菱独占50%。它只给欧姆龙、富士以及在传感器战无不胜的基恩士等同行,留下越来越小的市场。

   到了1995年代,反复洗牌的PLC市场,基本呈现了明朗的态势。开创者Modicon在1996年被施耐迪电气收购之后,PLC发展的历史基本进入平静期。自动化控制系统的角色,像一处迟迟不能散场的演出,舞台的角色比观众的寿命还要长。

长盛不衰的角色

   在这样的一个舞台上,西门子、罗克韦尔、三菱电机等,基本是长期盘踞国际市场PLC的头部位置。这有着技术实力、质量保证体系,以及培育用户策略的综合性支撑。

全球PLC市场

图 全球PLC市场(Source:美国ARC咨询公司)

   时间回到1983年。德国埃尔朗根西门子的PLC制造厂,当时只做中大型的PLC S5系列,而且很少对外销售,大部分是自己的工程配套用的。令人印象最深的是PLC的设计开发人员只有十几个人,而管制造工艺和质量控制的部门有三十多人,而且大部分是博士,实力之雄厚是前者的两倍。仅就这一点,没有哪一个国内自动化制造企业可以比。国内企业里技术最强的一定是开发设计部门,工艺和质量部门一定尾随其后。

   而在90年代,如果去日本三菱电机参观访问,不能错过专门做小型PLC FX系列的姬路制作所。一个面积不算大的车间承担了全部FX系列的各种模块的生产。生产安排以半小时为一批,生产的品种和数量在看板上列出,记忆中每批就五六个品种、几百台的数量。令人惊讶的是元器件做到了零库存。每一批生产产品需要的元器件在半小时前由物流车送达,装在黄色的塑料盒内。除了元器件上料和整机下线后的老化有人辅助而外,生产线是全自动的,印版的焊接以至整机的装配都没有人干预。这种生产方式国内至今也难以做到。国内深圳有家生产PLC的公司,为了怕关键元器件断档,需要半年的库存量。对于PLC这种成本锱铢必较型的产品,库存,不仅仅是罪恶的,而且是致命的。

商场决战,大学早已定音

   PLC的用户使用习惯,对于一个品牌而言,是一个巨大的护城河。很多在校学生习惯了某种品牌的PLC之后,走到社会上往往也会下意识推荐工厂使用。

   西门子培育PLC用户的方式,可见一斑。它往往以极低成本给许多工科大学广泛提供PLC实验室,使得好多的大学开PLC的课就按机型教学。可以说,这些PLC充满了工科大学和高职高专的实验室。而在大学课堂里,很少会认真传授PLC控制标准的底层通识性内容(如IEC 61131-3标准规范等),而只传授品牌PLC的使用方式。这让大学生的教育,陷入了一个只知道表象,而无法探究底层基础原理的怪圈。这是当前非常普遍的现象。

   在工业软件领域也是如此。学校热衷于传授国外软件的使用,学生则在工具的支撑下做着绚丽的图表。MatLab软件,几乎是高校理科生的必备软件,轻松进行各种仿真画图。然而,这种软件,也会遮掩掉最底层的原理推断,切断了大学生对物理本原的思考,也阻断了创新回路。有些有识之士,干脆不允许学生在研究生论文使用Matlab,就是从傅里叶变换这种最基础的数学公司开始。开人脑路,才是大学理工科教育最重要的方式。

   西门子也会花费大气力,扶植出版机构,出版大量的西门子PLC的使用教科书。甚至培养和支持了很多著名的教授团队,写了许许多多西门子PLC、人界面HMI等的畅销教科书。据说有的书已经销售二三十万本。这使得这些PLC有了庞大的初学者基数。与此同时,“西门子杯”中国智能制造挑战赛,有上千大学和院校的参加,已经都进入了十五届,也都是教育部官方认可。

   教育部自动化教学指导委员会召开的会议上,也有很多人对PLC的通识教育很感兴趣。但似乎没有人能够改变这个局面,也很少有大学能够落实。

   这样做其实并非西门子的孤例。三菱、罗克韦尔在大学院所实验室和培训教材的布局,也是同样的套路。有哪个大学,会拒绝企业主动提供的硬件、软件和配套教学书呢?而它带来最直接的结果就是,各科大学,各个技校的毕业生,就会成为这些PLC品牌的超级粉丝和拥趸。如果说工厂里PLC使用者,决定采购何种品牌,那么大学里的实验室就是品牌教育,而培训教材则是第一采购指南。

   深耕大学青年学子,这是一种精明的策略。上图原副馆长缪老介绍说,好多年前英特尔、高通和德州仪器这样的巨头们,就会瞄准创客市场,像大炮打蚊子那样研制大学生用得起的高质量基板和软件。这些企业当然不是慈善家,他们另有谋划。大学生创客的人海中,只要有很小的比例最终能够成器,那就是一个未来的大市场。对于大学而言,这些都是乐见之事。毕竟要在大学里,去培养人的“好奇心”,是很难以在各种大学排行榜上体现出权重。然而,提升国家竞争力的深水区或许就在这里

   当然,这种方法,从市场角度看似乎也无可厚非。这应该算是教育和企业试图联合推动学生技能培养的一部分。对于工厂而言,也欢迎这样提前有一技之长的毕业生。只是,高校职高的认知与技能培育,会形成一种逐渐发酵的机制。大学教育者只是从前端只看到了一块面团,而真正面包的生意,是教授者没有见到的市场。

失败的追赶者

   美国通用电气GE的PLC,则是PLC行业中追赶的苦行僧,修炼很苦,道行很差。在国内的市场份额也不大。在GE的自动化历史上,曾经有三次大型行动,意图扭转在控制系统的落后局面。

   早在1993年前后韦尔奇刚刚上任的时候,新官三把火,第一把火就指向统一控制系统的工厂。那个时候,它拥有跟日本数控系统老大FANUC的合资公司,在机床控制有着很好的优势。这个以“未来工厂”命名、用单一控制系统,来整合所有机器的控制系统。当时数控系统,还是处于萌芽期,机器接口更是五花八门。这一大张旗鼓的行动,以耗费10亿美元而落败。在追求自动化大统一的战场上,GE栽了一个大跟头。这次技术上的失败,不过是一个小小的战术瑕疵,淹没在韦尔奇传奇的管理故事之中。GE的PLC继续保持颓势。没有人愿意提及这一点,GE控制系统在前进的道路上,还有更大的坑,等着抹掉记忆的人掉进去。

   2001年美国自动化咨询公司ARC提出来PAC(可编程自动化控制系统),这是一个基于PLC控制和基于PC控制的混合体。意在通过开放的自动化控制标准,既有PLC编程简单成本低廉的特点,又有PC-Based强大的计算能力。PAC的概念,得到了GE Fanuc公司的积极响应,2003年发布了相应的产品。然而,似乎缺乏控制基因的GE,仍然无法通过PAC来改变面貌。实际上,机器控制要求高度可靠,无法直接采用PC技术来实现。英特尔芯片在工业环境,表现弱爆,散热问题需要专门解决。要把芯片改造成适应PLC结构的模块,有很多工作要做。这非GE特长。而PAC在软件方面,没有做到面向对象、可建模的程度,于是这更像是一个噱头。随着旗手GE的弱势,PAC概念也就像一阵风的刮过去,市场上仍然是PLC的天下,只是基于PC控制的PLC结构已经开始呈现倔强的生命力。

   2016年,GE与FANUC平静地分手。这场三十年的婚姻,双方各自分得家产,Fanuc保留数控领域的全球业务,而通用电气公司则继续保留软件,嵌入式系统和控制系统的全球业务,再加上前一年收购阿尔斯通也继承了一部分自动化业务,现在统称为智能平台GE-IP。这场合资的结果,被看成是日本制造蹭美国大腿的一个经典案例。美日合资没有不失败的,基本都以日本胜出而告终,无论是在机床,还是半导体,甚至还有汽车。在这三十年,日本FANUC已经从名不经传的数控系统,成为全球数控系统的王者地位,只有西门子才能与之匹敌。GE成功地将自己的渠道,做成了输液管,FANUC趁机扩散到整个北美市场。GE则仍然一脸茫然地面对多年来无法搞定的PLC市场。

   此时,GE应该并没有意识到这是另外一次的失败,因为它有着更大的宏图正在展开:那就是工业互联网。GE已经坚决走向了数字化的路线。这次是Predix工业互联网平台。英雄造势,振臂高呼,天下机器,在此一联。这次打前锋的则是工业软件,思维方式又是大一统的控制平台。然而,应该说这次控制系统的振兴,选择一个糟糕的机会,首先是全球能源环境发生巨大变化,GE在这方面的投资出现巨大亏损;其次还有很多金融信托问题都一一暴雷。重要的是,工业互联网迅速开始褪色,证明自己光靠烧钱是不可靠的。对于需要强力支撑的工业而言,它还只是一条婴儿的小腿。

   2018年,由于整个产品线受到了大环境的影响,GE数字化战略也因此受到了严重的干扰。GE不得不以22亿美元低价格,将整个GE-IP智能平台,卖给了流程行业的自动化巨头艾默生,后者一直试图在混合流程行业有所作为。

   三次意欲一统机器江湖的失败,让GE应该彻底凉心。但GE自动化平台GE-IP应该感谢艾默生的野心,否则只有2亿美元的自动化业务,很难在当时卖出10倍的价格。然而,包袱终究是包袱,接手了GE多年郁闷不得志的PLC,艾默生最近三年也没有什么太多进展。

如果说有破局者

   根据MIR睿工业咨询的估计,中国PLC市场大概有130亿元人民币的规模。而PLC的主阵地,在于机械设备制造市场,大约占比70%左右。其余则分布在各种工程项目中。西门子以覆盖小到大的产品广谱占据了国产市场40%左右的份额,而欧姆龙、三菱电机、罗克韦尔和施耐德则尾随其后。各自定位不同,罗克韦尔,则基本放弃小型PLC,专注在中型PLC之上。而日系在小型PLC市场有很大的发言权。

   在传统PLC厂商的夹缝中,如果说表现卓越者,则有很小众的德国倍福和奥地利贝加莱(已经被ABB收购)的基于PC控制,抢出了一片生存空间。他们基本都是从高端市场切入,走高端市场低成本化的路线。

   这是一种不同PLC简单图形编程的道路。倍福采用了控制和软件同步发展的策略,并且结合有力的通讯协议,软件/系统工程方法,实现了局部领域的突破。在中高端应用上,价格比西门子公司便宜,而且非常灵活。它充分展示PC机在软件工程方面的灵活性和开发性。倍福还通过提供软件开发套件的方式,支撑第三方厂家的深度定制需求。在这方面,那些领先的PLC厂商基本上是不会对外开放。

   考虑到PLC在低廉成本、用户习惯成为天然壁垒的局面,经营利润太低的PLC并不是一个好的选择。对于大部分工业厂家而言,卖掉PLC反而是明智。这跟大企业很难进行大型自研工业软件的开发,是一样的道理,经济性往往很差。

   而倍福和贝加莱,都早早地意识到了成本的问题,因此二者不约而同,采用了相同的策略,那就是高度重视细分行业的特殊功能模块的开发。

   施耐德电气,则在最近几年呈现了更加积极的进取心。在美国倡导发起的开放自动化体系中,施耐德电气表现得异常活跃。作为一种开放环境的编程语言61499,成为自动化界一股新锐热潮,它基于模型的编程思路使得软件硬件解耦成为可能——这将打破生产线改动时所形成的漫长的调试切换。而施耐德似乎全力拥抱这种新的自动化规范,在整合了老牌Modicon和TE的PLC产品后,已经将Unity Pro软件作为未来中高端PLC的统一平台。

国产的路径

   中国制造一向以低成本而著称。这听上去像是说,凡是低成本制造,中国所向披靡。然而,还真不是这样。在自动化领域,可编程控制器PLC以其编程简单、成本低廉一直是稳稳的常青树产品。但这个领域,中国PLC制造商,还没有形成决定性的力量。

   可喜的是,这期间有很多挑战者。和利时、浙大中控凭借早先在过程自动化控制市场的积累,加上南大傲拓,在大型PLC领域也都有一些突破。但在离散制造业的PLC,尚未形成真正的挑战。目前看上去深圳汇川和无锡信捷,已经有不错的表现。但根据智研咨询的报告,在2019年,这两者加起来的市场份额,在整个国产品牌中也只有5%。

   被称为小华为的汇川正在积极突围PLC领域。2020年汇川收入不到120亿,但目前市值已经接近2000亿。真是惊人的溢价。那么汇川能在PLC领域,杀开一条血路吗?

   从既有的路径来看,德国倍福,奥地利贝加莱的思路,是往高端做的突破口。剩下的两条路,无论是做工艺配套,还是硬件成本血拼,都是比较狭窄的道路。

   就中低端控制系统,各家自动化厂商,都会有自己的硬件。如和利时,中控等企业,工程项目依然很重。要养活庞大的的工程实施团队,继续血拼控制系统是必须的。

   汇川更是有这方面的动力的,它要为自己的伺服和变频器而战。目前看上去,汇川的产品还是过于零散,小诸侯太多,但还缺乏强有力的粘合剂,能够将不同的驱动、伺服产品、控制系统整合在一起。最好的方法,当然还是软件平台。正如西门子的策略,采用TIA博途,将各个产品连接在一起。施耐德电气也很好地利用了Eco Sturxture的平台力量,将所有变频器、PLC、人机界面甚至低压电气,都统合在一起。

   实际上, PLC硬件背后,还有一个沉默的尖刀:那就是软件编程平台。

   这是一个狭小的市场。能够符合开放式PLC的61131-3编程平台,绝大部分都留给了3S公司的Codesys,和另外一个相对不知名的一方梯队Infoteam。作为第三方的PLC编程软件,Codesys是控制系统的隐者。像倍福、施耐德电气都有Codesys的影子。以电气连接见长的菲尼克斯则收购了另外一家KW编程平台,该平台正是三菱PLC进行二次开发的基础。而罗克韦尔则花费大气力开发了自有的编程平台。可以说,在自动化圈子里,看上去体量有些单薄的罗克韦尔(2020年营收为63亿美元),是最注重自我平衡的一家公司。为了避免各种眼红的自动化巨头的并购,罗克韦尔极尽腾挪之术,在外部构成了各种联盟。而在内部,则非常注意加强软件部门的投入。

   实际上,让汇川最难受的应该就是它也坐在了Codesys的椅子上。太师椅,还是老虎椅,只有汇川自己知道,但看上去它也要向这种如坐针毡的局面告别了。然而,要彻底摆脱Codesys编程环境,还是路途遥远,不见星光。

小记:OT不点头,IT莫进来

   借助于工业现场的复杂性,和恶劣的环境——现场的油腻气味似乎让白领IT人员望而却步,自动化厂商,已经证明了它可以继续在数字化制造中大浪中闪闪发光。而PLC这个半百老翁,更是精神抖擞地挺直了腰杆。物联网,工业软件都让它变得更加强壮,进一步确立了它在自动化领域的中心位置。如果不能进入控制领域,工业互联网就没有进入主战场。PLC就是这样一个标杆。而四面八方的制造信徒,则有足够多理由继续向它的地盘发起进攻。
 

   作者简介:

   彭 瑜:上海工业自动化仪表研究院,PLCopen中国组织

      林雪萍:南山工业书院发起人,北京联讯动力咨询公司总经理

   鸣谢和利时的丁研、奥特思的张海伟、致迪的周舟给予的大力支持。

责任编辑:杨培
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