日本可编程控制器的发展动向

作者：上海工业自动化仪表研究所 彭瑜

欢迎访问e展厅 展厅 3 PLC展厅 PLC可编程控制器, PLC编程电缆, ... —日本2003年系统控制展览会观后感 日本2003年系统控制展览会（System Control Fair）于2003年11月11—14日在东京国际展示场举行。这个每两年举办一次的展览会主要是针对日本国内观众的；说是以系统控制为中心组织展览，但是所展出的系统和产品均是应用于工厂自动化的，以流程工业为应用对象的过程控制系统全然不在展览之列。 由于经济不够景气，日本的可编程控制器产量，从2000年达到历史上最高的年产量145万3千台（产值1,191亿日元）之后，减至2002年117万9千台（产值957亿元）。预计2003年有小幅增加，达125万台（产值1015亿日元）。在全部PLC中，程序容量小于等于1K字的超小型PLC约占4成（2000年为61万台，占41.55%），程序容量小于等于4K字的小型PLC则占5成以上（2000年为73万台，占50.2%），程序容量在4K字以上、16K字以下的中型PLC占0.5成（2000年为7.2万台，占4.95%），程序容量大于16K字的大型PLC占0.4成（2000年为4.8万台，占3.3%）。 我们从以下几个方面来观察，进入21世纪以来日本PLC的技术发展。 适应市场需求，加强信息处理能力 用户希望能通过PLC在软技术上协助改善被控过程的生产性能；需要PLC能与PC机更好地融合，以便于在PLC这一级就可加强信息处理能力。为顺应这些要求，CONTEC与三菱电机合作，推出专门装插在小Q系列PLC的机架上的PC机模块。该模块占2个插槽，实际上就是一台可在工厂现场环境正常运行、而且可通过PLC的内部总线与PLC的CPU模块交换数据的PC机。其处理机芯片采用Intel的Celeron 400MHz主频，系统内存128MB，Cache 128K。支持外挂显示器（最大分辨率1024x768，65,536色，显存2MB）。接口有：USB 1个，可扩至2个；以太网插口RJ45（10BASE-T/100BASE-TX0；串口RS 232C 1个，可扩至2个；并口可扩1个；鼠标、键盘口 PS/2；外挂软盘驱动器口；外挂硬盘驱动器口；以及2个PC卡件（PCMCIA总线）。硬盘模块或固态盘可插装在PLC机架上。该模块可预装Windows NT 4.0或Windows 2000。支持的软件有：三菱综合FA软件MELSOFT（包括PLC编程软件：GX；FA数据处理、日常业务处理加速中间件：MX；人机界面画面设计编程软件：GT；运动控制设计编程维护软件：MT；以及过程控制设计编程维护软件：PX）。另外，还支持三菱FA用的通信中间件EZSocket。据悉，目前在日本国内共有包括日本电气、横河等43家企业可提供采用EZSocket的软件产品，供通信、数据采集、SCADA/监控、CAD/编程、生产管理、图像处理分析/数值解析、信息处理之用。 由于近年来日本的中大型PLC纷纷推出一个机架上可装插多个CPU模块的结构，所以将PC机模块与PLC的CPU模块、过程控制CPU模块或运动控制模块同时插在一个机架上，实际上就是将原来PLC要通过工厂自动化（FA）用PC机与管理计算机通信的三层结构(图1a)，改为PLC系统可直接与生产管理用的计算机通信的两层结构。这样一来，上报生产实绩，接受管理机的生产指示来得快捷方便。 PLC基础技术的进展 PLC的基础技术的进展，主要集中在两个基本方面：执行多任务和程序互换。 j 所谓执行多任务，就是在一个PLC系统中可同时装几个CPU模块，每个CPU模块都执行某一种任务，控制与其所执行任务相关的I/O模块的存取。其实，按照IEC 61131-3的概念，我们应该更确切地称之为通过多配置执行多任务。例如，三菱电机的小Q系列最多可以在一个机架上插4个CPU模块；富士电机的MICREX-SX系列最多可以在一个机架上插6个CPU模块。这些CPU模块可以是专门用于逻辑控制、顺序控制的，也可以是运动控制用的，还可以是做过程控制用的，上述在Windows操作系统的环境下执行PC机任务的模块，也是供用户选择的一种选项。从某种意义上讲，这也是一种混合式的控制系统。 PLC的传统软件模型包括一个资源，运行一个任务，控制一个程序，且运行于一个封闭系统中。而在IEC 61131-3可编程控制器编程语言标准的软件模型中，在其最上层把解决一个具体控制问题的完整的软件概括为一个“配置”。它专指一个特定类型的控制系统，包括硬件装置、处理资源、I/O通道的存贮地址和系统能力，等同于一个PLC系统的应用程序。在一个由多台PLC或由多个CPU构成的PLC控制系统中，每一台PLC或每一个CPU的应用程序就是一个独立的“配置”。在一个“配置”中可以定义一个或多个“资源”。可把“资源”看作能执行IEC程序的处理手段，它反映PLC的物理结构，在程序和PLC的物理I/O通道之间提供了一个接口。只有在装入“资源”后才能执行IEC程序。一般而言，通常资源放在PLC内，当然它也可以放在其它支持IEC程序执行的系统内。在一个“资源”内可以定义一个或多个任务。任务被配置后可以控制一组程序或功能块。这些程序和功能块可以是周期地执行，也可以由一个事件驱动予以执行。 由此可见，该软件模型足以映像各类实际系统：对于只有一个处理器的小型系统，其模型只有一个配置、一个资源和一个程序，与现在大多数PLC的情况完全相符。对于有多个CPU模块插装在同一机架上的中、大型系统，每个CPU模块被视作一个配置，可由一个或多个资源来描述，而一个资源则包括一个或多个程序。对于分散型系统，包含多个配置，而一个配置又包含多个处理器，每个处理器用一个资源描述，每个资源则包括一个或多个程序。 值得指出的是，近些年来在日本开始流行的多CPU的PLC结构，恰恰是在IEC 61131-3标准颁布后多年之后才问世的。这个PLC结构的革命性变化，显然是建立在这个软件模型的理论基础上，要不然PLC还是由一个CPU按扫描方式执行一个程序的那种传统结构。 k 至于程序互换的问题，至少到目前为止尚是一个努力的方向。只有在每个PLC的供应厂商所提供的PLC产品都真正遵循IEC 61131-3的标准，而且其编程系统的具体实现又切实符合IEC 61131-8《编程语言的应用和实现导则》，并通过PLCopen这个国际组织对各种编程语言（LD、SFC、FBD、ST和IL）的一致性测试，还要解决不同PLC的存储地址资源的对应互换，才有可能实现名副其实的程序互换。 PLC硬件和软件的进展 PLC硬件和软件的进展，从系统上讲是实现小型化、高速化，以及将信息技术渗入PLC；从硬件上讲是，采用32位RISC的MPU、专用的LSI和多CPU；从软件上讲则是，采用与国际标准IEC 61131-3相对应的日本工业标准JIS B 3503。 j小型化由于日本电子工业尤以器件、电路板等硬件见长，所以在PLC系统上实现小型化，可以说最早就是起源于日本，又由他们来推动，并一直乐此不疲、贯彻至今的。小型化的好处是：节省空间、安装灵活、降低成本。 现今日本主要PLC厂商生产的模块式中、大型PLC，其典型的外形尺寸要比他们在前一代的同类产品的安装空间要小50-60%。例如三菱电机的小Q系列就比AnS系列的安装空间减少60%。要做到这一点，首先需要开发大规模的专用集成电路芯片（ASIC）来减少芯片的个数，并采用球栅阵列（BGA）以保证在同样封装尺寸下能提供足够多的针脚数。例如，某CPU模块原来用了约700个元器件，通过开发了12种大规模的ASIC（采用BG352的针脚封装）和调整功能，减少了显示用的LED和开关等措施，使元器件减少了一半左右。其次，为减少接插件在印刷电路板上所占的空间，要求接插件的针脚间隔足够小。再次，随着微细加工技术的发展，印刷电路板上的接线布局可实现高密度化、多层化和薄型化，大大提高了元器件的安装率。例如某CPU模块采用了1毫米厚的基板制成8层电路板。由于采取了以上这些措施，使CPU模块由3块印刷电路板变为2块，体积减少了70%，小型化得以较完美地实现。随着小型化又产生了如何解决小空间的散热设计问题：一是要根据热分析仿真来确定元器件的布置安排；二是主要元器件的电源电压采用3.3V，达到低功耗的目的；三是考虑了通过安装模块的基板，使模块所产生的热量能得到良好散热的机械结构。 k高速化 所谓高速化应该包括：运算速度的高速化；与外部设备的数据交换速度高速化，如I/O刷新和网络刷新等；编程设备服务处理的高速化；外部设备的高速响应。 运算速度高速化也是日本PLC系统追求的一个重要目标。由于目前PLC的CPU模块竞相采用32位RISC芯片，运算速度大为提高。一般基本指令的执行速度均达到数十个纳秒（ns），如三菱电机的Q02HCPU其输入指令的执行时间为34ns，富士电机MICREX-SX系列SPH300达20ns，横河电机的FA-M3系列的F3SP59-7S其输入指令的执行时间为17.5ns。仅看一种指令的执行时间并不能完整地说明问题。日本电机工业会（日本电机工业的行业协会）JEMA一直倡导用PCmix值（即PLC的处理时间性能表示指标，用1微秒执行的基本指令和数据处理指令的平均次数来表示）来衡量PLC的运算速度。所谓1微秒执行的基本指令和数据处理指令的平均次数，是按PLC应用程序所使用的指令的频繁程度的统计平均值计算的。一般是基本指令占54%(其中输入指令占17%，输出指令13%，逻辑运算指令21%，定时器输出3%)，数据处理指令占39%（其中传送指令占25%，四则函数运算指令，比较指令6%），其它指令7%。仍以三菱电机的小Q系列为例，其中的Q25HCPU的PCmix值是10.3，比A2UHCPU-S1快5倍（为2.0），比A2SHCPU快20倍多(PCmix值为0.5)。随着PLC的功能扩展，运算指令、文字处理指令、通信指令等用的越来越多，各种指令的使用频率也会发生一定的变化，PCmix值的计算也会有所变化。这里顺便提一下，之所以要多次举三菱电机为例，是因为它的PLC的市场份额占日本的50%以上，为日本的最大PLC供应厂商，因而具有相当的典型性。同时，通过软件技术提升PLC专用操作系统的水平，实现了事件中断的高速响应（200微秒）功能，高速计数功能，0.5毫秒（三菱电机的小Q系列PLC）、甚至0.2毫秒（横河电机的的FA-M3系列PLC）的恒定扫描时间功能与外部设备的数据交换速度高速化。PLC的CPU模块通过系统总线（一般做在基板的印刷电路上）与装插在基板上的各种I/O模块、特殊功能模块、通信模块等交换数据，装插的模块越多，CPU模块与那些模块之间的数据交换的时间就会增加。这种数据交换的时间的增加，在一定程度上会使PLC的扫描时间加长。因此，有必要采取以下措施使系统总线传输速度高速化：增加系统总线的带宽使一次传输的数据量增多，例如三菱电机的小Q系列PLC，增加了系统总线的带宽，使所传输的数据量是以前的2倍；在系统总线存取的方式上，采用连续成组传送技术实现连续数据的高速批量传送，大大缩短了存取每个字所需的时间；通过向与系统总线相连接的模块实现全局传送，即针对多个模块同时传送同一数据，有效地用活了系统总线。 编程设备服务处理的高速化。当扫描时间为数十毫秒时，几毫秒的编程工具和监控设备的服务处理时间不会带来什么问题。但是在执行1毫秒以下的控制任务时，就有必要大大缩短这个时间。所采用的方法是以多CPU芯片并行处理的方式，由专门处理编程及监控服务的微处理器芯片执行这类处理，以减轻对执行控制程序的CPU芯片的影响，让它只管执行顺控和逻辑运算。此外，为了提高服务处理的效率，缩短在现场读写程序的时间，以缩短操作时间，采用了高速的串行通信（最大的波特率为115.2Kbps）以及将UCB口（最大波特率达12Mbps）引入PLC的CPU模块，从而实现与编程工具及监控设备之间通信的高速化，并允许同时使用这两个通信端口，由多人同时进行编程和调试。 提高外部设备的响应速度。在PLC内部实现高速化的同时，还要提高外部设备的响应速度，才能整体提高整个系统的性能，为此，在缩短I/O模块的输入输出响应时间，提高模拟量输入输出模块的模-数和数-模转换时间，下了不少工夫，以求得系统整体的控制速度达到毫秒级以下。例如，在晶体管输出模块的输出电路中选用高性能的晶体管，使响应时间加快50%；在直流输入模块中，其输入的时间常数回路采用专用ASIC芯片，可通过编程软件选择输入模块的响应时间为1/5/10/20/70毫秒；为提高模拟量模块的转换时间，采用A/D或D/A的专用芯片，是转换速度为原先的1/2—1/6。另外也通过开发专用的处理器和通信专用ASIC，缩短通信网络模块之间的通信链接的循环时间。 l信息技术渗入PLC。信息技术渗入PLC是为了适应工厂控制系统和企业信息管理系统日益有机结合的发展趋势；适应在控制层面让不同品牌的PLC之间，让PLC与DCS、SCADA等系统之间，能有效而足够快地交换数据的市场要求。它主要表现在： 1）让以Windows操作系统的PC机嵌入PLC系统[见上述第（1）节]。 2）创建开放的网络环境。如推出能挂100M的高速以太网的Web服务器模块（三菱电机小Q系列的QJ71WS96，横河电机FA-M3系列的F3WBM1-0T-S01），模块内的软件捆绑了目前最常用的TCP/IP、UDP/IP等传输层和网络层的规约，以及HTTP、FTP、SMTP、POP3等应用层的规约，使PLC可直接进入因特网，成为不折不扣的基于Web的PLC；也可使日本产的PLC挂上以德国Siemens公司为主导的工业以太网ProfiNet。在这次系统控制展览会上，我们就见到日本Profibus组织（JPO）的展台上展出的通过多种方式挂ProfiNet的日本PLC，富士电机的MICREX-SX系列PLC、横河电机的FA-M3系列PLC都是直接经由其以太网模块挂ProfiNet的，三菱电机的小Q系列PLC则是通过其RS 232C的模块和外挂的RS 232C/以太网协议转换器（JNVE1型）挂ProfiNet的。 3）支持OPC中间件。如竹菱电机提供的DeviceXPlorer OPC Server可为三菱电机的MELSEC系列PLC、横河电机的FA-M3系列PLC、OMRON的SYSMAC系列PLC，以及丰田工机的TOYOPUC系列PLC提供软件接口，与作为OPC客户的应用程序相互通信。 mPLC的编程语言采用与国际标准IEC 61131-3相对应的日本工业标准JIS B 3503。进入20世纪90年代后期，日本PLC业界一个引人注目的动向是开始注重采用和向国际标准靠拢，如1997年颁布的日本工业标准JIS B 3501《可编程序控制器——一般信息》，JIS B 3502《可编程序控制器装置的要求事项和试验》，JIS B 3503《可编程序控制器——编程语言》，分别对应IEC制定的PLC标准IEC 61131-1、IEC 61131-2和IEC 61131-3。其中尤以采用PLC编程语言具有特殊的意义。众所周知，IEC 61131-3是可编程序控制器的编程语言的标准，它将现代软件的概念和现代软件工程的机制与传统的PLC编程语言成功地结合，使它在工业控制领域的影响越出PLC的界限，成为DCS、PC控制、运动控制,以及SCADA的编程系统事实上的标准。同样，大家也知道，日本虽然是一个工业发达国家，但又是一个技术相对封闭的国家。只有在某种国际标准已成为世界的主流的情况下，它才会考虑让日本工业标准向国际标准靠拢。我国在1995年就采用IEC 61131-3作为国家标准，而日本，采用IEC 61131-3要比我们晚好几年。 但是，日本是一个PLC的生产大国，也是一个PLC的出口大国，所以在它一旦采用了IEC 61131-3之后，便在其新一代的PLC编程软件平台中广泛采用。三菱电机的PLC编程软件包GX Ver.8开发系统，支持梯形图LD、指令表IL、顺序功能图SFC编程和结构化文本ST，其PX开发系统支持功能块图FBD，供PLC用于过程控制，不过PX是要与GX V.7.20W或更高版本一起用的。OMRON的PLC的编程软件包CX除支持LD、IL外，近期即将推出支持FB（功能块，不是FBD功能块图；其功能块将包括支持SYSMAC CS/CJ系列PLC等各种控制网络的通信功能块，以实现通信的无程序化），以及ST（结构化文本语言）。富士电机的PLC编程软件包及横河电机的FA-M3系列的编程系统，也支持IEC 61131-3。 附带要指出的是，上述这些符合IEC 61131-3的编程系统大多是在德国KW公司的标准编程系统MULTIPROG的基础上进行二次开发的。该编程系统基于IEC 61131-3标准，且包括IEC标准的全部特性。它由一个在各种IEC编程语言的环境中的独立PLC核组成；不但提供文本化语言ST和IL，也很好地提供图形化语言LD、FBD和SFC。每个编辑程序都提供编辑向导，允许快速而方便地插入关键字、语句、运算操作符、函数和功能块。编辑向导也可用来对数据类型加以说明。特定的软部件适应于不同的PLC，以完成某种特定PLC的独立的核。MULTIPROG在日本PLC业界有不少使用，应归功于设在东京的KW公司的代理——欧洲远东有限公司碶而不舍的推广应用。 PLC的应用领域仍在扩展 在日本，PLC的应用范围已从传统的产业设备和机械的自动控制，扩展到以下应用领域：中小型过程控制系统、远程维护服务系统、节能监视控制系统，以及与生活关连的机器、与环境关连的机器，而且均有急速的上升趋势。值得注意的是，随着PLC、DCS相互渗透，二者的界线日趋模糊的时候，PLC从传统的应用于离散的制造业向应用到连续的流程工业扩展，到底能走多远？从本届SCF展览会上也许能看到一些端倪。 在展览会期间举办的技术讲座中，三菱电机（株）名古屋制作所的八尾尚志在他的《PLC的仪表装置用途的提案》的报告中，介绍了PLC用作仪表装置的背景和课题，阐述了用于过程控制的MELSEC（三菱电机PLC系列的商品名称）的方案和做法。大致归纳如下： j用于过程控制的MELSEC瞄准中、小规模的过程控制系统，包括中、小型的批量控制系统，即在一般情况下，闭环调节回路不超过200个，监控位号（Tags）在4000—5000个以下。表1给出过程控制的MELSEC与DCS的比较，由表中我们可明显地看出，过程控制的MELSEC可在DCS的中、低端，以低成本的方式取DCS而代之。这就是过程控制的MELSEC的定位。 k对于包含过程控制要求的高速顺控、且含有驱动系统的张力控制的生产线，用于过程控制的MELSEC尤其适合。 l对用于过程控制的MELSEC的模拟量输入、输出功能加以充实，如采用通道隔离，模拟输入的基准精±0.05%，模出的基准精度±0.1%，高分辨率（最大为16位），模入模出均有断线检测等等。 m因目前用于过程控制的MELSEC的双机热备系统尚在开发之中，所以最好在万一控制系统停止运行，对生产影响比较小的场合。 n有鉴于此，在目前情况下用于过程控制的MELSEC最好用作DCS的一种理想的补充，如：DCS作为整个工程的监控、闭环控制和先进控制、与生产管理信息系统的联网通信，而用于过程控制的MELSEC用作辅助设备和分系统级的监控和控制；DCS作为大规模的模拟量的控制，而用于过程控制的MELSEC离散系统的高速控制（高速顺控加小规模回路控制）；DCS作为全厂运行的操作监控，而用于过程控制的MELSEC作为回路控制和顺序控制和逻辑控制。 o具体地说，用于过程控制的MELSEC主要考虑用于食品工业中的酿造、杀菌、灭菌和干燥过程，化工工业中的重整、蒸馏、干燥过程，精细化工工业中的调和、配比，钢铁工业中的原料混合、烧结、还原、分离工艺，有色金属工业中的电炉和融解炉控制，自来水厂的加药，造纸工业的造纸控制，环境保护工业的排水和污水处理、垃圾处理、垃圾焚烧、脱硫、灰处理等，半导体工业的加热炉、扩散炉、离子注入控制，船舶工业中的锅炉控制，塑料工业中的开卷和卷取等。 (end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (7/1/2004)