新一代開放式控制平臺：PLCnext開發與應用（簡體書）

當今快速演進的工業4.0 時代，物聯網、大數據、人工智能等技術與各行業深度融合。自動控制技術正以前所未有的速度為製造業乃至更廣泛的領域帶來革命性的變化。傳統的可編程邏輯控制器（PLC）已難以滿足日益增長的智能化、集成化需求。面向新形勢下工業4.0 以及工業物聯網的應用場景，用戶期待更自由靈活、符合個性化需求的編程交互方式。菲尼克斯電氣全新推出的PLCnext Technology 開放式控制平臺，相較於傳統的控制器架構具有顛覆性優勢。它不僅保留了PLC 的可靠性與實時性，還打破了傳統控制系統的封閉性，支持多種編程語言、開源軟件和算法集成、云連接等先進特性。由於其兼具開放性、靈活性和高效性等特點，成為了推動智能化、數字化轉型的重要力量。
本書介紹了新一代開放式控制平臺—PLCnext 的技術原理、系統架構、軟硬件組成以及系統開發的基本情況，並從工程實踐出發，涵蓋了多個典型的行業應用案例。本書作者團隊由高校教師和行業資深專家組成，擁有多年的PLC 工程實踐經驗和創新教學經驗。內容不僅涵蓋了新一代開放式平臺智能PLC 創新理論，還包含了工業4.0 和工業物聯網創新應用場景案例的介紹。
本書可面向廣大工程技術人員作為智能PLC 系統應用的參考書目，也可用於相關專業本科生開展智能PLC 課程和課內外創新實踐的教材。全書涵蓋以下核心內容。
（1）PLCnext 技術概述：深入淺出地介紹PLCnext 技術的誕生背景、技術特點及其在現代工業自動化中的應用前景。
（2）硬件平臺與系統架構：詳細介紹PLCnext Control 硬件的構成、系統配置以及開放平臺的架構原理，為讀者打下堅實的硬件基礎。
（3）編程基礎與高級應用：從基礎的IEC 61131-3 標準PLC 編程語言到C/C 、Python等現代編程語言的應用，展現PLCnext 靈活多樣的編程環境。
（4）系統集成與通信技術：講解如何利用MODBUS、SNMP 等通信協議實現設備互聯，以及如何利用OPC UA、MQTT、MySQL 等實現與ERP、MES 等上層管理系統的集成。
（5）應用開發與案例分析：通過實際案例，展示如何在不同行業應用場景中設計、實施基於PLCnext 的智能控制解決方案。結合工程案例展示了PLCnext 在邊緣計算、預測性維護、人工智能融合等前沿領域的應用潛能，激發讀者的創新思維。
本書具有以下特色：
（1）內容新穎，體現全新開放式智能PLC 控制理念。本書在內容安排上緊密圍繞PLCnext新一代開放式控制平臺的諸多技術優勢展開介紹，基於實時開放的Linux 系統，可簡單快速集成開源代碼和APP 開發自動化項目。用戶可選擇IEC 61131-3 標準PLC 編程語言和高級語言（如C 、C#）或模型語言（如MATLAB Simulink）進行混合開發。理論與應用結合，由淺入深，幫助讀者建立全新的開放式智能PLC 控制理念。
（2）深入淺出，便於初學者參考。重點聚焦新興智能PLC 技術的基礎理論與原理。以通俗易懂的語言、由淺入深的項目設計和貼近工廠的實踐案例，介紹了智能製造背景下的相關前沿技術，易學易教。為便於讀者學習，設置了多個階段性的案例DEMO。基礎性內容包括PLC 發展歷史、硬件平臺、軟件平臺、PLC 基礎編程等。高階內容包括PLCnext 高級語言開發、工業物聯網、工業操作系統等。各章節內容之間既有系統性，又有相對獨立性，方便不同層次的讀者找到合適的切入內容開展閱讀。
（3）案例豐富，行業特色鮮明。在案例設置上緊密貼合工業4.0 智能控制需求，助力解決行業創新應用。案例內容豐富，融合工業應用，屬於目前智能製造、工業智能應用中的經典場景。選用的軟硬件模塊參考行業標準及工業應用需求，且圖片資料豐富。對於讀者全面深入地了解智能製造基礎理論、從事智能PLC 相關領域工作具有較強的指導意義。
（4）編排新穎，強化工程教育。章節編排遵循工程項目設計開發流程，從需求分析、總體方案設計、軟硬件平臺搭建、各功能模塊軟件代碼開發，再到系統集成、測試等多個標準流程進行。讀者通過本書的學習，不僅可以快速了解新一代開放式控制平臺的基本理論知識，而且可通過PLCnext 實例熟悉掌握這些過程中的具體操作方法。同時，全書章節安排上還包括工業物聯網、工業APP、工業信息安全等前沿內容。通過本書的學習，可以強化讀者的工程思維，拓展對於工程問題的多方面認識，從而提升解決複雜工程問題的能力。
我們期待通過本書的學習，讀者不僅能掌握智能PLC—PLCnext 的精髓，還能具備在複雜工業環境中設計高效、靈活、智能的控制系統的能力。本書高度契合工程師、技術經理、系統集成商等專業人士提升技能、探索創新的需求，也適合工業自動化、電氣工程、信息技術等專業的在校學生作為教材使用。
本書由馮毅萍、張龍、曹崢、李慧敏、向宇、楊露、李繼先、刁麗芳編著，馮毅萍、張龍負責統稿。在本書的編寫和出版過程中，我們榮幸地獲得了來自多方的大力支持與無私幫助。感謝浙江大學控制科學與工程學院的張光新教授、邵之江教授、侯迪波教授、趙久強老師，以及哈爾濱工程大學王顯峰老師的寶貴建議，他們的專業視角為本書增添了豐富的教育內涵;感謝菲尼克斯電氣中國公司總裁顧建黨和菲尼克斯產教融合團隊張冠偉、易書波、吳永蘭的積極推動和組織，感謝化學工業出版社編輯對出版工作的鼎力相助。最後，我們向所有為本書編寫和出版付出努力的同仁們表示最誠摯的感謝，是你們的支持與幫助共同促成了這本書的誕生，讓它得以成為廣大讀者學習、研究和參考的寶貴資源。
由於編著者水平有限，不足之處在所難免，敬請讀者批評指正。
申明：本書所有實例、圖樣、程序和視頻，未經授權，不得非法使用，違者必究。

編著者
2024年10月

第1章 開放式控制平臺發展歷程 001
1.1 PLC 的基本概念及系統組成 001
1.1.1 PLC 的構成 002
1.1.2 PLC 的基本工作原理 003
1.1.3 IEC 61131-3 標準 004
1.1.4 PLC 的通信聯網 005
1.2 自動化技術的變革 006
1.2.1 開放自動化系統的形成 006
1.2.2 菲尼克斯自動化系統的發展 007
1.3 工業4.0 和智能製造對PLC系統的新要求 013
1.4 PLCnext 技術介紹 014
1.4.1 PLCnext 成為開放控制平臺的樣板 014
1.4.2 PLCnext 技術生態 016
1.4.3 PLCnext 系統架構 019
1.4.4 PLCnext 的技術特點
總結 023

第2章 PLCnext 硬件配置 025
2.1 模塊化控制器及其左側擴展模塊 025
2.1.1 模塊化控制器 026
2.1.2 左側擴展模塊 027
2.2 I/O 模塊 028
2.2.1 Axioline F 系列I/O模塊和耦合器 029
2.2.2 Axioline Smart Element系列I/O 模塊 031
2.2.3 Axioline E 系列I/O模塊 033
2.2.4 I/O-Link 模塊 034
2.3 安全控制器 035
2.4 冗余控制器 038
2.5 面向邊緣應用的控制器 041

第3章 PLCnext Engineer軟件平臺 044
3.1 PLCnext Engineer 軟件介紹 044
3.1.1 軟件安裝系統要求 045
3.1.2 用戶界面 045
3.2 硬件組態與管理 049
3.2.1 設備硬件組態 049
3.2.2 PROFINET 設備GSDML文件管理 053
3.3 變量用法與管理 055
3.3.1 變量聲明 055
3.3.2 自定義數據類型 059
3.4 程序與PLC 資源管理 066
3.4.1 程序組織單元（POU） 067
3.4.2 配置、資源、任務 078
3.4.3 常規編程語言 082
3.4.4 庫文件 085
3.4.5 其他導入功能 087
3.5 eHMI 088
3.6 運行與調試 093
3.6.1 程序開發步驟 093
3.6.2 在線調試 094
3.6.3 仿真調試 095
3.6.4 WBM 中的診斷 097

第4章 軟件應用實例 100
4.1 工程實例介紹 100
4.2 工程實例創建 101
4.2.1 新建工程與硬件組態 101
4.2.2 功能塊與程序設計 107
4.2.3 程序下載與調試 109
4.2.4 eHMI 畫面設計與運行 112
4.3 基於Web 的網頁管理 115
4.3.1 WBM 登錄 115
4.3.2 Overview 頁面 115
4.3.3 Diagnostics 頁面 116
4.3.4 Configuration 頁面 119
4.3.5 Security 頁面 127
4.3.6 Administration 頁面 132
4.4 調試工具 135
4.4.1 NetNames 135
4.4.2 Putty 136
4.4.3 WinSCP 137

第5章 高級語言編程 139
5.1 概述 139
5.2 C/C 集成介紹 140
5.2.1 C/C 特點 140
5.2.2 C/C 集成 141
5.2.3 C 應用案例 146
5.3 MATLAB 集成介紹 149
5.3.1 MATLAB 特點 149
5.3.2 MATLAB 集成 150
5.3.3 MATLAB 應用案例 156
5.4 C#集成介紹 158
5.4.1 C#特點 158
5.4.2 C#集成 159
5.4.3 C#應用案例 165

第6章 通信協議集成 168
6.1 工業通信網絡 168
6.2 MODBUS 通信 169
6.2.1 MODBUS RTU 通信 169
6.2.2 MODBUS TCP 通信 174
6.3 SOCKET 通信 181
6.3.1 SOCKET 概述 181
6.3.2 SOCKET 應用示例 181
6.4 OPC UA 通信 185
6.4.1 OPC UA 概述 185
6.4.2 OPC UA 的特點 186
6.4.3 OPC UA 通信模型 186
6.4.4 PLCnext 控制器作為OPC UA 服務端的使用 187
6.4.5 PLCnext 控制器作為OPC UA 客戶端的使用 189
6.5 SNMP 通信 197
6.5.1 SNMP 概述 197
6.5.2 PLCnext Engineer 中SNMP 功能庫應用 198
6.6 MQTT 通信 199
6.6.1 MQTT 概述 199
6.6.2 MQTT 特點 200
6.6.3 MQTT 原理 200
6.6.4 PLCnext & MQTT應用示例 202
6.7 MySQL 通信 208
6.7.1 MySQL 概述 208
6.7.2 PLCnext 控制器結合MySQL 使用示例 210

第7章 PLCnext APP 212
7.1 APP 概述 212
7.1.1 APP 的發展歷史 212
7.1.2 工業APP 的基本特點和類型 213
7.1.3 PLCnext Store APP軟件商店 214
7.2 行業解決方案類APP 217
7.2.1 行業解決方案類APP特點 217
7.2.2 行業解決方案類APP在PLCnext 中的應用 217
7.3 庫文件類APP 220
7.3.1 庫文件類APP 特點 221
7.3.2 庫文件類APP 在PLCnext 中的應用 221
7.4 功能擴展類APP 223
7.4.1 功能擴展類APP特點 224
7.4.2 內部通信方式 224
7.4.3 容器化部署方式Podman 228
7.4.4 MLnext 使用示例 230
7.4.5 ROS 使用示例 234
7.4.6 Node-RED 使用示例 238
7.5 工程項目類APP 242
7.5.1 工程項目類APP特點 242
7.5.2 工程項目類APP 在PLCnext 中的應用 242
7.6 APP 開發與發布 243
7.6.1 APP 開發 243
7.6.2 APP 發布 245

第8章 工業信息安全 246
8.1 工業信息安全概述 246
8.1.1 網絡安全與信息安全 246
8.1.2 IT 與OT/ICS 的對比 247
8.2 工業信息安全標準IEC 62443概述 248
8.2.1 工業控制信息安全理念 250
8.2.2 工業信息安全措施的相關技術與架構 250
8.3 PLCnext 工業信息安全功能 251
8.3.1 PLCnext 的信息安全基於縱深防御 251
8.3.2 PLCnext 信息安全設計 253
8.3.3 PLCnext 定期安全維護 254
8.4 PLCnext 信息安全操作 255
8.4.1 PLCnext 相關設備信息查詢與安全配置 255
8.4.2 用戶身份驗證與角色權限 256
8.4.3 PLCnext 安全傳輸與簽名的相關配置 257
8.5 PLCnext 中防火墻設置 258
8.5.1 系統消息與規則執行 259
8.5.2 防火墻規則添加與屬性 260
8.5.3 通過nftables 設置附加的防火墻規則 261
8.6 PLCnext 中VPN 遠程通信 262
8.6.1 IPSec 簡介 262
8.6.2 PLCnext IPSec 測試平臺構建 263
8.6.3 在PLCnext 中配置IPSec 相關文件並啟用服務 263

第9章 工業物聯網 265
9.1 工業物聯網概述 265
9.1.1 背景及概念 265
9.1.2 PLCnext 在IIoT 中的使用 268
9.2 PROFICLOUD 270
9.2.1 PROFICLOUD 概述 270
9.2.2 基於PLCnext 的PROFICLOUD 應用 270
9.2.3 可視化工具服務TSD/Dashboard 274
9.2.4 Dashboard 中Panel說明 277
9.2.5 組織管理服務 281
9.3 PLCnext 控制器連接阿裡云 281
9.3.1 阿裡云物聯網平臺介紹 281
9.3.2 PLCnext 控制器接入 282
9.4 PLCnext 控制器連接AWS 285
9.4.1 AWS 介紹 285
9.4.2 PLCnext 控制器接入 285

第10章 基於PLCnext 的行業解決方案 289
10.1 PLCnext 在風電行業中的應用 289
10.1.1 智能能源與風力發電行業簡介 289
10.1.2 基於PLCnext 的風機葉片智能綜合監控解決方案 290
10.1.3 通過葉片監測系統實現數據查詢 292
10.1.4 通過葉片監測系統實現數據分析 294
10.2 PLCnext 在隧道行業中的應用 295
10.2.1 公路隧道行業簡介 295
10.2.2 基於PLCnext 的隧道監控解決方案 296
10.2.3 基於PLCnext 的隧道智能照明方案 298
10.3 PLCnext 在樓宇智能化行業中的應用 300
10.3.1 智能樓宇控制系統介紹 300
10.3.2 基於PLCnext 的暖通空調標準化控制方案 301
10.3.3 基於PLCnext 的智能照明解決方案 305
10.4 PLCnext 在汽車行業中的應用 309
10.4.1 汽車製造行業簡介 309
10.4.2 基於PLCnext 的PHCAR電氣標準 310
10.5 PLCnext 在設備製造行業的應用 317
10.5.1 設備製造行業概述 317
10.5.2 基於PLCnext 的智能產線控制解決方案 317
10.5.3 基於PLCnext 的設備預測性維護解決方案 320
10.5.4 基於PLCnext 的電機預測性維護案例介紹 322
10.6 PLCnext 在過程自動化行業的應用 327
10.6.1 過程自動化行業背景 327
10.6.2 NAMUR 開放式架構（NOA） 327
10.6.3 開放過程自動化標準（O-PAS） 328
10.6.4 模塊化生產（MTP） 329

參考文獻 333