1. 课程导入与工程全景
在智能制造与工业自动化的现场，传统PLC擅长的是确定性逻辑控制：读取输入、执行梯形图或结构化文本、刷新输出，循环周期通常在1～20 ms之间。但当产线需要“看懂”图像、“听出”异常、“判断”工件是否合格时，仅靠PLC的布尔逻辑和简单模拟量比较已经不够。边缘推理与PLC控制联动，正是把AI推理能力下沉到产线边缘侧，并让推理结果以PLC能够理解、能够安全响应的方式参与控制决策的一类工程方法。
本课程讨论的不是“在服务器上训练一个模型”，也不是“把模型部署到云端API”，而是聚焦于一个更贴近现场的闭环：传感器/相机采集 → 边缘计算单元推理 → 结果映射为控制信号 → PLC执行动作 → 现场状态反馈。这条链路中，边缘设备负责“感知与判断”，PLC负责“执行与联锁”，两者通过工业通信协议（如Profinet、EtherNet/IP、Modbus TCP、OPC UA）交换数据。理解这条链路的边界、时序和异常处理，是本课程的核心目标。
系统边界：谁负责什么
要讲清楚“边缘推理与PLC控制联动”，必须先划定系统边界。一个典型的联动系统可以划分为四个层次：
- 现场层：相机、光电传感器、接近开关、气缸、电机、变频器等执行与感知元件。
- 控制层：PLC及其I/O模块，负责硬实时逻辑、安全联锁、急停回路。
- 边缘层：工控机、边缘盒子或带NPU的嵌入式设备，运行推理模型，输出结构化结果。
- 管理层：MES/SCADA，负责生产数据记录、模型版本管理、报警追溯。
边界的关键在于：安全相关的急停、限位、互锁必须由PLC独立完成，不能依赖边缘推理结果。边缘推理只参与“质量判断、分拣决策、参数推荐”等非安全关键环节。例如，视觉检测到工件表面有划痕，边缘设备输出“NG”信号给PLC，PLC再驱动剔除气缸动作；但如果气缸超时未复位，PLC必须自行报警并停机，而不是等待边缘设备确认。
典型产线场景：从“看到”到“动作”
为了让抽象概念落地，我们以一个常见的视觉分拣产线为例。传送带将工件送至检测工位，光电传感器触发相机拍照，边缘设备运行缺陷检测模型，输出OK/NG及缺陷类型，PLC根据结果控制气缸将NG工件推入废料槽，同时将结果写入MES。
这个场景中，有几个关键参数需要明确：
| 环节 | 典型参数 | 说明 |
|---|---|---|
| 相机触发 | 光电上升沿，延时0～5 ms | 确保工件完全进入视野 |
| 推理耗时 | 15～80 ms（取决于模型与硬件） | 需小于传送带节拍 |
| PLC扫描周期 | 2～10 ms | 决定信号响应速度 |
| 通信延迟 | 1～10 ms（Profinet IRT更低） | 影响整体闭环时间 |
| 剔除气缸动作 | 20～50 ms | 需与传送带速度匹配 |
假设传送带速度0.5 m/s，工件间距300 mm，则节拍为600 ms。推理耗时80 ms、通信延迟5 ms、PLC响应10 ms、气缸动作40 ms，总闭环约135 ms，远小于600 ms，系统有充足余量。但如果模型推理耗时超过500 ms，就必须考虑“提前触发”或“双工位缓存”策略，否则工件已经离开剔除位置，NG品会流入下道工序。
学习路径：从概念到交付
本课程共30章，按照“认知—设计—实现—调试—交付”的路径组织。前几章建立系统边界与通信基础，中间章节深入模型部署、协议映射、时序分析与异常处理，后段聚焦联调、性能优化与工程交付。学习过程中，你会接触到真实的PLC变量表、边缘设备配置、推理脚本、通信抓包分析和故障排查记录。
具体来说，你需要掌握以下能力：
- 能画出边缘推理与PLC联动的数据流图，明确各层职责与接口。
- 能配置边缘设备与PLC之间的工业通信（如Modbus TCP寄存器映射、OPC UA节点订阅）。
- 能编写推理结果到PLC信号的映射逻辑，包括OK/NG、缺陷类型编码、置信度阈值。
- 能分析端到端时序，判断推理耗时、通信延迟、PLC扫描周期是否满足节拍要求。
- 能处理异常情况：推理超时、通信断线、结果冲突、模型版本不一致。
- 能输出工程交付物：接口文档、变量表、测试用例、部署脚本、运维手册。
最终交付物：一套可复现的联动工程包
课程结束时，你将完成一个完整的工程包，包含：
- 系统架构图与数据流图：标注各层设备、协议、接口方向与关键参数。
- PLC变量表与通信映射表：列出每个交互信号的地址、数据类型、含义、更新周期。
- 边缘推理部署脚本：包含模型加载、预处理、推理、后处理、通信发送的完整代码。
- 时序分析表：记录各环节耗时，给出节拍余量与优化建议。
- 异常处理清单：列出常见故障现象、判断依据、处理步骤。
- 测试用例集：覆盖正常分拣、NG剔除、通信中断、推理超时等场景。
这些交付物不是模板填充，而是基于真实工程逻辑的示例。例如，PLC变量表中会明确：DB100.DBX0.0 = Vision_OK（BOOL，相机触发完成）、DB100.DBW2 = Defect_Type（INT，0=OK，1=划痕，2=凹陷，3=脏污）、DB100.DBD4 = Confidence（REAL，0.0～1.0）。边缘设备通过Modbus TCP写入这些寄存器，PLC在扫描周期中读取并执行分拣逻辑。
边缘推理与PLC控制联动，本质上是让“AI的判断”和“PLC的执行”在正确的时间、正确的边界内协同工作。理解系统边界、掌握数据流、控制时序余量、处理异常状态，是贯穿整个课程的四条主线。接下来的章节，我们将从通信协议开始，逐步搭建这条链路。