★ PLCopen国际组织中国 严义，吴红娉

1   PLC发展需要OT操作的数据库

很多年前第一次与厦门宏发设备研发部门讨论如何解决继电器自动化生产线断线故障诊断与预测问题， 当时企业研发部选用倍福的带Visual Studio开发环境的PLC，它可以与windows的MY-SQL结合。但是，现场OT工程师提出了开发IT数据库的困难。

随着智能制造的持续推进，离散制造系统正在经历一场深刻变化。过去， PLC的主要任务是让设备按既定顺序动作，让产线稳定、可靠地运行；今天，制造系统不仅要完成逻辑控制、顺序控制和运动控制，还要在生产过程中识别异常、沉淀经验、追溯质量，并在数据基础上持续优化工艺。控制系统的价值正在从“执行控制逻辑”转向“支撑数据驱动决策”。在这一背景下， PLC的新技术不再只体现为硬件小型化、网络高速化或运动控制能力增强，而是进一步体现在数据处理能力能否直接内生于PLC。

近年来，西门子、倍福、菲尼克斯等主流PLC厂商已经提供面向数据库访问或SQL集成的工程化方案，说明PLC直接执行数据写入、更新与查询在技术上已经可行。但是，从行业整体看，这些能力大多仍以厂商专用库、独立服务器软件、平台插件或应用示例的形式出现，更接近于“PLC可以访问数据库”， 而不是“数据库能力原生于PLC”。按照PLC标准功能块的思想，把存储、增删查改、聚合统计、数据压缩和智能分析等能力封装为控制器本体可直接调用的程序单元，使现场OT工程师能够像调用定时器、计数器和运动控制块一样调用数据处理能力。这是原生于中国的PLC技术发展的新方向： PLC的装备数据库。

2   PLC节拍模型数据是装备数据库基础

传统制造时序数据库将产品生产现场数据以时间戳或单条记录顺序写入，数据虽然被保存下来，却很难直接反映离散制造中的工位关系、工步顺序、产品节拍和设备约束； 另外， 存储通过控制扫描周期所采集的海量数据十分困难。离散制造系统以标准节拍为主干节点， 以工位、工步、设备和执行机构为分支节点，形成覆盖“产线—单元—工位—工步—设备—执行机构”的层级化数据树。每个节点不仅保存本层级的数据值， 还保存与上游节点、下游节点和同节拍节点之间的约束关系（如图1所示）。这样， 一个气缸动作、 一段伺服轨迹或一次检测结果， 不再是孤立的数据点， 而是处在完整生产过程中的可定位节点。数据天然带有过程语义和时序语义， 后续追溯、分析和判断也就有了更接近真实制造过程的基础。

图1

离散制造具有 一 个典型特征：正常工况下生产制造数据高度重复， 异常工况下数据突然变化。 PLC原生数据能力并不意味着简单地把全量数据全部写入数据库， 而是要在控制现场完成更贴近工艺的筛选、压缩和保留。基于标准节拍的多层级过滤压缩机制， 根据产品型号， 沿着产品实际加工所经过的设备和执行机构， 在设备正常运行过程中学习各执行机构离散动作的I/O状态变化，记录启动、到位、复位、互锁等动作节点及其对应节拍时间戳，逐步沉淀形成面向该产品加工路径的标准节拍模板， 再以该模板作为实时数据流对齐、比对和判别的参照基准数据模型。

在运行过程中， PLC按照“节拍级识别、事件级筛选、异常级保留”的策略， 对实时采集数据进行在线匹配和动态判别。对于与标准节拍一致、状态稳定的动作节点数据， 系统采用轻量化标识和压缩表达方式进行存储；对于节拍越界、动作异常、状态突变、设备异响或质量偏移相关的数据， 则作为关键样本完整保留。该机制能够在不破坏生产过程关键信息的前提下减少冗余数据量，提高数据组织效率，并为异常检测、工况分析和质量追溯提供更高价值的数据基础。

3   PLC装备数据库独有的特点

（1）OT操作语言

PLC装备数据库用的是IEC 61131-3标准5种OT语言代替数据库IT指令与API接口开发数据（如图2所示），克服OT工程师开发数据库的困难。

图2

PLC原生数据能力的关键载体是标准化功能块。将数据表定义、过程节点建模、数据写入、条件查询、聚合统计、节拍比对、异常样本留存和模型调用等能力，封装为PLC工程环境中的功能块，就可以把过去依赖数据库工程师、软件工程师或中间件系统完成的任务，转化为现场工程师能够理解和配置的控制程序单元。这种操作模式与传统PLC编程习惯保持一致。 一线工程师无需脱离熟悉的编程环境，也无需重新学习复杂数据库语言或开发框架，只需要通过拖拽、组态、参数配置和逻辑连接，就可以完成数据策略设计。

（2）节拍数据字段

PLC装备数据库存放的数据字段是离散装备生产制造的节拍数据，而非传统数据库的数据类型字段（如图3所示）。

图3

在PLC系统中，与装备关联的数据类型可抽象为2类：IO数字类型与模拟类型。IO数字类型的节拍数据包起始时间与和结束时间，模拟类型的节拍数据包含采集时间和当前数值；IO数字类型的节拍数据是在每一个控制扫描周期获取，模拟类型数据按照合理的采样周期获取，这些数据数量与产品整个完整生产过程关联，并可以驱动数字孪生，虚实共线生产。

（3）模型数据压缩

PLC装备数据库的核心功能是数据压缩，保证存储生产制造完整数据， 其本质是利用了数据模型解决高效率数据压缩问题。

对于一维类型的数据，装备数据库必须在生产产品的前期， 获得正确生产过程的节拍数据并确保足够数量， 系统可以根据这些数据自动提取节拍数据的生产制造数据模型；将新采集的节拍数据与这些数据模型比对， 可以实现数据库的数据压缩， 其压缩比与生产过程正确产品和失败产品的比例相关。

（4）分阶段操作

PLC装备数据库存储到应用是一个与制造相关联过程，分三个阶段（如图4所示）：

装备数据库的数据存储应用不是单一的数据文件的存储，它包含三个文件分别为：原始节拍数据文件、模板数据文件和压缩数据库文件。分别支持三个阶段，原始节拍数据获取并形成数据模型（模板数据），实时数据获取与数据模型比对形成压缩数据，数据库读取与复原形成可以应用的节拍数据序列。

图4

4   PLC装备数据库的作用

（1）故障预测

随着我国制造业的发展，全自动化生产线的建设越来越普遍， 一旦设备故障停机断线将影响整条产线生产进度，因此，故障在线预测代替故障停机报警具有重要意义。PLC装备数据库的基础数据成为解决设备断线预测的关键， PLC装备数据库的模型数据可以很方便地作为生产设备与生产线的故障预测诊断条件。

（2）提高生产效率

利用PLC装备数据库不仅可以获取一台设备运行的全数据，利用生产制造数据优化生产过程节拍，提高生产效率。而且，将相同设备或生产线的装备数据库的数据接入，可以通过对比获得不同设备在相同环节的运行时间，从而有助于解决某一设备环节存在的效率落后问题。

（3）提高产品质量

从传统的生产制造管理系统（MES）中分析产品质量时，所能获取的信息主要包括产品批次、工位、工单、加工时间及操作人员等。然而，这一系统在发现产品质量问题时存在较大的时间延迟。与传统的MES的数据库的数据利用不同， PLC的原生节拍数据是全面的制造全信息；不仅可以提供产品生产管理所需的信息，更重要的是能第一时间获取产品质量问题发生的每一个过程动作点和可能造成产品质量下降的制造点。

（4）提高开发装备控制代码的效率

通过自动生成节拍模型数据的方式，极大地缩短了设备PLC控制程序的开发时间。传统开发设备PLC代码的第一部分是控制主流程，第二部分是设备的故障报警程序。 一般说法这两部分的代码量是1:1到1:2的关系， 今后带装备数据库的PLC， 开发效率有望提升一倍。这个开发阶段不仅完成自适应报警，进而可以实现设备故障的预警。

（5）工业AI制造与其他

制造业的工业AI核心是需要制造基础数据， PLC装备数据库正好满足了这个要求。这些原生数据进一步可形成“控制—数据—智能”的闭环。PLC在现场掌握最完整的动作顺序、设备状态和控制时序； PLC装备数据库可以保证多个产线工艺的稳定性和生产一致性，从而达到工业AI赋能的效果。通过PLC装备数据库多维数据的分析，工业AI的作用得以真正发挥。

PLC装备数据库的作用正在不断被发掘。与工业AI结合，能提供生产信息、设备节能、安全预测、生产计划优化、制造工艺优化和人员调度优化等等。

5   PLC装备数据库的应用情况

PLC装备数据库已经在20多家企业获得应用，如浙江天正集团的断路器全自动生产线搭载的PLC装备数据库正提供预测诊断功能，极大提高设备的OEE；浙江金飞凯达轮毂12条生产线的PLC装备数据库为提高效率、节能降耗、安全预警发挥作用；杭州华光新材400多台材料成型设备运行PLC装备数据库用于提高产品质量；杭州凯斯智能技术有限公司正应用该技术开发异型PCB插接装备的故障报警程序，极大缩短了开发时间。金华汇隆晶片技术在晶振生产关键节点用于PLC装备数据库预测故障，取得明显成效。当前杭州义益钛迪、深圳华龙迅达、浙江南方泵业、舟山中远海运、苏州格比智能等越来越多的企业开始应用该技术。

6   结语

建立工业基础数据并不是用PLC替代MES、 SCADA或云平台，而是让PLC成为数据驱动体系中的原生节点。上位系统仍然承担跨产线、跨工厂、跨周期的管理和优化任务， PLC则负责把现场数据以更高质量、更强语义和更低延迟的方式组织起来。未来，随着数据库功能块、统计分析功能块和机器学习功能块逐步完善， PLC将不仅是设备动作的执行者，也将成为生产过程数据的第一组织者和智能判断的前端承载者。面向离散制造的智能化升级， PLC的发展正在进入一个新的阶段， PLC正从“控制核心”进一步演进为“控制—数据—智能”一体化核心；不仅是对PLC能力边界的一次扩展，更是对离散制造控制体系的一次重构。相信， PLC装备数据库将推动工业基础数据的构建，助力我国制造业迈入“数智化”跃升新阶段。

作者简介：

严   义，杭州电子科技大学二级教授，博士生导师。现任PLCopen国际组织中国主席，中国机电一体化应用协会副理事长，浙江省政府咨询委委员，享受政府特贴专家，曾任浙江省重大专项专家组电子网络组组长。主要研究领域为计算机系统结构、嵌入式系统、机电一体化、自动化智能仪器仪表等。

摘自《自动化博览》2026年5月刊