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PLC

“工业芯”PLC的困境与突围

  2020年03月16日  

  我国城市地铁使用的大型PLC控制系统一直被西门子、施耐德、罗克韦尔三个品牌垄断着,直到和利时的大型PLC产品研发成功,才实现了该领域的自主可控。然而,国产PLC控制系统的产业化推广之路却并不平坦。

  在每个地铁车站里,照明灯点亮或是熄灭、电扶梯上行或是下行、每扇屏蔽门打开或是关上、通风和给排水设备开启或是关闭……这些看似平平常常毫不起眼的设施,背后是怎么管理的,来去匆匆的乘客很少有人会注意到。其实,对地铁车站中的供电设备、机电设备的控制,对车站防灾系统的管理,对车站每个末端开关的控制,都要依靠后台的“城市轨道交通用大规模网络化高可靠PLC控制系统”来操作和完成。

  PLC全称可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller),实质是一种专用于自动化控制的工业计算机系统。城市轨道交通是一个庞大而复杂的系统,以PLC、SCADA为代表的轨道交通自动化系统是保障运营安全、提高运输效率的核心技术装备。

三选一的固定模式

  地铁车站内的PLC主要应用于轨道交通的综合监控系统、车站环境监控系统、牵引供电系统、低压配电系统、照明系统、应急电源系统、变电所综合自动化系统、屏蔽门系统、电扶梯系统、给排水系统……这样的应用场景对大型PLC产品的安全性和可靠性的要求非常高。在深深的地下,如果照明控制失灵导致漆黑一片,如果电扶梯的上行下行出现混乱,都可能会引发事故甚至造成人身伤亡。所以,站在地铁管理者的角度,他们更愿意选用国际上知名品牌的比较成熟的大型PLC产品。

  多年来,地铁选购的城市轨道交通用大型PLC控制系统基本都是西门子、施耐德、罗克韦尔这三个品牌的产品,甚至发展到在项目招标时,招标文件里就赤裸裸指明说大型PLC系统必须在这三个品牌中3选1。

  为什么在大型PLC领域,我国的企业鲜有涉足呢?因为产品研发投入大,研发周期长,中小企业根本无法完成。即使是小型PLC控制系统,虽然国内很多厂家都在研发生产,但也只能做硬件开发和系统集成,核心的组态软件和实时控制引擎则直接购买德国的产品拿来用。这种软硬件适配的方式却不能应用在大型PLC控制系统的研发中,因为双机冗余同步很难做到,也难以通过各类安全认证。

  PLC控制系统是工业实现自动化、智能化的基础,也就是相当于计算机系统中的“芯片”,即所谓“工业芯”。在中国,工业系统中的大型PLC基本都是采用进口厂商的产品,也就是在用国外的“工业芯”,如果国外不再给中国提供产品,那我国的工业发展就会出现障碍。

  为解决地铁站里的“卡脖子”问题,2014年,和利时集团承接了工业强基专项“城市轨道交通用大规模网络化高可靠智能PLC控制系统项目”,该项目计划总投资8745.32万元,项目实际完成总投资8756.22万元,投资完成率100.12%。

  在强基专项的支持下,和利时基于二十余年的工业控制技术积累,与北京地铁紧密合作,以西门子的S7-400和罗克韦尔1756系列等高端大型PLC为参考目标产品,自主研发了城市轨道交通用大规模网络化高可靠PLC控制系统。经过2年的努力,共研发了20余种PLC模块产品和软件。项目研发的PLC系统的性能和功能均达到西门子S7-400和罗克韦尔1756系列等国际同类产品先进水平,并通过了CE、UL、阿基里斯等电气安全和信息安全国际认证。

  终于,在我们自己的地铁车站里,可以用上我们自主研发的大型PLC控制系统了。

研发与应用

  项目伊始其实并不被看好,计划总投资8745.32万元,如此大的开发投入,作为一家民营企业,和利时必须考虑项目的投入产出比。和利时集团技术总监朱毅明给记者算了一笔账:“大型PLC产品一年大致能够销售3000万-4000万元,可整个的研发费用大概也需要三四千万。市场的销售毛利约20%-30%,纯利润的百分比也就是个位数了,从财务层面分析,这个项目一点意义都没有。投入产出比如此糟糕,使得当年的经营决策做得非常困难。”

  虽然该项目产生的经济效益将很不理想,但大规模PLC是保证城市轨道交通安全高效运营的核心基础装备,开发具有自主知识产权的大规模PLC控制系统并实现产业化,可以促进和拉动高端制造业的发展,对国家战略安全具有实际意义。因此,和利时集团坚持项目开发,努力承担起企业的社会责任。也是因为这份担当,很多项目开发骨干面对华为、阿里、腾讯高薪酬的诱惑,面对互联网行业的风光前程,却能坚守在基础工业领域,全身心地投入到大型PLC系统的研发中。

  在产品研发阶段,和利时引入新的管理方法,建立基于IPD的研发管理体系,打通各部门之间的壁垒,实现项目部、开发部、工艺部、生产部、测试部的协同工作,使项目按计划和目标稳步推进,研发的成本和质量都得到了比较好的控制。面临人员紧张、技术难点多等困难,项目经理采用扁平化的管理思路,增进与项目各小组成员的沟通,联合外部专家,集中攻克了一批关键技术难题。

  大型PLC项目的核心研发团队主要设在西安,共30多人,团队中每个人压力都很大。轨道交通用大型PLC控制系统对安全性和可靠性要求极高,使用时只有一次机会,一旦出现问题,或者在一个地铁站里运转不利,那就不会再有其他地铁选择使用了,诸多努力都将付之东流。所以,研发团队任务繁重,日以继夜地连轴转。

  规模网络化PLC是一项综合性技术,需要长期持之以恒地研发投入和多种行业的大量应用实践。因此在本项目执行期间,与国内多家科研、用户单位有着广泛而深入的合作,实践证明这种合作成效非常显著。例如,与机械工业仪器仪表综合技术经济研究所合作形成“大规模PLC技术评估体系和方法”;与北京轨道交通建设管理帝皇彩票开奖深度合作,将产品开发与应用结合在一起,设计符合用户实际需要的产品;与北京地铁紧密合作,将成果成功应用于北京地铁14号线……

  城市轨道用大规模PLC的研制开发是一项复杂的系统性工程,该PLC涉及多项关键技术,需要不同专业的研发人员协同开发。和利时基于多年的PLC开发实践经验,对PLC软硬件开发中的共性技术进行模块化封装,沉淀到统一的技术平台,每个模块预留标准接口,实现不同职种开发人员的搭积木式的快速协同开发。虽然项目面向城市轨道交通应用场景,但新的共性技术也能进一步丰富技术平台,为其他应用场景的PLC产品开发奠定基础。

  本项目PLC支持新型的实时工业以太网。在产品开发时,和利时积极与网络产品厂商沟通,并与网络产品厂商成立专项组,为PLC系统的应用,开发配套的网络产品,为用户提供一站式解决方案。同时,针对地铁综合监控系统的互联互通要求,PLC产品集成丰富的开放协议,保证地铁设备系统的无缝集成。

  和利时作为国内领先的地铁综合监控系统集成商,对PLC产品的应用需求有着深刻的认识,为PLC产品的开发提供了很多重要的输入。此外,和利时产品部又充分调研了国内其他系统集成商的PLC需求,在产品定义时吸收众多用户的基础需求,提炼用户的创新需求,融合用户的前沿需求,保证了产品未来十几年可持续发展的竞争优势。

  研发过程重要,现场应用更为重要。在大型PLC控制系统投入使用后,和利时的技术人员每天都到地铁现场检查PLC的运行情况。曾经有个车站的PLC输出模块偶尔出现通讯中断,他们连续蹲在现场一周。由于白天地铁在试运行,每次调试只能等到晚上12点地铁停运之后。经过一周的记录和分析,他们终于找到原因,解决了问题,保障了地铁的正常开通。

产业化推广困境

  和利时的轨道交通用大规模PLC控制系统研发成功后,首先应用于北京地铁。

  北京地铁的国产化之路可以追溯到1969年开通的1号线,当时的北京地铁既没有渠道,也没有资金进口国外的系统,使用的是我国自主研发的控制系统。作为中国最早运营的,且常年在没有国外技术支撑的条件下运营的地铁,北京地铁对自主研发的控制系统已具备了强大的自信心和适应力,其国产化力度在国内是最强的。

  目前,和利时轨道交通用大规模PLC控制系统已经在北京14号线、燕房线得到应用,其中北京14号线共37个车站,和利时的PLC系统总共控制了超过1万台机电设备,IO点数超过12万点。2018年,和利时又中标北京17、19号线。

  第二个向和利时抛出橄榄枝的是新加坡地铁。

  因为和利时的大型PLC控制系统通过了一系列的国际安全认证,更因为其在北京地铁成功应用的良好业绩,和利时获得了新加坡轨道交通汤申线环境控制系统的供货合同,顺利进入发达国家市场。

  反观国内,像北京地铁这样支持国产PLC系统的用户有一无二。迄今为止,除了北京以外,国内没有任何一个城市的轨道交通线路愿意选用和利时自主研发的PLC控制系统。也许是出于“外来的和尚会念经”的思维模式,也许是缺少北京地铁对国产化PLC系统的信心和信任,其他城市选购轨道交通用大型PLC控制系统时,依然没有跳出西门子、施耐德、罗克韦尔这三个品牌产品的范围。

  走出北京,和利时的市场推广人员处处碰壁,对方或者干脆闭门不接待,或者沟通之后又通过各种渠道递来消息:不计划选用国产品牌。更有甚者,为了将和利时拒之门外,有针对性地在应用城市、应用项目数量等方面提高准入门槛。尽管和利时自主研发的产品已经可以媲美西门子、施耐德、罗克韦尔等巨头的成熟产品,而且相比国外系统,价位低了30%-40%。

  面对这些尴尬困境,和利时只能采用主动提供设备试用、技术人员现场讲解等“赔钱赚吆喝”的方式,逐步取得用户对国产大型PLC系统的信任。

  “其实,只要给我们机会,加上我们雄厚的技术基础,我们就能发展下去。和利时在高安全控制领域深耕多年,我们产品的可靠性完全没有问题。可是很多时候,因为在准入门槛上的故意为难,我们就连入门的资格都得不到,产品推广过程非常艰难。”话题谈及此处,朱毅明满脸无奈。

前路漫漫

  目前,大型PLC系统的国产化率约1%,和利时占了其中的绝大部分。他们的“城市轨道交通用大规模网络化高可靠智能PLC控制系统项目”取得销售收入14738.52万元,利润总额1585.99万元,上缴税金204.59万元,项目期内大规模PLC的产能达到18201套。这个被列入国家工业强基专项的产品是第2代产品,和利时正在研发它的第3代产品,使用的是国产的龙芯CPU,在3代产品中,元器件数量和品种的国产化率达到95%,已经可以彻底解决该领域的“卡脖子”问题。

  虽然过程艰辛,前路漫漫,可和利时仍然会坚持项目的不断研发升级,项目研制的PLC系统不但可应用于轨道交通领域,更可应用于高安全要求的工业制造和工业基础设施领域,为智能工厂和数字化车间提供自主可控的基础自动化系统,满足重大工程自动化成套控制系统的市场需求。不仅如此,在水电领域,和利时正在和三峡集团洽谈,将大型PLC控制系统产品应用在三峡工程的升级改造中。而作为PLC主战场的冶金行业,和利时也将携自己的大型高可靠PLC产品,去挑战西门子在该领域的绝对优势。

  未来是值得期待的,随着我国在PLC产品研发上加强投入,产品日臻完善,国产化的PLC一定能够在离散制造、化工、水电、输配电、轨道交通等关键工业行业完全媲美进口产品,摆脱对国外技术的依赖,真正实现用中国的“工业芯”制造中国的工业产品。

  张通 本刊记者

  本文发表于《中国工业和信息化》杂志2020年1/2合月刊总第20期

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