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OpenPLC--可编程控制器的发展趋势
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PLC可编程控制器, PLC编程电缆, ...
一、PLC的发展历史

可编程逻辑控制器,又称可编程控制器,有过多种定义。可以看作是一种经过特殊设计的工业计算机,整个的设计原则就是简单与实用。

1968年,通用汽车公司的液压部门为了消除既复杂又昂贵的继电器控制系统,确立了第一个可编程控制器的招标指标。该设计规格需要固态系统和电脑技术,并要求能够在工业环境中生存,也能够方便地编程,并且可以重复使用。该控制系统将大大减少机器的停机时间,并为未来提供了可扩展性。该招标由DEC公司中标,这套系统于1969年研制出来,这是第一台可编程控制器,型号为PDP-14,应用取得成功。其后,美国的MODICON公司也推出了同名的084控制器,1971年日本推出了DSC-80控制器,1973年西欧国家的各种可编程控制器也研制成功。这些早期的控制器满足了最初的要求,并且打开了新的控制技术的发展的大门。

PLC的发展也是与计算机技术、控制技术、数字技术、通信网络技术等高新技术的发展息息相关,正是这些高新技术的发展推动了可编程控制器的发展。

从控制功能来看,可编程控制器的发展大致经历了4个阶段:

1.初级阶段:从第一台PLC问世到20世纪70年代中期

由于第一代PLC是为了取代继电器的,因此,主要功能是逻辑运算和计时、计数功能。CPU由中小规模数字集成电路构成。主要产品有:MODICON公司的084,AB公司的PDQ-IL,DEC公司的PDP-14,日立公司的SCY-022等。第一阶段就采用了梯形图语言作为编程方式,尽管有些枯燥,但却形成了工厂的编程标准。

2.扩展阶段:从20世纪70年代中期到70年代末期

这一阶段PLC产品的控制功能得到很大扩展。扩展的功能包括数据的传送、数据的比较和运算、模拟量的运算等功能。这一阶段的产品有MODICON的184,284,384,西门子公司的SIMATICS3系列,富士电机公司的SC系列产品。

3.通信阶段:20世纪70年代末期到80年代中期

这一阶段产品与计算机通信的发展有关,形成了分布式通信网络。但是,由于各制造商各自为政,通信系统也是各有各的规范。由于在很短的时间内,PLC就已经从汽车行业迅速扩展到其它行业,作为继电器的替代品进入了食品、饮料、金属加工、制造和造纸等多个行业。其次,产品功能也得到很大的发展。同时,可靠性进一步提高。这一阶段的产品有西门子公司的SIMATICS6系列,GOULD公司的M84,884等,富士电机的MICRO和TI公司的TI530等。

4.开放阶段:从20世纪80年代中期开始

由于国际标准化组织提出了开放系统互连的参考模型OSI,使PLC在开放功能上有较大发展。主要表现为通信系统的开放,使各制造厂商的产品可以通信,通信协议开始标准化,使用户得益。此外,PLC开始采用标准化软件系统,增加高级语言编程,并完成了编程语言的标准化工作。这一阶段的产品有西门子公司的S7系列,AB公司的PLC-5,SLC500,德维森的V80和PPC11,加拿大ONLINECONTROL公司与合控电气公司所开发的OPENPLC等。

二、PLC的特点

1.PLC的硬件和软件进展

PLC的技术从诞生之日起,就不停地发展。PLC的定义也经过多次变动。1987年,国际电工委员会IEC(InternationalElectricalCommittee)颁布了可编程序控制器最新的定义:

可编程控制器是一种能够直接应用于专门为在工业环境下应用而设计的数字运算操作的电子装置。它采用可以编制程序的存储器,用来在其内部存储执行逻辑运算、顺序运算、计时、计数和算术运算等操作的指令,并能通过数字式或模拟式的输入和输出,控制各类的机械或生产过程。可编程控制器及其有关的外围设备都应按照易于与工业控制系统形成一个整体,易于扩展其功能的原则而设计。

可见,PLC的定义实际是根据PLC的硬件和软件技术进展而发展的。这些发展不仅改进了PLC的设计,也改变了控制系统的设计理念。这些改变,包括硬件和软件的。

以下列出了PLC的硬件进展:

采用新的、先进的微处理器和电子技术达到快速的扫描时间;
小型的、低成本的PLC,可以替代4到10个继电器,现在获得更大的发展动力;
高密度的I/O系统,以低成本提供了节省空间的接口;
基于微处理器的智能I/O接口,扩展了分布式控制能力。典型的接口如:PID,网络,CAN总线,现场总线,ASCII通信,定位,主机通讯模块,和语言模块(如BASIC,PASCAL);
包括输入输出模块和端子的结构设计改进,使端子更加集成;
特殊接口允许某些器件可以直接接到控制器上,如热电偶、热电阻、应力测量、快速响应脉冲等;
外部设备改进了操作员界面技术,系统文档功能成为了PLC的标准功能。
以上这些硬件的改进,导致了PLC的产品系列的丰富和发展,使PLC从最小的只有十个I/O点的微型PLC,到8000点的大型PLC,应有尽有。这些产品系列,用普通的I/O系统和编程外部设备,可以组成局域网,并与办公网络相连。整个PLC的产品系列概念对于用户来说,是一个非常节约成本的控制系统概念。

与硬件的发展相似,PLC的软件也取得了巨大的进展,大大强化了PLC的功能:

PLC引入了面向对象的编程工具,并且根据国际电工委员会的IEC61131-3的标准形成了多种语言;
小型PLC也提供了强大的编程指令,并且因此延伸了应用领域;
高级语言,如BASIC,C在某些控制器模块中已经可以实现,在与外部通讯和处理数据时提供了更大的编程灵活性;
梯形图逻辑中可以实现高级的功能块指令,可以使用户用简单的编程方法实现复杂的软件功能;
诊断和错误检测功能,从简单的系统控制器的故障诊断,扩大到对所控制的机器和设备的过程和设备进行诊断;
浮点运算可以进行控制应用中计量、平衡和统计等所牵涉的复杂计算;
数据处理指令得到简化和改进,可以进行涉及大量数据存储、跟踪和存取的复杂控制和数据采集和处理功能。
尽管PLC比原来复杂了很多,但是,他们依然保持了令人吃惊的简单性,对操作员来说,今天的高功能的PLC与三十年前一样那么容易操作。

2.PLC的特点

PLC发展如此迅速的原因,在于它具有一些其它控制系统,包括DCS和通用计算机在内,所不及的一些特点。下面对这些特点做一个介绍:

① 可靠性

可靠性包括产品的有效性和可维修性。可编程控制器的可靠性高,表现在下列几个方面:

a) 可编程控制器不需要大量的活动部件和电子元件,接线大大减少,与此同时,系统的维修简单,维修时间缩短,因此可靠性得到提高;

b) 可编程控制器采用一系列可靠性设计方法进行设计,例如冗余设计,掉电保护,故障诊断,报警和运行信息显示和信息保护及恢复等,提高了MTBF,降低了MTTR,使可靠性得到提高;

c) 可编程控制器有较强的易操作性,它具有编程简单,操作方便,编程的出错率大大降低,而为工业恶劣操作环境设计的硬件使可靠性大大提高;

d) 可编程控制器的硬件设计方面,采用了一系列提高可靠性的措施。例如,采用可靠性高的工业级元件,采用先进的电子加工工艺(SMT)制造,对干扰采用屏蔽、隔离和滤波等;存储器内容的保护,采用看门狗和自诊断措施,便于维修的设计等。

一份用户选用PLC原因的调查报告指出:在各种选用PLC的原因中,首选原因是可靠性高的,占93%,其次,才是性能和维修方面的原因。

② 易操作性

PLC的易操作性表现在下列三个方面:

a) 操作方便:对PLC的操作包括程序的输入和程序更改操作,大多数PLC采用编程器进行程序输入和更改操作。现在的PLC的编程器大部分可以用电脑直接进行,更改程序也可根据所需地址编号、继电器编号或接点号等直接进行搜索或按顺序寻找,然后可以在线或离线更改;

b) 编程方面:PLC有多种程序设计语言可以使用,对现场电气人员来说,由于梯形图与电气原理图相似,因此,很容易理解和掌握。采用语句表语言编程时,由于编程语句是功能的缩写,便于记忆,并且与梯形图有一一对应的关系,所以有利于编程人员的编程操作。功能图表语言以过程流程进展为主线,十分适合设计人员与工艺专业人员设计思想的沟通。功能模块图和结构化文本语言编程方法的应用尚未普及,但由于它们具有功能清晰,易于理解等优点,而且与DCS组态语言统一,正受到广大技术人员的重视。

c) 维修方便:PLC所具有的自诊断功能对维修人员的技术要求较低,当系统发生故障时,通过硬件和软件的自诊断,维修人员可以根据有关故障代码的显示和故障信号灯的提示等信息,或通过编程器和HMI屏幕的设定,直接找到故障所在的部位,为迅速排除故障和修复节省了时间,降低了MTTR。

为便于维修工作的开展,有些PLC制造商提供维修用的专用仪表或设备,提供故障维修树等维修用资料;有些厂商还提供维修用的智能卡或插件板,使维修工作变得十分方便。此外,PLC的面板和结构设计也考虑了维修的方便性。例如,对需要维修的部件设置在便于维修的位置,信号灯设置在易于观察的位置,接线端子采用便于接线和更换的类型等,这些设计使维修工作能方便地进行,大大缩短了维修时间。采用标准化元件和标准化工艺生产流水作业,使维修用备品备件简化等,也使维修工作变得方便。

③ 灵活性

PLC的灵活性主要表现在以下3个方面:

a) 编程的灵活性:PLC采用的标准编程语言有梯形图、指令表、功能图表、功能模块图和结构化文本编程语言等。使用者只要掌握其中一种编程语言就可进行编程,编程方法的多样性使编程方便。由于PLC内部采用软连接,因此,在生产工艺流程更改或者生产设备更换后,可不必改变PLC的硬设备,通过程序的编制与更改就能适应生产的需要。这种编程的灵活性是继电器顺序控制系统和数字电路控制系统所不能比拟的。正是由于编程的柔性特点,使PLC成为工业控制领域的重要控制设备,在柔性制造系统FMS,计算机集成制造系统(CIMS)和计算机流程工业系统(CIPS)中,PLC正成为主要的控制设备,得到广泛的应用;

b) 扩展的灵活性:PLC的扩展灵活性是它的一个重要特点。它可以根据应用的规模不断扩展,即进行容量的扩展、功能的扩展、应用和控制范围的扩展。它不仅可以通过增加输入输出卡件增加点数,通过扩展单元扩大容量和功能,也可以通过多台PLC的通信来扩大容量和功能,甚至可以与其它的控制系统如DCS或其它上位机的通信来扩展其功能,并与外部的设备进行数据交换。这种扩展的灵活性大大方便了用户;

c) 操作的灵活性:操作的灵活性指设计工作量、编程工作量、和安装施工的工作量的减少。操作变得十分方便和灵活,监视和控制变得很容易。在继电器顺序控制系统中所需的一些操作得到简化,不同生产过程可采用相同的控制台和控制屏等。

④ 机电一体化

为了使工业生产的过程控制更平稳,更可靠,向优质、高产、低耗要效益,对过程控制设备和装置提出了机电一体化,即仪表、电子、计算机综合的要求,而PLC正是这一要求的产物,它是专门为工业过程而设计的控制设备,具有体积小、功能强,抗干扰性好等优点,它将机械与电气部件有机地结合在一个设备内,把仪表、电子和计算机的功能综合集成在一起,因此,它已经成为当今数控技术、工业机器人、离散制造和过程流程等领域的主要控制设备,成为工业自动化三大支柱(PLC,机器人,CAD/CAM)之一。

可编程控制器现在已经成为了一个不可代替的控制系统,它们可以与其它系统通讯,提供产品报表,生产调度,诊断自身和设备的故障,这些技术上的改进,让PLC成为今天的各行各业的高质量和产量的重要的贡献者。

三、开放式PLC的概念

1.应用中产生的开放性需求

长期以来,制造与生产企业所采用控制系统大多是专用的、封闭的体系结构,其构成系统的硬件是按照各自的标准量身定制的。无论是DCS,PLC还是FCS,虽然它们具有结构简单、技术成熟、产品批量大等优点,但相对日新月异的生产要求,也越来越暴露出其固有的缺点。在许多情况下,当用户要想进行功能上的扩展或变化时,都必须求助于系统的提供商,如想把特殊要求融入到控制系统中去时,由于它们的封闭特性那是不可能的。再者,由于采用了专用的控制系统,如制造厂家想转化一种控制系统也将变得极为困难。诸如此类,无形中不仅提高了制造企业的成本,也成为控制系统升级换代的"瓶颈"。

市场全球化的后果是竞争空前剧烈,从而要求制造商具有较强的市场适应能力,因而市场对适合中小批量加工,具有良好柔性和多功能性的制造系统的需求已逐步超过对大型单一功能的制造系统的需求。这一趋势促成了一个新概念的产生,即模块化、可重构、可扩充的软硬件系统,这就是开放式控制系统。这一系统不仅能够快速、经济地适应新的加工需求,而且为制造厂提供了将其技术与任何第三方的技术或产品进行集成的可能性。

开放式控制系统的概念在80年代就已出现。早在1981年,美国国防部为了减少军备制造对日本控制系统的依赖性,开始了名为“下一代控制器(NGC)”的计划,并成立了“美国国家制造科学中心(NCMS)”,其主要目的是拟订并推进关于新一代开放式控制系统的详细分析与规范。作为NGC的后续工作,美国国防部启动了OASYS项目,其目的是建立并安装8套控制器,并在6种不同场所对其进行测试。其后有许多相关的研究计划在世界各国相继启动,其中影响较大的有美国的OMAC、欧洲的OSACA和日本的OSEC等计划。但因为这些计划的发起者是用户而不是制造商,因此,进程比较缓慢。

2.国际大型PLC制造商的开放路线

2003年,全球自动化行业的控制系统市场大约为每年100亿美元左右,其中99%被传统的不开放系统所占据。据国际权威机构美国自动化市场研究公司ARC(AUTOMATIONRESEARCHCORP)调查预计,在亚洲,基于PC的控制系统、以太网的I/O模块等开放式系统的销售额预计近两年的增幅达到145%,可见在控制系统市场中,开放系统的增长率远远高于传统的控制系统。

资金永远是向高利润的方向流动的,那么,国际的大型PLC制造商当然不会对这么大的市场坐视不理。但是,分析这些PLC的制造商面对开放性的大趋势所采取的策略,却是微妙而饶有趣味的。

首先,国际大型控制系统虽然绝对有能力推出自己的开放式控制系统,但是却都迟迟按兵不动。什么原因呢?

几乎所有的制造商都已认识到了开放系统必将是自动化系统的未来。无论是SIEMENS,GE,还是ROCKWELL,还是SCHNEIDR,在他们的新产品样本中,都可以看到“开放性”的字样。但是,他们的开放性通常都是在原有的系统上层加上一些接口实现局部的互连和通信,并非真正意义上的开放。不要说控制器的底层,就是在操作站这一层,他们在实现与外界通信方面还存在着重重困难。这种状况的产生并不是由于他们无法开发出全开放的系统,而是出于其产品战略考虑,不愿也不能这样做。以西门子为例,目前,主推的是西门子用了15年时间才开发出来的S7系统,2002年的工业控制产品的销售额约为140亿马克,如果西门子要推广新的开放式系统,必然要争夺现有的S7系统的市场,而新的系统能否为现有的西门子的用户所接受,还是一个未知数,况且目前其它开放式系统的市场总额才几亿美元,尽管这个市场的增长率较高,但西门子绝对不可能为了总共几千万美元且风险极大、竞争能力不强的少量市场而放弃已经现成的数十倍的市场。西门子是这样,GE、AB都是这样。

那么,这些公司对于开放式系统市场是否只能坐视不理、无能为力呢?也不是。目前,各个公司均在考虑用现有的产品组合出形式上的“开放式”系统。如西门子的PCS7和TIA概念,实际上就是用工控机下挂S7的PLC而组成的概念性的系统,宣传口号是“不仅仅是基于PC的PC控制”,典型地表示了其一方面不想在开放式系统领域落后于他人,同时又不想失去老用户的复杂情结。GE-FANUC在2000年底推出了HCS,实际上就是用原来的产品FANUC90-30和90-70加上工控机和软件而组成的概念性的产品,才用了“为用户量身定做(TAILORED)”的概念,口号是“把DCS和PLC的优点结合起来”;也具有同样的心理。类似的还有ROCKWELL-AB的CONTROL-LOGIX,都是将原有的专用系统加上“开放”的标签,半推半就地走上开放式系统市场竞争的舞台。这些控制系统巨头的目的都是相同的,那就是既不错过开放式系统这班航船,又可以将原有的系统尽量多地销售出去。

以上分析可以得出结论,在开放式系统的市场竞争的初级阶段,国外各大控制系统制造商会迎合发展趋势推出自己的开放式系统,但是均会以其目前的产品为基础,在软件平台、通讯方面做些装饰性的工作,而不会真正推出全方位的真正的开放式系统。因为这样做,对他们现有系统的市场所带来的损失是他们不愿承受的。

3.目前开放式系统开发存在的问题

目前国际上已有的开放性控制系统从严格的角度来看,它们还不具备开放性控制系统的本质特征,仍有许多需要改进之处。

首先,开放式控制系统的概念不清晰,没有解决开放控制系统的平台问题。各系统所采用的体系结构和通信协议并不一致,仍是自成体系,相互之间缺乏兼容性和互换性,而且对体系结构的阐述都只限于具体实现层,没有提高到理论的、抽象的层次上来,因而各系统软硬件不具备可移植性和互操作性。

其次,没有充分利用像Windows、UNIX、OS/2等新型操作系统。软件开发思想与技术落后,始终处于甚至低于结构化程序设计的水平。没有充分利用面向对象、软件重用等软件工程中的新理论、新技术,而这些正是实现开放性控制系统的关键所在。

此外,产品的升级、更新、修改和维修仍然依赖于生产厂家,没有提供相应的开发工具和环境,用户无法把自己的或任何第三方的思想或产品融入到系统中去。

问题是,目前各大控制系统制造商并非不了解这些问题现状,而是不愿意进行实质的改进来真正满足用户的要求,用户要求开放式系统的目的是为了实现企业内部的信息流动的无缝化和软件、硬件的标准化和通用化,目前各厂家所采取的措施充其量是帮助用户向前迈了一小步,而且用户必须为此付出高昂的费用,如西门子的S7400仅通信模件所花的费用就占整个系统的1/3以上,开放式系统应有的性能价格比的提高用户无法享受到。这种表面的开放性并不能代表真正的开放性,不少专家已毫不客气地指出了这一点,许多明眼的用户也认识到了这个问题。

目前,全力致力于真正开放式系统开发的反而是一些新兴的相对较小的公司,如美国的OPTO22,SOFTPLC,CONTROLSOFT以及英国的TRANSMITTON等等。这些公司没有过去的包袱,所开发的产品的市场目标也不存在抢自己饭碗的问题,所以他们可以没有后顾之忧地宣传。由于他们的产品是充分考虑了开放性的,今后将成为开放性控制系统的新的生力军。但目前,这些公司普遍没有信心对目前的市场领导者所占据的传统控制系统市场进行全面进攻,一般还是在钻一些大公司不愿或忽视做的空白市场,在国际上没有对现有的市场领导者构成威胁,因此,大公司对这些公司也没有采取什么对策。

值得认真分析的是,经过两年到三年的时间,开放式系统在目前被市场领导者垄断的市场中打开了一个缺口后,如占到了10%或20%左右的份额时,那些目前的市场领导者一定会加以重视,因为即使他们自己不去取代老产品,可能别的新兴公司也要取而代之了。这时,他们一定会全力反扑,纷纷推出自己的新一代开放式产品。这些大公司的转向,可以加速用户对开放性系统的接受进程,更快地推进开放式系统的市场步伐。这时,大公司和小公司在开放性控制系统方面将站在同一个起跑线上,相对公平地从价格、服务、系统集成经验等各方面来进行竞争,控制系统长期被数家巨头所垄断的局面可望在开放式系统普及后被打破。

四、PLC如何能够更加开放

1.PLC在竞争中的兴起

从控制系统的角度看,各类控制系统的相互融合的情况已经出现了。但认真分析就会发现,PLC在这些控制系统中是比较独特的一类。在现代各类控制系统中,PLC是诞生最早的工业控制器,每个新的控制器出来都扬言要取代PLC,从DCS,到工控机,到现场总线,到嵌入式控制系统。这种情况的产生,一方面是由于早期的PLC的不开放造成的,但另一方面,也是由于PLC在工业控制领域所占的比重份额太大引起的。但技术和应用发展的结果是,随着新的技术越来越多,PLC不仅没有逐渐被任何一种新的系统取代,反而在逐渐蚕食其它控制系统的市场。

比如,在流程工业,过去DCS占了绝对的统治地位,但现在,在中小型的工业装置方面,已经有相当大的控制系统被PLC系统所取代。即便在大型系统中,现在各类DCS也面临着高端PLC的威胁。这种现象的原因,一方面是由于PLC的技术不断发展,DCS过去所独有的一些复杂控制功能现在PLC基本上全部具备;第二是由于PLC的操作的简单性所决定的;第三,也是最重要的一点,就是,PLC的价格和成本是DCS系统所无法比拟的。

在低端设备,比如许多工业设备的控制器,过去是由单片机开发系统所控制的,现在也越来越多地被PLC所取代。从材料成本上来说,PLC的成本比单片机要高,但是,由于PLC所具有的编程的灵活性,使得用户在开发新机型的时候,不必为新机型开发一个新的单片机控制器,而只要简单地在一个PLC的软件上进行程序更改即可,这大大降低了用户的开发成本。因此,越来越多的机械逐步放弃了原来的专用控制器的方式,而改用PLC作为机械设备的主要控制器。

在原来大量采用工控机系统的场合,工控机也越来越多被PLC取代,而工控机则逐渐从实时控制退到只负责操作站的层面。而且,大家渐渐发现,这种工控机加PLC的结构,提供了最优良的控制性能、最方便的操作、最低的成本。因此,逐渐开始在越来越多的地方采用。可以说,工控机的诞生不仅没有削减PLC的份额,却因为工控机的运算功能、图形处理能力和数据存储能力弥补了PLC的不足,而PLC的可靠性则大大弥补了工控机的弱点,因此,工控机的诞生反而大大促进了PLC在更多场合的应用。

同样,在离散制造业,PLC作为一种设备控制和数据采集的方便器件,在企业实施ERP和CIMS系统时,为实时数据的采集、处理和传输提供了无与伦比的方便性。目前,无论是数控、机械还是传动、物流等行业,都把PLC作为控制系统和数据采集系统的首选。

因此,至少从现在来看,PLC在各类控制系统的竞争中逐渐占了上风。但是,随着竞争的白热化,PLC也面临着一个发展瓶颈,那就是各类系统的不开放,或者说假开放。

2.工业以太网——真正开放的现场控制网络

从根本上来说,开放式控制系统要具备:采用从操作系统到通讯协议都是通用的系统。目前,操作系统其实只有WINDOWS、UNIX等少数几种,而通讯总线问题,则没有什么疑义。在工控界争论不休的问题,在计算机界早就停息了。事实上,用户们早已作出了选择,那就是:以太网总线,它占了全球所有计算机通讯总线的96%!而其余所有的总线只占了不到4%。因此,工业界所有的总线向以太网的方向靠拢,是不以人们的意志为转移的。

众所周知,以太网最初是为办公自动化设计的,因此没有考虑到工业自动化应用的一些要求。特别是,它采用的CSMA/CD介质访问控制机制,具有通讯延时不确定的缺点,不能满足工业自动化控制的实时通信需求。因此,在20世纪90年代以前,很少有人将以太网应用于工业自动化领域。

近几年来,随着互联网技术的普及与推广,以太网也得到了飞速发展,特别是以太网通讯速率的提高、以太网交换技术的发展,给解决以太网的非确定性问题带来了新的契机:首先,以太网的通信速率一再提高,从10Mbps,到100Mbps甚至到10Gbps,在相同通信量的情况下,通信速率的提高意味着网络负荷的减轻和碰撞的减少,也就意味着提高确定性;其次,以太网交换机为连接在其端口上的每个网络节点提供了独立的带宽,连接在同一个交换机上的不同的设备不存在资源的争夺,这就相当于每个设备独占一个网段;第三,全双工技术又为每个设备与交换机端口之间提供了发送与接收的专用通道,因此使不同的以太网设备之间的冲突大大降低(半双工交换式)或完全避免(全双工交换式)。因此,以太网成了确定的网络,从而为它应用于工业自动化控制消除了主要的障碍。

与其它现场总线或工业通信网络相比,以太网具有应用广泛、成本低廉、通信速率高、软硬件资源丰富、易于与INTERNET连接、可持续发展潜力大等优点,因此,不仅垄断了工厂综合自动化的信息管理层网络,而且在过程监控层网络也得到了广泛应用,并有直接向下延伸,应用于工业现场设备层网络的趋势。

从通讯网络的角度来看,采用扁平式和树型的网络结构是以太网的主要结构。在这种结构下,如果能够实现数据通信,其实,要求上下所有的硬件采用同样的操作系统是不经济的。比如,在上位机,用于显示和数据存储的功能是主要的功能。这时,采用WINDOWS的操作系统是没有什么问题。而在底层控制端,则只要采用类似RTOS或VXWORKS这样的操作系统会更好,不仅是价格便宜,而且还能够更可靠地执行实时控制任务。

目前,PLC之所以能够在越来越多的场合取得应用,同前面所提到的PLC的特点是分不开的。这些特点就是:可靠性,易操作性,和灵活性。这些特点是PLC必须要保留的。这些特点的形成,是由PLC的结构、内部软件和硬件的构成特点决定的,同时也是PLC之所以是PLC是不是其它控制系统的标志。而PLC的缺点,则是在处理大量数据包括图形等方面的运算能力不足的方面。实际上,在工业应用中,需要实时控制而同时又需要处理大量信息的场合虽然存在,但并不多见。因此,只要能解决PLC的通讯问题,可以让PLC来担负现场的实时控制任务,而将数据的处理、存储、显示等任务通过通讯网络,传到其它系统中,由计算机系统来完成,这是解决开放式控制系统的根本方式。也是开放式PLC的设计的思想基础。

开放式PLC将最常见也是今后控制系统最常用的通讯接口------以太网和串口内置进了PLC的CPU单元,使PLC在保持传统各种可靠功能的同时,可以低成本地具备通讯的功能。而且,专门开发了灵活而方便的通讯模块,用这些通讯模块,只要简单地输入各类协议,就可以将这些模块作为一种专用协议的控制模块来使用,而价格十分低廉。同时,更令人惊异的是,在OpenPLC内部,还具有JAVA功能,和WebServer功能,也就是说,即使不用上位机,OpenPLC可以将PLC的状态,包括故障报警信息和事件处理信息通过通讯模块自动传送到互联网上,用户可以通过电子邮件的方式来接收这些信息,也可以通过移动通信系统,利用手机的短信方式来接收这些信息,甚至可以通过GPRS、CDMA等先进的通讯方式来进行控制信息的跨越时空的通信。这些通讯,使用户可以最及时地了解到设备的运行状况,可以进行远程诊断和远程监控,对于生产过程控制、制造过程的信息化、生产过程和管理的优化等都有极大的帮助。

同时,在传统的控制功能方面,开放式PLC尽量保留了传统PLC的优点,如模块式结构,多种编程语言,严格的可靠性设计,甚至是与PLC完全相同的生产工业,这样,使得原来的PLC用户在使用开放式PLC的时候并不会产生任何不适应的感觉,除了上面所提到的一些新的功能外,其它的方面,如选型、编程、组态等,完全与传统的PLC一样。

可以预见的是,OpenPLC的出现,必将改变控制系统的格局,尤其是对于现有PLC的制造商来说,将在市场和应用方面产生巨大的冲击。

五、真正开放的PLC——OpenPLC

1.OpenPLC概念的由来

OpenPLC的概念也是在实际的工业应用中产生的。1995年,在中国的马鞍山钢铁公司的动力调度中心,面临一个问题,动力调度中心要监控马钢来自发电厂、水厂、煤气厂和动力厂(负责电力输送)的各类能源和动力信号,但这四个数据来源,包括这些能源与动力的输送的管网所涉及的上百个变电所、增压站和泵站的自身的控制系统是不兼容的,有的还是专用系统,不仅没有协议,连开发人都已经无法找到。除了通讯不兼容外,连这几个系统的控制结构也大相径庭,电厂是类似于DCS的结构,水厂和气厂是PLC结构,动力厂是SCADA结构,对集成人员理解系统也形成了较大的困难。该项目最后虽然没有用OpenPLC解决(当时还没有),但该项目的需求导致了OpenPLC的诞生。

针对过程控制和离散制造业普遍存在的,各类控制要求不同的系统的互连的问题,本文作者提出了设计一个新型的开放式控制系统的构想。因为该系统的目的是要尽可能地适用各类不同的应用场合,因此,定名为开放式可编程控制系统,而英文则是OpenProgrammableLogicController,缩写为OpenPLC。该系统从1995年开始构思,到1997年基本明确设计思想,几条主要的设计原则如下:

① OpenPLC应该是一种以PC技术为基础的系统,尤其是在能够发挥出PC特色的场合(如网络,与外界的连接,优化,专家系统,操作界面,数据监测,文件记录和打印等),工作由以PC为基础的系统来承担;

② 在底层,需要高可靠和实时控制时,由分散控制系统承担,但它不同于现场总线,它不是基于仪表的系统,而是基于系统的系统,仪表仍是普通仪表,只是将I/O和控制单元放在了现场,传回中央控制室的是数字信号,而不是模拟的4—20mA信号,要求原来的仪表仍然可用;

③ 在I/O点较集中的场合,可以采用类似于DCS或PLC的机柜或机架,内部模块用总线或网络连接,整个系统应该具有较高的可靠性,同时有较好的兼容性和开放性;

④ 系统应该具有真正的分布性,前端可集中,也可以延续几百米、几公里甚至几千公里(在地球的另一端),为此,系统必须具备与TCP/IP兼容的协议和WEB服务器;

⑤ 规模也可以从小至几十点,大至几千点甚至几十万点。系统I/O规模的增加不应该导致系统的大的改变。

OpenPLC的概念的创始人建立了德维森公司,当时公司很小,没有开发硬件和软件的实力;因此他们采取了OEM的方式,也就是利用国际上其它公司的合适的软件和硬件来实现OpenPLC的系统理念。所幸,这时国际上也开始兴起了开放式系统的浪潮,涌现出了一批热衷于开放式系统的公司(但没有一家是有名气的大公司)。该系统一开始曾经受过日本横河公司的CENTUMCS的概念的启发,也考虑了ROSEMOUNT的DELTA-V的现场总线与PC-BASED的合一的开放概念,也参考过美国OPTO22的SNAPI/O系统的带有以太网接口的I/O模块,但上述系统的昂贵的价格使得OpenPLC不得不寻求更新的价格。最终,对OpenPLC影响最大的,是美国SOFTPLC的概念,OpenPLC的研究小组希望将SOFTPLC的概念成功在更广的领域内应用,为了摆脱SOFTPLC的品牌关联,当时决定以柔性控制系统TCS(Tailored Control System)的名称形成了开放式可编程控制系统的前身系统。

第一套TCS的诞生所采用的是台湾盟立自动化公司生产的FAMA的PLC的硬件,但在通讯方面做了加强。1998年,盟立公司准备打入大陆市场,在广州自动化展览会上,德维森公司发现盟立的硬件结构比较适合实现柔性控制系统的理念,与盟立公司达成了OEM的协议。但在系统构架和市场推广应用方面,OpenPLC对系统进行了重新设计。

TCS的第一个实际应用是马钢第一炼铁厂的高炉监控系统,该套系统实际上是一个过程控制系统,但又加入了过程燃烧优化和专家系统,同时,高炉的所有数据都在第一时间通过LAN和WEBSERVER送到了生产调度和厂长办公室等管理部门,形成了信息化制造系统的雏形。随后,随着TCS在云南个旧化肥厂、攀钢热电厂、邯郸钢铁厂、深圳高科豫电厂、水厂等行业的应用,确立了在连续流程中作为过程控制系统的技术基础。2001年,OpenPLC在广东中山弯管机上实现了与机械的NC技术和运动控制技术的结合,进入了CAM应用领域。

因为TCS的概念的先进性和实用性,中国仪器仪表学会于2000年8月对该系统进行了专家鉴定和评审,会议由中国的原子弹和氢弹元勋、中国政府高技术863计划的倡议人、中国科学院和中国工程院两院院士杨嘉墀主持,系统被认为具有国际先进水平,随后,在2001和2002年,TCS获得广东省和深圳市科学技术进步一等奖。

与此同时,OpenPLC的研究小组认为TCS的概念仍然太过笼统,并且试图用一种系统涵盖所有的应用的想法有些不切实际。因此,重新审视OpenPLC的概念,认为开始以开放式PLC的概念从PLC的产品向其它控制系统的应用领域延伸是比较好的想法。随后成立的加拿大在线控制有限公司和中国的合控电气(深圳)有限公司继续在OpenPLC这个概念上研发,新一代的OpenPLC产品于2003年底终于重新面世。随后,OpenPLC在数控切割机、注塑机、机车监控系统、污水处理设备的应用,开辟了在机械OEM系统等离散制造业中的应用。

2004年,OpenPLC在加拿大阿尔伯达省的LANDPETROLEUM公司的一个天然气处理厂和天然气田作为SCADA系统得到应用。该系统除了通过无线数字电台将井口的数据传到气处理厂的中央控制室外(这是标准的SCADA系统的功能),另外增加了两个引人注目的功能,一个是将所有的数据通过北美移动公司的网络上连互联网,使油田的业主在300公里外的卡加利总部可以看到一分钟以前的现场数据和流量数据,不仅可以了解气田的实时销售状况,也便于总部的工程师随时了解井口和厂区的状况,对生产情况进行诊断;另一个是在井口的控制器中,结合采油增产工艺对栓塞式增产工艺进行了控制,将增产工艺成功地以软件功能块的方式存储在OpenPLC的井口生产控制器中,达到了增产20%的效果。该套系统的成功使用,标志着OpenPLC作为E-PRODUCTION的基础系统得到了实践的验证。同年,OpenPLC在美国通用汽车的别克轿车的大灯开关的寿命测试仪上进行投入使用,该项目由美国EMERSON公司在深圳的工厂招标采用,考虑到世界第一台PLC就是通用汽车使用的,这一台OpenPLC在通用汽车的开关生产线的测试设备上使用,也具有特殊的意义。

2.OpenPLC的技术优势

① 传统系统的不开放带来的不便

目前,市场上的PLC产品基本上由十几家公司占据,这些公司大部分是著名的跨国公司,包括SIEMENS、ROCKWELL、GE、三菱、SCHNEIDER、ABB、KOYO等等。目前,几乎所有的系统都是由原厂家开发的不兼容系统,当初都是由其各自独立按自己的标准开发出来的,互相之间不能互连。虽然最近各厂家都开发了通讯模件,但都价格昂贵,而且与外界的通讯由于各种原因都未做到完全通畅。许多制造业用户特别是大型企业为了避免过分依赖一家系统提供商而形成的商业和技术风险,通常会同时采用几家不同的控制系统。而传统系统的不开放和不兼容令企业难以充分利用自动化技术,对企业内部的系统集成、系统升级和管理带来了极大的困难。如何将控制系统互连以及与ERP和MES系统相连,形成由生产过程的最低层生产现场到管理决策人员的无缝的双向信息流,是许多企业自动化和信息人员以及领导层关心的问题,而对于这个问题,传统的封闭式的控制系统是无法解决的。

此外,各厂家的PLC系统在硬件结构、控制指令、通信标准都不能共用,这样,一旦用户购买了某一种专用系统,就被迫继续采用,因为当他们由于某些原因想改换PLC时,工程师不得不学习另外的新的编程语言。这是为什么要指定IEC61131-3,为所有的可编程控制器订立编程语言标准的原因。专用系统的开发、设计、生产、工程、维护都需要专门进行,造成其生产成本以及售价都居高不下。

今天制造企业对自动化系统的维护升级等技术支持的要求很高,同时要求系统供应商了解工厂的制造工艺,并需要一个专业的技术支持,对制造专用系统的公司来说,在一个区域性市场要保持一支经过良好训练的维护队伍成本很高,这个原因导致了控制系统的技术服务难以令人满意,即使有服务,其备件和人工费也都很昂贵。由于系统是专用的,用户对这种状况没有其它选择。大家知道,设备所造成的停产代价是非常之大的,而且现代工厂需要对生产过程不断进行调节,因此制造企业迫切需要一个高灵活性的、兼容能力强、低成本、可靠并具有强大的通信能力的系统和良好的技术支援服务,传统的PLC公司在解决这方面的问题上尚未做到令人满意。

② OpenPLC的开放性给用户的好处

OpenPLC就是因应这种需求而产生的一种开放式的控制系统平台,其长处在于具有开放性和通用性的特点,它并非专为某一个或两个行业所设计的,而是可以适合许许多多不同的行业,并应用在不同的场合。而且,由于它所具有的开放性特点,还可以和目前的传统控制系统混合使用,并不断地升级和延伸,因此受到市场的欢迎。

OpenPLC的自动化平台也是最彻底的开放式方案,国际上的各大竞争对手虽然也推出了开放式系统的概念,但通常都是在原有的系统上层加上一些接口,实现局部的互连和通信,并非真正意义上的开放;而OpenPLC把PC兼容的技术引入到现场控制器内部,系统采用WINTEL芯片和软件结构,通讯采用全球通用的Ethernet协议TCP/IP作为网络协议和现场控制总线协议,并且内部可以内置Web-Server因此具有很大的竞争优势。用户还可以通过互联网或公司内部的Intranet网络来访问任何现场数据并实行控制,反过来,供应商也可以通过Internet对用户的系统进行远程诊断,从而实现全天候的低成本的24小时的技术支持服务。

OpenPLC的特点是开放性,是将电子、通信、计算机、网络等信息技术(IT)方面的国际最新技术成果在自动控制系统领域的应用。目前,全球的IT业都有一个标准化的趋势,也就是任何一家公司只要按照标准来设计产品,都可以和世界上任何一家大公司的产品兼容或竞争。所以有关的技术目前在国际各种媒体包括互联网上可以方便地得到,这就使OpenPLC的制造商和系统集成商可以借助国际上所有的IT行业的最新成果,包括INTEL、MICROSOFT、IBM等国际众多巨型公司的技术和力量来和传统控制系统的专业公司抗衡,相当于是借助了全球IT行业的技术力量来进行产品的开发。同时,这些技术虽然是通信、电脑、网络、软件等行业的通用技术,但也并不是可以直接用在自动化行业的,必须对之进行加工、改造,尤其是在抗干扰和可靠性方面以及如何适应工业控制的具体情况等方面进行大量细致的工作。

另外,通过采用通用的产品与技术标准,使OpenPLC的制造商可以低成本地利用标准器件和现有技术,如大量的通用软件如通讯软件、网络软件、图形软件、数据库软件使开发成本大大降低,研发周期大大缩短,所用的元器件也由于是与主流技术兼容的产品而可以低成本方便地得到。使OpenPLC可以做到在价格比传统控制系统的价格低三到五成的情况下仍然能够保证较高的边际利润。OpenPLC由于其所具有的开放性和灵活的通讯特点,可以构成足以令人眼花缭乱的各种各样的控制系统,但是,OpenPLC的基本单元是十分简单的。除了前述的开放性特点之外,OpenPLC还有一个最为重要的特点,那就是简单。简单就是美,OpenPLC所有的解决方案,从设计到应用,从软件到硬件,从集成到组态,处处都体现出“简单”的特点。

六、结束语

PLC的未来发展不仅取决于产品本身的发展,还取决于PLC与其它控制系统和工厂管理设备的集成情况。PLC通过网络,被集成到计算机集成制造(CIM)系统中,把他们的功能和资源与数控技术、机器人技术、CAD/CAM技术、个人计算机系统、管理信息系统以及分层软件系统结合起来,在工厂的未来发展中,将占据重要的地位。

新的PLC的技术进展包括:更好的操作员界面,图形用户界面(GUI),人机界面;也包括与设备、硬件和软件的接口;并支持人工智能,比如逻辑I/O系统等。

软件进展将采用广泛使用的通讯标准提供不同设备的连接,新的PLC指令将立足于增加PLC的智能性,基于知识的学习型的指令也将逐步被引入,以增加系统的能力。

用户对于柔性制造系统的需求将决定未来的控制哲学。可以肯定的是,未来的工厂自动化中,PLC将肯定占据重要的地位,控制策略将被智能地分布开来,而不是集中,超级PLC将在需要复杂运算、网络通信和对小型PLC和机器控制器的监控的应用中获得使用。

所有上述的发展,都取决于一个因素:PLC的开放性。只有开放了,PLC才能与其它控制系统集成;只有开放了,PLC才能与CIM、机器人、CAD/CAM、个人计算机、MIS结合,在工厂的未来发展中占有重要地位;只有开放了,PLC才可能发展更好的人机界面,才能与其它设备具备更灵活的接口;只有开放了,PLC才能适应更多的通讯标准;只有开放了,才能采用更多、更复杂的控制策略。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (2007-11-15)
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