工控机与PLC比较

技成培训2022-05-11 14:47:31

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<前方高能,长文>

一、概述

在工业自动化领域,PLC和工控机是人们不得不提的两类控制设备,它们是大多数自动化系统的基础设备。PLC和工控机的最新技术发展是工程师对设备应用性能要求的完美体现:控制器的硬件标准化,以及用户的各种控制要求通过软件来进行改变。


PLC就是一种利用计算机原理为顺序控制专门设计的、通用的、使用方便的装置。它采用了专用设计的硬件,而使用性能都是通过控制程序来确定的。

工控机则是利用了个人计算机的PCI总线和PC/104总线、采用功能板卡扩展控制I/O点来实现计算机控制的一种方便的控制设备。它具有工业现场应用特性,同时又极大地利用了PC机的软件环境,用户可以方便地选择各制造商提供的产品。


PLC和工控机目前的技术发展水平已大大超过其出现时技术水平,并各自定位在不同的层面。PLC适合低成本自动化项目和作为大型DCS系统的I/O站,工控机在中规模小范围自动化工程中有很好的性能价格比,当然这种定位也不是绝对的。据预测,2000年我国工业自动化的市场规模达170亿至207亿人民币,其中工控机占40亿左右、PLC占30亿左右,再加上DCS系统、FCS系统和NCC系统(占60亿)中使用的PLC和工控机,可以看出其在工业自动化领域中举足轻重的作用。这两类控制设备在各领域的自动化中扮演了不可缺少的角色。图1给出了某自来水厂工业控制系统的典型结构图,其中采用了PLC作为I/O控制站、工控机作为监控机。


图1 工业控制系统的典型结构图


目前,PLC的主流厂商有A-B、Siemens和Modicon等。工控机的主流厂商有上海康泰克、北京康拓和研华、艾讯等。

PLC和工控机在其技术发展的历程中,为了适合工业现场应用的需要和用户二次开发的需要,都积极地发展高可靠性、网络化和高性能的用户开发软件方面的技术性能。以下将重点介绍PLC和工控机在硬件、软件和网络方面技术应用现状和发展趋势。


二、PLC和工控机的硬件技术现状和发展

PLC和工控机的最终用户为冶金、采矿、水泥、石油、化工、电力、机械制造、汽车、装卸、造纸、纺织、环保等行业,其主要的用途为:

1、顺序控制

顺序控制是应用最广泛的领域,它包括单机控制、多机群控制、自动生产线控制,如注塑机、印刷机械、订书机械、切纸机械、组合机床、磨床、装配机械、包装生产、电镀流水线和电梯控制等。


2、运动控制

应用在电力拖动系统或伺服电机的单轴或多轴位置控制。


3、过程控制

采用模拟量模块能控制物理参数,例如温度、压力、速度和流量等,并提供PID等闭环控制的功能。


4、数据处理

可以支持数控机床的控制和管理、多轴控制等。

由于自动化系统的要求日益提高,传统的提供I/O点服务的PLC和工控机已经无法满足复杂的工艺要求。因此,PLC和工控机在硬件系统上有了根本的变化。

PLC系统在模块上的技术发展有:

1、处理器模块

配备大容量内存,为满足实时控制的要求而优化设计,除了一般的I/O扫描和控制、远程数据交换外,支持大型的集成控制、通讯、并行运算、处理器独立后台程序和处理器输入中断等功能。如A-B公司的ControlLogix处理器模块在它的内核中设计有通信功能,借助于它的无源数据总线,系统的瓶颈得以消除。这种灵活的结构允许多个处理器、网络以及I/O在一个机架中搭配使用而没有限制。


2、信息协处理器模块

读取主处理器的数据表和状态文件,或通过高级语言程序将数据写入主处理器,程序可以在实时多任务环境下以及独立于PLC处理器的方法,单独在协处理器中运行。


3、高级语言协处理器

通过C和Basic的接口来进行复杂的计算和算法实现。


4、网络适配模块

在现场总线与处理器之间提供通讯接口,以便PLC处理器和I/O模块进行远程的数据交换。


5、具有特殊功能的I/O模块

如A-B公司在其产品中提供了智能变送器模块、温度控制模块、称重模块、开环速度控制模块、塑料制造模块、力矩控制模块、绝对编码模块、可组态流量计模块、电流同步模块等。这些模块的设计考虑了特殊行业的需要,使得复杂的控制功能以模块化的方式得以解决,提高了可靠性和专业水平。


同样,工控机也从I/O板卡的基础上飞速向前发展,大规模集成电路和计算机本身的革命性发展给工控机提供了舞台。工控机系列产品除了全系列的I/O板卡外,还发展了一体化工作站、带电子盘的工控机、远程RTU、适用于仪表行业的微型工控机、适用于视频和多媒体行业的工控机、适用于通讯行业的带监控液晶屏的工控机、与PLC合一的特殊工控机以及防爆型工控机。


工业现场的应用环境要求PLC和工控机具有很高的可靠性,而可靠性是靠电磁兼容特性(EMC)和容错技术来保证的。PLC和工控机要经过严格的电磁兼容检测,如辐射敏感度检测、谐波/电压波动/电压骤降检测、静电/快速脉冲/雷击检测、电磁干扰检测等。EMC保证了设备在本质上的抗干扰特性。但是,要保证控制设备不出故障是不可能的。因此,采用容错设计的系统对要求不能停机、不能失控的高可靠系统是十分重要的。目前重要的容错设计技术有Watchdog和双机热备(包括主机、模块和通讯介质的热备)。热备系统的工作对用户来说是透明的:即当故障发生时,所有对故障点的切除和数据的备份都是在最短的控制周期内自动完成的。此项技术的完成包括了设备硬件和软件二个方面。图2给出了PLC双机冗余系统的结构。


图2 PLC双机冗余系统结构


三、PLC和工控机的软件特性

PLC、工控机和现场总线为工业自动化提供了很好的底层控制硬件基础。随着软件技术的迅猛发展,控制软件不再是单调的数字和菜单操作界面,而是图形化的人机交互工具。好的工控软件包括了从底层的数据采集、数据库、控制逻辑运算到高层的人机图形界面(MMI)。这里,我们从工控软件体系结构而不是个别软件功能的角度介绍PLC和工控机的应用软件应该具备的特性。


微软为制造业的分布式网络结构提出了一个功能强大的概念,它包括了企业资源规划(ERP)和制造资源规划(MRP)的主要功能、控制、人机界面与数据采集和监控(SCADA)、制造执行系统(MES)、批量控制与设备界面等,但它们同时增加了用户成本以及共享数据的难度。


因此,在1998年,微软公司引入了Windows分布式互连网络应用的概念,简称Windows DNA。它是在企业内将各种商业应用软件进行无缝连接的一种结构。这种结构可以使制造业的软件开发商开发出强壮的、具有多种特性的产品,并使最终用户将其各自独立的制造和商业软件应用集成到一个数字神经系统中去。


各个控制设备生产厂家如罗克韦尔自动化公司,通过其产品和与微软的合作,正在将Windows DNA结构引入制造业。这些公司在制造业软件开发过程中具有自己的策略框架,如罗克韦尔互联网应用结构,或称RNA,就是与微软提出的为企业定义的DNA结构紧密平行的一种。


建立在微软的Windows NT和Windows 9X操作系统和用户接受的微软Office套件、微软BackOffice工具的基础上,微软公司于1998年引入了DNA结构。Windows DNA立刻被采纳为连接在一个单独的企业分布式大系统中多种产品的策略结构。


DNA包含了传统的计算机系统并允许组成可变结构的Client/Sever系统,该系统可以提高技术等级以及进行应用革新。Windows DNA的关键元素包括工具、集成存储、商务过程、用户界面和导航。
更详细地说,DNA具有如下特征:

  • 公共的操作系统和网络;

  • 公共数据访问;

  • BackOffice工具和服务;

  • 公共的应用底层结构;

  • 与微软的Office应用集成;

  • 强有力的开发工具;

  • 可遗传的系统集成工具;

正如微软定义的那样,制造业的Windows DNA包含了企业资源规划/制造资源规划,控制(不论其为分布式、基于PC的或PLC)、人机接口和SCADA,制造执行系统、批处理和设备接口。没有制造业的DNA,那么在这些应用功能之间的鸿沟只能由用户界面和驱动设备来填补。这将会使业主系统的成本增加,并且由于数据格式问题而很难共享数据。


早在80年代中期,罗克韦尔自动化在其CIM版本中首先确定了将工厂底层与上位计算机系统连接的需求。但是,直到现在实现以上概念的软件和硬件的核心技术才成熟,它们包括商业方面的应用如数据采集和监控、人机界面(HMI)、批量控制(Batch)、MES、ERP接口、基于PC总线的控制和通讯。

以RNA结构为例,它包括了:


1、操作系统平台

包括了从最早的Win3.1环境的人机界面和编程软件到Windows NT开发全功能人机界面。随着Windows CE的到来,一些公司正计划提供基于CE的全套的PLC编程、人机界面和控制软件。


2、COM和DCOM

建立COM(组件对象模型)和DCOM(分布式组件对象模型)使得产品具有互操作性、扩展性和灵活性。COM与其它工控软件产品的结合增加了提供集成套装软件(ProcessPak和ControlPak)的能力,还增加了各独立软件的模块化程度和促进某公司产品与其它厂家产品的集成能力。例如,罗克韦尔软件RS SQL是一个数据登入和传送处理的系统,采用COM技术提供连接控制系统和企业数据库系统的双向联系,是支持制造业DNA数据库环境的版本。


3、Visual Basic的应用

微软认为VB是在DNA框架内实现内部集成的关键技术。VBA为DNA结构提供了三大益处,首先,它为最终用户提供不需要学习特定语言而能编制自己的实际应用程序的标准方法;其次,VBA提供了多个应用间共享数据或集成功能的方法,例如,它允许人机界面软件可以利用微软的Excel表格的功能,这是一个系统模型公司的产品,具有计算功能和生产计划功能;最后,最终用户如将内嵌VBA产品集成到基于DNA的制造信息系统,它能够使目前工业界众多使用VB作为系统快速开发工具的工程师们提升其软件产品。


4、ActiveX

ActiveX技术的应用日益广泛,许多厂商推出的产品都支持ActiveX。罗克韦尔软件公司首先为制造工业的应用软件引入了ActiveX技术,并且是第一个授权的软件开发商,同时能将VBA嵌入到核心产品中去。


5、OPC-过程控制OLE

DDE是微软为front-office应用开发的共享小量相对不变的数据的技术。与DDE不同,过程控制OLE技术面向制造环境的控制性能、结构和可靠性而设计。微软的制造业DNA确定了设备、控制应用和商业应用间应该具有开放性和互操作性接口特征(OPC)。罗克韦尔是OPC组织制定者和主要开发者。OPC负责建立基于COM技术的应用规范,它允许所有的应用程序采用同样的基于COM技术的接口去访问数据,简化了数据的采集和共享方法。


根据以上要求采用了制造业DNA的许多技术后,罗克韦尔还提供面向企业和工业的集成软件包,如用于批量控制的RSBatch、RSView32、RSLogix等可用于对功能框图进行编程。它们也利用COM集成、VBA和OPC为应用间提供互操作性和与企业的其它层连接。控制软件包还为连接I/O、PC总线的控制、编程、VBA和COM对象提供相同的互操作性。


制造业信息技术的最高境界是采用无缝连接、投资有效、规模灵活和兼顾未来的发展的思想并在企业内共享从工厂底层采集的数据。RNA的技术保证了其用户用他们的现有软件去实现基于DNA的环境。只有当企业能够得到足够的信息以制定更好的决策、将其供应渠道和运作结合起来,才能使其整个系统更接近用户。虽然计算机硬件和网络技术已有很大发展,在软件领域仍还有很多的工作要做。


四、PLC和工控机的网络特性

现场总线技术是工业自动化最深刻变革之一。PLC和工控机采用现场总线后可方便地作为I/O站和监控站连接在DCS系统中。现场总线是一种取代4~20mA标准,用于连接智能现场设备和控制设备的双向数字通讯技术,现场总线具有开放性和互操作性,它使得一些控制功能下移到现场设备中。


现场总线还可以处理复杂的事情:本质安全、危险场合、多变量的过程以及法规要求严格的环境。PLC和工控机采用现场总线有以下益处:


1、互操作性

互操作性定义为在没有任何功能损失的条件下,不同厂家的多个设备可以工作在一个系统中,互操作性允许工厂工程师可在相同的现场总线中集成不同厂家的设备,也允许工程师用别的厂家的设备来替换一台现场总线设备。


2、更低的安装费用

现场总线将极大地降低工厂最初的费用,包括简化接线、更少的接线端子排和简化了的仪表选型。此外,减少的费用还有:简化了图纸、简化了控制系统的工程实施、减少了用于连线、接线柜和接线盒的费用。通过把控制功能转移到现场,控制系统的费用也降低了:减少了DCS所需的空间,减少了控制系统的I/O点数,减少了机柜的空间和I/O接线端子排。现场总线将能提供在线的远方数字通讯,可用来实现更快的调试、更快的诊断,降低安装和调试设备的人工费用。


3、更低的维护费用

现场总线将扩大操作人员观察整个过程的视角,这样,可以方便和有效地进行维护和过程管理,加快查找和消除故障的速度。现场总线可以实现在线诊断,更方便的标定和预测维护性。


4、改进性能

随着控制功能从DCS转移到单独的控制回路,由于就地控制更快,更准确,系统的集成度和可靠性也增加了。现场总线还能充分利用具有多传感器设备的优点,因为在一对导线上允许多个信息流动。


由于现场总线使得更容易从现场获取设备信息,工厂操作员和管理人员能够对其过程进行更严格的控制,从而改进性能、增加过程的可用性和一致性。


现场总线不仅是一种信号通讯协议,还是一种全新的控制过程的方法。目前,在PLC和工控中使用的主流现场总线协议有西门子的ProfiBus,罗克韦尔自动化的ControlNet和DeviceNet以及基金会现场总线FF等。以下以ControlNet和DeviceNet为例介绍工业自动化中的网络体系结构和通讯技术。


控制网(ControlNet)是近年来推出的一种新的面向控制层的实时性现场总线网络,在同一物理介质链路上提供时间关键性I/O数据和报文数据,包括程序的上载/下载,组态数据和点对点的报文传递等通讯支持,是具有高度确定性、可重复的高速控制和数据采集的网络,I/O性能和端到端通讯性能都较传统网络有较大提高。


ControlNet是基于生产者/消费者(Producer/ Consumer)模式的网络,允许在同一链路上有多个主控制器共存,支持输入数据或点对点信息的多路发送,大大减少了网络上的交通量,提高了网络效率和网络性能。


ControlNet 是高度确定性、可重复的网络。所谓确定性就是预见数据何时能够可靠传输到目标的能力,而可重复性则是指数据的传输时间不受网络节点添加/删除情况或网络繁忙状况影响而保持恒定的能力。在实际应用中,通过网络组态时选择性设定有计划I/O分组或互锁时间,这些要求能得到更进一步的保证。因此,ControlNet非常适用于一些控制关系有复杂关联,要求控制信息同步、协调实时控制、数据传输速度要求较高的应用场合。如协同工作的驱动系统,焊接控制,运动控制,视觉系统,复杂的批次控制,有大量数据传送要求的过程控制系统,有多个控制器和人机界面共存的系统等。对于有多个基于PC的控制器之间,不同PLC之间或PLC和DCS之间存在通讯要求的场合, ControlNet非常适用。 ControlNet允许多个各自拥有自己独立或共享的I/O的控制器之间相互通讯或以灵活的互锁方式组织。由于其突出的实时性、确定性、可选的本征安全等特性,越来越多地应用于过程控制等要求较高的应用场合。


ControlNet是开放的现场总线,截止1999年底在全世界范围内已经拥有包括Rockwell Autom-ation、ABB、Honeywell等近70家著名厂商组成的成员单位,由独立国际组织——控制网国际(ControlNet International)负责管理,该组织旨在维护和发行ControlNet技术规范,管理成员单位的共同的市场推广工作。同时提供各个厂商产品之间的一致性和互操作性测试服务,保证 ControlNet的开放性。


控制网的通讯是基于一种全新的通讯模式:生产者/消费者通讯模式。工业控制要求控制网络提供越来越高的生产率、更高的系统性能,同时又提供确定性的、可重复的、可估计的设备间通讯。单纯提高波特率或单纯提高协议效率,都不能从根本上解决问题。传统的网络通讯模型是源/目的型或者称点到点的通讯方式,这种方式的优点是通讯的内容和形式都十分明确,在传送的报文中都包含了明确的源和地址信息,但是在源/目的网络模式下,当同一数据源上的数据向网络上其它多个节点发送数据时,必须经过多次才能实现,这就大大增加了网络的负担,降低了通讯的效率。另外,由于数据到达不同网络节点的时间可能因网络上节点数目的不同而变化,不同节点之间的同步就变得困难,通讯的实时性不能得到保障。


不同于以往的通讯模式,生产者/消费者模式允许网络上的不同节点同时存取同一个源的数据。在生产者/消费者模式下,数据被分配一个唯一的标识,根据具体的标识,网络上多个不同的节点可以接收到来自同一发送者的数据,其结果是,数据的传输更为经济,每个数据源一次性把数据发送到网络,其它节点选择性的收取这些数据,不浪费带宽,提高了系统生产率,通讯效率提高,数据只须产生一次,不管有多少个节点需要接收这个数据。数据经过同样的时间传送到不同的节点,可以实现通讯的精确同步。


DeviceNet是一种用于连接工业设备(如限位开关、光电传感器、阀门、电动机启动器、过程传感器、条型码读入器、变频器、屏幕显示和操作界面等)与网络的现场总线,其特点是成本低、开发容易、支持的厂家多并且不需要昂贵的连接线路。

DeviceNet是一个开放式的协议,它最初是由美国罗克韦尔自动化公司开发应用。目前,DeviceNet技术属“开放DeviceNet厂商协会”归ODVA组织(Open DeviceNet Vendor Associaiton)所有和推广。ODVA在世界范围拥有300多家著名自动化设备厂商的会员(如罗克韦尔自动化、ABB、欧姆龙)。中国的ODVA组织由上海电器科学研究所牵头成立,目前正积极推广该技术。设备厂商只要参加ODVA组织,就可以得到有关DeviceNet协议标准,还可以加入产品讨论组来得到产品开发的帮助。DeviceNet产品的开发并不复杂。设备DeviceNet是基于CAN的技术。作为一种串行通讯技术,CAN是80年代中后期适应汽车控制网络化要求而产生并迅速发展起来的,并已成为开放的国际标准通讯协议(ISO 11898),在包括工业自动化在内的众多领域得到了广泛的应用。

DeviceNet在1994年问世,1995年成为开放协议,并由ODVA负责推广,在北美及亚太地区都有日益广泛的应用。DeviceNet网络介质可采用五线制电缆,它包括了二条信号线,二条24V电源线和一条屏蔽线。DeviceNet设备可以从网络上直接获得电源,并能在线地从网络上连接和切下设备。

DeviceNet的应用优点有:

  • 它是一种支持多方厂家产品互操作的开放式通讯标准;

  • 能快速方便地安装;

  • 是一种考虑未来的设计,能根据扩展和变化需要来方便地增加功能;

  • 由设备内部的智能机制提高运行效率;

  • 通过数据生成源/消费源通讯结构提供高效的带宽;

  • 可不断电地在线对设备组态和增加设备。

现场总线网、智能化设备仪表的发展,不可避免地影响着DCS的体系结构,现在可以看到的一个明显的趋势是DCS的进一步分散化。传统的DCS,在I/O控制站这一层仍然是一个集中式的结构,有些系统出于成本或其它方面的考虑,将I/O控制站的规模做得很大。这种考虑包括:高性能CPU的价格己降得很低,为了充分发挥CPU的能力,可以将一个I/O控制站的点数、回路数扩充,以降低成本。但是这种设计提高了危险性的集中度,如果为了提高可靠性增加冗余措施,系统成本仍然会上升,因此并不是一个理想的解决方案。从当前的发展趋势看,利用现场总线网和智能化设备、智能化仪表,加上通用的工控机完全可以组成一个小型的DCS,这就对传统的DCS提出了挑战,因为基于现场总线网的DCS具有很多优越性,无论从系统的成本上、可靠性上,安装使用、维护的方便性及可扩充性上都有很大的优势。那么,传统的DCS将如何发展才能接受这个挑战呢?

答案是明确的,只有在I/O控制站这一层进一步分散化,采用现场总线网技术,形成以现场总线网基础的、以智能I/O模块构成的分布式控制站。也就是说,将过去DCS中集中式的I/O控制站变成分布式的控制站,在传统DCS网络的下一层再引入一层现场网络,形成设备级网络、控制级网络和管理级网络这样三层网络结构,以此来满足不断提高的应用需求。

DCS在形成了三层网络结构以后,基本控制单元深入到了设备控制这一级,向上,DCS的功能延伸到管理控制级,逐步形成了一个较完整的控制、管理一体化的体系结构。

图3给出了一个典型的工业自动化系统的三层网络结构,其低层是以DeviceNet现场总线将设备、PLC的远程I/O点连接在一起的设备层、中间是以ControlNet(或DH+、DH485等)将PLC、工控机以及操作员界面连接在一起的控制层网络,而上层的Ethernet以PC或工作站为主完成管理和信息服务任务。三层网络各司其职,代表了工业控制的典型结构。


图3 典型工业自动化系统的网络结构

五、结论

随者微机的软硬件技术和网络通讯技术的飞速发展,工业自动化领域发生了革命性的技术进步。而PLC及工控机作为工业控制的设备基础,通过技术的不断革新,在工业控制中的地位日益加强,并且成为实现工业控制技术进步的主要工具。



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