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2020第二屆中國智能展覽會
PLC

“工業芯”PLC的困境與突圍

  2020年03月16日  

  我國城市地鐵使用的大型PLC控制系統一直被西門子、施耐德、羅克韋爾三個品牌壟斷著,直到和利時的大型PLC產品研發成功,才實現了該領域的自主可控。然而,國產PLC控制系統的產業化推廣之路卻并不平坦。

  在每個地鐵車站里,照明燈點亮或是熄滅、電扶梯上行或是下行、每扇屏蔽門打開或是關上、通風和給排水設備開啟或是關閉……這些看似平平常常毫不起眼的設施,背后是怎么管理的,來去匆匆的乘客很少有人會注意到。其實,對地鐵車站中的供電設備、機電設備的控制,對車站防災系統的管理,對車站每個末端開關的控制,都要依靠后臺的“城市軌道交通用大規模網絡化高可靠PLC控制系統”來操作和完成。

  PLC全稱可編程邏輯控制器(Programmable Logic Controller),實質是一種專用于自動化控制的工業計算機系統。城市軌道交通是一個龐大而復雜的系統,以PLC、SCADA為代表的軌道交通自動化系統是保障運營安全、提高運輸效率的核心技術裝備。

三選一的固定模式

  地鐵車站內的PLC主要應用于軌道交通的綜合監控系統、車站環境監控系統、牽引供電系統、低壓配電系統、照明系統、應急電源系統、變電所綜合自動化系統、屏蔽門系統、電扶梯系統、給排水系統……這樣的應用場景對大型PLC產品的安全性和可靠性的要求非常高。在深深的地下,如果照明控制失靈導致漆黑一片,如果電扶梯的上行下行出現混亂,都可能會引發事故甚至造成人身傷亡。所以,站在地鐵管理者的角度,他們更愿意選用國際上知名品牌的比較成熟的大型PLC產品。

  多年來,地鐵選購的城市軌道交通用大型PLC控制系統基本都是西門子、施耐德、羅克韋爾這三個品牌的產品,甚至發展到在項目招標時,招標文件里就赤裸裸指明說大型PLC系統必須在這三個品牌中3選1。

  為什么在大型PLC領域,我國的企業鮮有涉足呢?因為產品研發投入大,研發周期長,中小企業根本無法完成。即使是小型PLC控制系統,雖然國內很多廠家都在研發生產,但也只能做硬件開發和系統集成,核心的組態軟件和實時控制引擎則直接購買德國的產品拿來用。這種軟硬件適配的方式卻不能應用在大型PLC控制系統的研發中,因為雙機冗余同步很難做到,也難以通過各類安全認證。

  PLC控制系統是工業實現自動化、智能化的基礎,也就是相當于計算機系統中的“芯片”,即所謂“工業芯”。在中國,工業系統中的大型PLC基本都是采用進口廠商的產品,也就是在用國外的“工業芯”,如果國外不再給中國提供產品,那我國的工業發展就會出現障礙。

  為解決地鐵站里的“卡脖子”問題,2014年,和利時集團承接了工業強基專項“城市軌道交通用大規模網絡化高可靠智能PLC控制系統項目”,該項目計劃總投資8745.32萬元,項目實際完成總投資8756.22萬元,投資完成率100.12%。

  在強基專項的支持下,和利時基于二十余年的工業控制技術積累,與北京地鐵緊密合作,以西門子的S7-400和羅克韋爾1756系列等高端大型PLC為參考目標產品,自主研發了城市軌道交通用大規模網絡化高可靠PLC控制系統。經過2年的努力,共研發了20余種PLC模塊產品和軟件。項目研發的PLC系統的性能和功能均達到西門子S7-400和羅克韋爾1756系列等國際同類產品先進水平,并通過了CE、UL、阿基里斯等電氣安全和信息安全國際認證。

  終于,在我們自己的地鐵車站里,可以用上我們自主研發的大型PLC控制系統了。

研發與應用

  項目伊始其實并不被看好,計劃總投資8745.32萬元,如此大的開發投入,作為一家民營企業,和利時必須考慮項目的投入產出比。和利時集團技術總監朱毅明給記者算了一筆賬:“大型PLC產品一年大致能夠銷售3000萬-4000萬元,可整個的研發費用大概也需要三四千萬。市場的銷售毛利約20%-30%,純利潤的百分比也就是個位數了,從財務層面分析,這個項目一點意義都沒有。投入產出比如此糟糕,使得當年的經營決策做得非常困難。”

  雖然該項目產生的經濟效益將很不理想,但大規模PLC是保證城市軌道交通安全高效運營的核心基礎裝備,開發具有自主知識產權的大規模PLC控制系統并實現產業化,可以促進和拉動高端制造業的發展,對國家戰略安全具有實際意義。因此,和利時集團堅持項目開發,努力承擔起企業的社會責任。也是因為這份擔當,很多項目開發骨干面對華為、阿里、騰訊高薪酬的誘惑,面對互聯網行業的風光前程,卻能堅守在基礎工業領域,全身心地投入到大型PLC系統的研發中。

  在產品研發階段,和利時引入新的管理方法,建立基于IPD的研發管理體系,打通各部門之間的壁壘,實現項目部、開發部、工藝部、生產部、測試部的協同工作,使項目按計劃和目標穩步推進,研發的成本和質量都得到了比較好的控制。面臨人員緊張、技術難點多等困難,項目經理采用扁平化的管理思路,增進與項目各小組成員的溝通,聯合外部專家,集中攻克了一批關鍵技術難題。

  大型PLC項目的核心研發團隊主要設在西安,共30多人,團隊中每個人壓力都很大。軌道交通用大型PLC控制系統對安全性和可靠性要求極高,使用時只有一次機會,一旦出現問題,或者在一個地鐵站里運轉不利,那就不會再有其他地鐵選擇使用了,諸多努力都將付之東流。所以,研發團隊任務繁重,日以繼夜地連軸轉。

  規模網絡化PLC是一項綜合性技術,需要長期持之以恒地研發投入和多種行業的大量應用實踐。因此在本項目執行期間,與國內多家科研、用戶單位有著廣泛而深入的合作,實踐證明這種合作成效非常顯著。例如,與機械工業儀器儀表綜合技術經濟研究所合作形成“大規模PLC技術評估體系和方法”;與北京軌道交通建設管理有限公司深度合作,將產品開發與應用結合在一起,設計符合用戶實際需要的產品;與北京地鐵緊密合作,將成果成功應用于北京地鐵14號線……

  城市軌道用大規模PLC的研制開發是一項復雜的系統性工程,該PLC涉及多項關鍵技術,需要不同專業的研發人員協同開發。和利時基于多年的PLC開發實踐經驗,對PLC軟硬件開發中的共性技術進行模塊化封裝,沉淀到統一的技術平臺,每個模塊預留標準接口,實現不同職種開發人員的搭積木式的快速協同開發。雖然項目面向城市軌道交通應用場景,但新的共性技術也能進一步豐富技術平臺,為其他應用場景的PLC產品開發奠定基礎。

  本項目PLC支持新型的實時工業以太網。在產品開發時,和利時積極與網絡產品廠商溝通,并與網絡產品廠商成立專項組,為PLC系統的應用,開發配套的網絡產品,為用戶提供一站式解決方案。同時,針對地鐵綜合監控系統的互聯互通要求,PLC產品集成豐富的開放協議,保證地鐵設備系統的無縫集成。

  和利時作為國內領先的地鐵綜合監控系統集成商,對PLC產品的應用需求有著深刻的認識,為PLC產品的開發提供了很多重要的輸入。此外,和利時產品部又充分調研了國內其他系統集成商的PLC需求,在產品定義時吸收眾多用戶的基礎需求,提煉用戶的創新需求,融合用戶的前沿需求,保證了產品未來十幾年可持續發展的競爭優勢。

  研發過程重要,現場應用更為重要。在大型PLC控制系統投入使用后,和利時的技術人員每天都到地鐵現場檢查PLC的運行情況。曾經有個車站的PLC輸出模塊偶爾出現通訊中斷,他們連續蹲在現場一周。由于白天地鐵在試運行,每次調試只能等到晚上12點地鐵停運之后。經過一周的記錄和分析,他們終于找到原因,解決了問題,保障了地鐵的正常開通。

產業化推廣困境

  和利時的軌道交通用大規模PLC控制系統研發成功后,首先應用于北京地鐵。

  北京地鐵的國產化之路可以追溯到1969年開通的1號線,當時的北京地鐵既沒有渠道,也沒有資金進口國外的系統,使用的是我國自主研發的控制系統。作為中國最早運營的,且常年在沒有國外技術支撐的條件下運營的地鐵,北京地鐵對自主研發的控制系統已具備了強大的自信心和適應力,其國產化力度在國內是最強的。

  目前,和利時軌道交通用大規模PLC控制系統已經在北京14號線、燕房線得到應用,其中北京14號線共37個車站,和利時的PLC系統總共控制了超過1萬臺機電設備,IO點數超過12萬點。2018年,和利時又中標北京17、19號線。

  第二個向和利時拋出橄欖枝的是新加坡地鐵。

  因為和利時的大型PLC控制系統通過了一系列的國際安全認證,更因為其在北京地鐵成功應用的良好業績,和利時獲得了新加坡軌道交通湯申線環境控制系統的供貨合同,順利進入發達國家市場。

  反觀國內,像北京地鐵這樣支持國產PLC系統的用戶有一無二。迄今為止,除了北京以外,國內沒有任何一個城市的軌道交通線路愿意選用和利時自主研發的PLC控制系統。也許是出于“外來的和尚會念經”的思維模式,也許是缺少北京地鐵對國產化PLC系統的信心和信任,其他城市選購軌道交通用大型PLC控制系統時,依然沒有跳出西門子、施耐德、羅克韋爾這三個品牌產品的范圍。

  走出北京,和利時的市場推廣人員處處碰壁,對方或者干脆閉門不接待,或者溝通之后又通過各種渠道遞來消息:不計劃選用國產品牌。更有甚者,為了將和利時拒之門外,有針對性地在應用城市、應用項目數量等方面提高準入門檻。盡管和利時自主研發的產品已經可以媲美西門子、施耐德、羅克韋爾等巨頭的成熟產品,而且相比國外系統,價位低了30%-40%。

  面對這些尷尬困境,和利時只能采用主動提供設備試用、技術人員現場講解等“賠錢賺吆喝”的方式,逐步取得用戶對國產大型PLC系統的信任。

  “其實,只要給我們機會,加上我們雄厚的技術基礎,我們就能發展下去。和利時在高安全控制領域深耕多年,我們產品的可靠性完全沒有問題。可是很多時候,因為在準入門檻上的故意為難,我們就連入門的資格都得不到,產品推廣過程非常艱難。”話題談及此處,朱毅明滿臉無奈。

前路漫漫

  目前,大型PLC系統的國產化率約1%,和利時占了其中的絕大部分。他們的“城市軌道交通用大規模網絡化高可靠智能PLC控制系統項目”取得銷售收入14738.52萬元,利潤總額1585.99萬元,上繳稅金204.59萬元,項目期內大規模PLC的產能達到18201套。這個被列入國家工業強基專項的產品是第2代產品,和利時正在研發它的第3代產品,使用的是國產的龍芯CPU,在3代產品中,元器件數量和品種的國產化率達到95%,已經可以徹底解決該領域的“卡脖子”問題。

  雖然過程艱辛,前路漫漫,可和利時仍然會堅持項目的不斷研發升級,項目研制的PLC系統不但可應用于軌道交通領域,更可應用于高安全要求的工業制造和工業基礎設施領域,為智能工廠和數字化車間提供自主可控的基礎自動化系統,滿足重大工程自動化成套控制系統的市場需求。不僅如此,在水電領域,和利時正在和三峽集團洽談,將大型PLC控制系統產品應用在三峽工程的升級改造中。而作為PLC主戰場的冶金行業,和利時也將攜自己的大型高可靠PLC產品,去挑戰西門子在該領域的絕對優勢。

  未來是值得期待的,隨著我國在PLC產品研發上加強投入,產品日臻完善,國產化的PLC一定能夠在離散制造、化工、水電、輸配電、軌道交通等關鍵工業行業完全媲美進口產品,擺脫對國外技術的依賴,真正實現用中國的“工業芯”制造中國的工業產品。

  張通 本刊記者

  本文發表于《中國工業和信息化》雜志2020年1/2合月刊總第20期

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