★ PLCopen國際組織中國 嚴義，吳紅娉

1   PLC發展需要OT操作的數據庫

很多年前第一次與廈門宏發設備研發部門討論如何解決繼電器自動化生產線斷線故障診斷與預測問題， 當時企業研發部選用倍福的帶Visual Studio開發環境的PLC，它可以與windows的MY-SQL結合。但是，現場OT工程師提出了開發IT數據庫的困難。

隨著智能制造的持續推進，離散制造系統正在經歷一場深刻變化。過去， PLC的主要任務是讓設備按既定順序動作，讓產線穩定、可靠地運行；今天，制造系統不僅要完成邏輯控制、順序控制和運動控制，還要在生產過程中識別異常、沉淀經驗、追溯質量，并在數據基礎上持續優化工藝。控制系統的價值正在從“執行控制邏輯”轉向“支撐數據驅動決策”。在這一背景下， PLC的新技術不再只體現為硬件小型化、網絡高速化或運動控制能力增強，而是進一步體現在數據處理能力能否直接內生于PLC。

近年來，西門子、倍福、菲尼克斯等主流PLC廠商已經提供面向數據庫訪問或SQL集成的工程化方案，說明PLC直接執行數據寫入、更新與查詢在技術上已經可行。但是，從行業整體看，這些能力大多仍以廠商專用庫、獨立服務器軟件、平臺插件或應用示例的形式出現，更接近于“PLC可以訪問數據庫”， 而不是“數據庫能力原生于PLC”。按照PLC標準功能塊的思想，把存儲、增刪查改、聚合統計、數據壓縮和智能分析等能力封裝為控制器本體可直接調用的程序單元，使現場OT工程師能夠像調用定時器、計數器和運動控制塊一樣調用數據處理能力。這是原生于中國的PLC技術發展的新方向： PLC的裝備數據庫。

2   PLC節拍模型數據是裝備數據庫基礎

傳統制造時序數據庫將產品生產現場數據以時間戳或單條記錄順序寫入，數據雖然被保存下來，卻很難直接反映離散制造中的工位關系、工步順序、產品節拍和設備約束； 另外， 存儲通過控制掃描周期所采集的海量數據十分困難。離散制造系統以標準節拍為主干節點， 以工位、工步、設備和執行機構為分支節點，形成覆蓋“產線—單元—工位—工步—設備—執行機構”的層級化數據樹。每個節點不僅保存本層級的數據值， 還保存與上游節點、下游節點和同節拍節點之間的約束關系（如圖1所示）。這樣， 一個氣缸動作、 一段伺服軌跡或一次檢測結果， 不再是孤立的數據點， 而是處在完整生產過程中的可定位節點。數據天然帶有過程語義和時序語義， 后續追溯、分析和判斷也就有了更接近真實制造過程的基礎。

圖1

離散制造具有 一 個典型特征：正常工況下生產制造數據高度重復， 異常工況下數據突然變化。 PLC原生數據能力并不意味著簡單地把全量數據全部寫入數據庫， 而是要在控制現場完成更貼近工藝的篩選、壓縮和保留。基于標準節拍的多層級過濾壓縮機制， 根據產品型號， 沿著產品實際加工所經過的設備和執行機構， 在設備正常運行過程中學習各執行機構離散動作的I/O狀態變化，記錄啟動、到位、復位、互鎖等動作節點及其對應節拍時間戳，逐步沉淀形成面向該產品加工路徑的標準節拍模板， 再以該模板作為實時數據流對齊、比對和判別的參照基準數據模型。

在運行過程中， PLC按照“節拍級識別、事件級篩選、異常級保留”的策略， 對實時采集數據進行在線匹配和動態判別。對于與標準節拍一致、狀態穩定的動作節點數據， 系統采用輕量化標識和壓縮表達方式進行存儲；對于節拍越界、動作異常、狀態突變、設備異響或質量偏移相關的數據， 則作為關鍵樣本完整保留。該機制能夠在不破壞生產過程關鍵信息的前提下減少冗余數據量，提高數據組織效率，并為異常檢測、工況分析和質量追溯提供更高價值的數據基礎。

3   PLC裝備數據庫獨有的特點

（1）OT操作語言

PLC裝備數據庫用的是IEC 61131-3標準5種OT語言代替數據庫IT指令與API接口開發數據（如圖2所示），克服OT工程師開發數據庫的困難。

圖2

PLC原生數據能力的關鍵載體是標準化功能塊。將數據表定義、過程節點建模、數據寫入、條件查詢、聚合統計、節拍比對、異常樣本留存和模型調用等能力，封裝為PLC工程環境中的功能塊，就可以把過去依賴數據庫工程師、軟件工程師或中間件系統完成的任務，轉化為現場工程師能夠理解和配置的控制程序單元。這種操作模式與傳統PLC編程習慣保持一致。 一線工程師無需脫離熟悉的編程環境，也無需重新學習復雜數據庫語言或開發框架，只需要通過拖拽、組態、參數配置和邏輯連接，就可以完成數據策略設計。

（2）節拍數據字段

PLC裝備數據庫存放的數據字段是離散裝備生產制造的節拍數據，而非傳統數據庫的數據類型字段（如圖3所示）。

圖3

在PLC系統中，與裝備關聯的數據類型可抽象為2類：IO數字類型與模擬類型。IO數字類型的節拍數據包起始時間與和結束時間，模擬類型的節拍數據包含采集時間和當前數值；IO數字類型的節拍數據是在每一個控制掃描周期獲取，模擬類型數據按照合理的采樣周期獲取，這些數據數量與產品整個完整生產過程關聯，并可以驅動數字孿生，虛實共線生產。

（3）模型數據壓縮

PLC裝備數據庫的核心功能是數據壓縮，保證存儲生產制造完整數據， 其本質是利用了數據模型解決高效率數據壓縮問題。

對于一維類型的數據，裝備數據庫必須在生產產品的前期， 獲得正確生產過程的節拍數據并確保足夠數量， 系統可以根據這些數據自動提取節拍數據的生產制造數據模型；將新采集的節拍數據與這些數據模型比對， 可以實現數據庫的數據壓縮， 其壓縮比與生產過程正確產品和失敗產品的比例相關。

（4）分階段操作

PLC裝備數據庫存儲到應用是一個與制造相關聯過程，分三個階段（如圖4所示）：

裝備數據庫的數據存儲應用不是單一的數據文件的存儲，它包含三個文件分別為：原始節拍數據文件、模板數據文件和壓縮數據庫文件。分別支持三個階段，原始節拍數據獲取并形成數據模型（模板數據），實時數據獲取與數據模型比對形成壓縮數據，數據庫讀取與復原形成可以應用的節拍數據序列。

圖4

4   PLC裝備數據庫的作用

（1）故障預測

隨著我國制造業的發展，全自動化生產線的建設越來越普遍， 一旦設備故障停機斷線將影響整條產線生產進度，因此，故障在線預測代替故障停機報警具有重要意義。PLC裝備數據庫的基礎數據成為解決設備斷線預測的關鍵， PLC裝備數據庫的模型數據可以很方便地作為生產設備與生產線的故障預測診斷條件。

（2）提高生產效率

利用PLC裝備數據庫不僅可以獲取一臺設備運行的全數據，利用生產制造數據優化生產過程節拍，提高生產效率。而且，將相同設備或生產線的裝備數據庫的數據接入，可以通過對比獲得不同設備在相同環節的運行時間，從而有助于解決某一設備環節存在的效率落后問題。

（3）提高產品質量

從傳統的生產制造管理系統（MES）中分析產品質量時，所能獲取的信息主要包括產品批次、工位、工單、加工時間及操作人員等。然而，這一系統在發現產品質量問題時存在較大的時間延遲。與傳統的MES的數據庫的數據利用不同， PLC的原生節拍數據是全面的制造全信息；不僅可以提供產品生產管理所需的信息，更重要的是能第一時間獲取產品質量問題發生的每一個過程動作點和可能造成產品質量下降的制造點。

（4）提高開發裝備控制代碼的效率

通過自動生成節拍模型數據的方式，極大地縮短了設備PLC控制程序的開發時間。傳統開發設備PLC代碼的第一部分是控制主流程，第二部分是設備的故障報警程序。 一般說法這兩部分的代碼量是1:1到1:2的關系， 今后帶裝備數據庫的PLC， 開發效率有望提升一倍。這個開發階段不僅完成自適應報警，進而可以實現設備故障的預警。

（5）工業AI制造與其他

制造業的工業AI核心是需要制造基礎數據， PLC裝備數據庫正好滿足了這個要求。這些原生數據進一步可形成“控制—數據—智能”的閉環。PLC在現場掌握最完整的動作順序、設備狀態和控制時序； PLC裝備數據庫可以保證多個產線工藝的穩定性和生產一致性，從而達到工業AI賦能的效果。通過PLC裝備數據庫多維數據的分析，工業AI的作用得以真正發揮。

PLC裝備數據庫的作用正在不斷被發掘。與工業AI結合，能提供生產信息、設備節能、安全預測、生產計劃優化、制造工藝優化和人員調度優化等等。

5   PLC裝備數據庫的應用情況

PLC裝備數據庫已經在20多家企業獲得應用，如浙江天正集團的斷路器全自動生產線搭載的PLC裝備數據庫正提供預測診斷功能，極大提高設備的OEE；浙江金飛凱達輪轂12條生產線的PLC裝備數據庫為提高效率、節能降耗、安全預警發揮作用；杭州華光新材400多臺材料成型設備運行PLC裝備數據庫用于提高產品質量；杭州凱斯智能技術有限公司正應用該技術開發異型PCB插接裝備的故障報警程序，極大縮短了開發時間。金華匯隆晶片技術在晶振生產關鍵節點用于PLC裝備數據庫預測故障，取得明顯成效。當前杭州義益鈦迪、深圳華龍迅達、浙江南方泵業、舟山中遠海運、蘇州格比智能等越來越多的企業開始應用該技術。

6   結語

建立工業基礎數據并不是用PLC替代MES、 SCADA或云平臺，而是讓PLC成為數據驅動體系中的原生節點。上位系統仍然承擔跨產線、跨工廠、跨周期的管理和優化任務， PLC則負責把現場數據以更高質量、更強語義和更低延遲的方式組織起來。未來，隨著數據庫功能塊、統計分析功能塊和機器學習功能塊逐步完善， PLC將不僅是設備動作的執行者，也將成為生產過程數據的第一組織者和智能判斷的前端承載者。面向離散制造的智能化升級， PLC的發展正在進入一個新的階段， PLC正從“控制核心”進一步演進為“控制—數據—智能”一體化核心；不僅是對PLC能力邊界的一次擴展，更是對離散制造控制體系的一次重構。相信， PLC裝備數據庫將推動工業基礎數據的構建，助力我國制造業邁入“數智化”躍升新階段。

作者簡介：

嚴   義，杭州電子科技大學二級教授，博士生導師。現任PLCopen國際組織中國主席，中國機電一體化應用協會副理事長，浙江省政府咨詢委委員，享受政府特貼專家，曾任浙江省重大專項專家組電子網絡組組長。主要研究領域為計算機系統結構、嵌入式系統、機電一體化、自動化智能儀器儀表等。

摘自《自動化博覽》2026年5月刊