PC机用于工业控制

作者：Control Engineering China

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PC机有海量内存，开放的网络连接，闪电式的处理速度，被证明是传统可编程控制器的很好的替代方案。 控制用户在过去几年里已经有充分的理由开始疑惑这样一种现实：业内形成有两个竞争阵线，有些说PC能很好的用于控制。而有些人说PC永远不适合用于工厂的环境。今天，这些竞争对手很容易接受PC机用于许多工业生产控制的现状：从机器制造和材料处理到汽车车身喷漆。 一个接一个的制造商至少在部分生产中正在采用PC控制方案。在德国Neckarsulrn的Audi（奥迪）车间，汽车喷漆车间施工者Dürr想试验两种新的基本概念。第一个将专门准备好的分布式、智能控制模块直接安装到机器上，而不是安装在被保护的控制室。同时他希望集成控制系统和安全系统---用诸如Profibus的现场总线实现。 不能轻视自动化革新的风险，特别是在一直认为人工技能是不可缺少的领域---没有人比德国汽车制造商对汽车喷漆要求更苛刻。他们称甚至对被喷漆汽车周围的空气也要严格控制。实际上，对于每一辆通过工厂的汽车，每次喷漆其温度增减量也不同。 奥迪喷漆车间的控制系统以PC为主机，与安装在现场的智能模块组成的网络及连接，包括相同Profibus总线上的全套完整安全系统。 那么，什么是把这些崭新的自动化概念组合在一起，应用到已经高度组织的过程控制中的最好方法？Dürr做出了惊人的选择：基于PC的自动化。 最终的控制系统采用PC机作为主控制器，并与由特别加固的ET200X模块构成的Profibus网络相连，这些模块不是安装在控制盒内，而是直接安装在所控制的功能单元上。为了保护操作人员，同一个Profibus网络上的PC机控制一系列ET200S安全集成模块。通过400V的电源总线向远程电动机模块供电。Dürr的格言也许是“抛弃控制室”。 Dürr做法的另一个大的好处是：所建立的模块系统可以很容易地在后续的项目中复制。事实上，公司希望将基于PC的控制作为其标准的解决方案。 Eberhard Vogler负责奥迪喷漆车间的控制技术。他注意到分布式智能控制带来了很大灵活性。“喷漆工厂的技术必须不断更新。新油漆和新模型要求对生产线不断修改。”但是，“试验也有局限，奥迪认为停止生产线是被禁止的。” 然而，使用新系统一年后，他对结果很满意。“基于PC的控制一直在谈论，但对我们来说，测试这一技术发展趋势的潜力很重要。” 他说奥迪对新系统施加了非常严格的测试条件。在系统被集成到生产线之前，通常要求连续24小时测试运行。试验运行期间，必须达到99%有效。 Vogler先生说基于PC的控制器被证明在每一点都像PLC一样的可靠。并且通过了甚至更重要的考验：被操作和维护人员接受。 PC的情况 基于PC的控制，俗称‘软’控制或‘软’逻辑，15多年一直企图进入工业控制领域。令一些传统自动化供应商感到惊慌的是，现今，PC控制已经开始在该领域得到应用。PC支持者称他们的系统易于安装和使用，有高级的诊断功能，为系统集成商提供了更灵活的选择。 从长远角度看，PC控制系统维护成本低。Steeplechase Software公司的创建人Mike Kleinshuo说“即使免费给你PLC，你很难负担起它们的维护费用。” 可编程控制器受PC控制的威胁最大，所以对PC的应用很不安。“PC控制市场还没有启动”，Rockwell Automation公司的Mike Miclot先生称，“它不是宇宙飞船，而是B-52轰炸机。” 传统上坚持PC是办公机器，不适合工厂灰尘环境的人也在改变想法，许会接受新的观点。在过去几年里，PLC提供商实际上已经加入到PC控制“浪潮”中---用他们自己的话说，这是必然的。 当然，也不应忽视PC对企业计算市场的冲击。数以万计的PC机正进入企业，从读条码到作为测试和测量平台，应用非常广泛。尽管这些PC不是机器控制，其使用在新IT时代是不可缺少的。 PC真的适合控制？ 受20世纪90年代Windows操作系统升级的推动，PC机席卷办公室。并提高了工作效率。到20世纪末，成千上万的打字机成了昔日遗物。 一些人幻想，PC在制造业会有相似的发展。在一定的程度上，的确是这样。基于PC的控制成功地进入了市场的两端：机器工具和过程自动化。在CNC (computer numerical control)应用中，PC机帮助组织机器部件所需高度复杂和多轴运动的轮廓。在控制领域的另一端，Windows NT工作站代替分布式控制系统庞大的控制台来监视和控制石油提炼、化学厂、造纸厂。在PC之前，这两个市场一直被封闭的、专有的系统统治，不利于用户。 但这是在工业的广阔的中间部分。在生产机械的控制领域，PC获得了市场份额最大。毕竟可编程控制器几乎像电子打字机一样古老。特别是在美国，甚至可以追溯到战前时代的硬线连接的机电继电器电路仍然有使用。遵循Ethernet TCP/IP网络协议的开放式PC比PLC有明显的优势。这使得90年代后期经济过热时观察家预计工业PC市场会有两位数的增长。新的时代就要开始。 革命停滞 “从90年代中期到现在，e-commerce及e-manufacturing中一些长期坚持的信念已经消亡”，Frost & Sullivan公司的工业分析家Lance Gordon说，“技术没有上限”，“工业自动化的发展有种某种看不见的速度限制。控制技术也许不必达到Moore定律”。 实际上PC控制的性能没有每18月翻一翻。PC没有代替PLC,有两个基本原因。在美国，许多PC创新者开办小公司，他们主要开发软件，这就是商业模式错误的地方。不管软逻辑多么重要。它仅占整个自动化项目的5%的份额。如同大多数PLC公司所熟知的，大约50—60%的成本在I/O和电动机驱动等部分。工业PC可能占10-20%。即使软逻辑公司取得了很大成功，也仍然要面临集成问题；很明显自动化项目40%的开销是软件。怎么可能期望卖了5%份额的公司来承担项目40%的责任。 制造业本身很清楚：他们希望购买整个系统。而不是分散的各个部件；这里购买PC，那里购买软件包，另一个地方购I/O总线是不可取的。再者说，Windows NT也有难题。Windows NT（以及后来的Windows 2000和XP）也许是软件工作者的最爱，但这对工厂底层控制而言，有很大问题。NT对工厂的计算机来说负担太重；计算机需要数百兆的磁盘空间，而在工业现场，希望没有任何旋转部件；反应速度慢；非确定性等。如果NT用于控制，可能要增加协处理器板；扩展实时性能，或者修改内核；其它场合NT只是你所看到的窗口，而真正的操作系统在后台。更糟的是，软逻辑公司用各种‘硬’和‘软’实时控制的定义混淆了市场。 “以任何方式修改Windows NT的控制系统不再被认为是开放式结构”，Rockwell公司的Mike Miclot说“这是专有的PC控制系统，有它自己的局限和支持标准。”PC控制的新希望是Windows CE操作系统。其占用空间非常小，有实时性能。工业界已经看到WinCE的产品。 区别不同之处 有关PC控制最著名的成功案例大多来自于底特律的通用汽车Powertrain制造基地。在那里，分布在十几个工厂的超过300个PC每天工作在机器生产线。梯形逻辑PLC已经完全消失，向Powertrain提供新机器的OEM必须符合PC控制指标。 Nematron Corp公司的市场部经理John Dunlap解释说：“对于GM，关键的好处是PC所用的流程图软件。”1986年由位于Warren 的Hydra-matic工厂首先引入。工程师对软件的透明性和所提供高级诊断能力感到惊讶，宕机时间也大大较少。这个技术立即扩展到其他工厂。“但是实际很难准确得到时间较少的数值。因为Powertrain把它作为主要的竞争优势而笼罩着神秘气氛。”Dunlap说。 Nematron在1994从FloPro的发明人Ron Lavallee那里得到该软件，使其运行在Windows NT下，并且增加了自己的HyperKernel程序，可把NT分成250微秒间隔的时间片断，以保证实时响应。“奔腾III在250微秒内可以处理4,000个I/O，”Dunlap说。流程图软件与Nematron坚固的工业PC相结合在Powertrain已经被广泛接受。 另一个位于Ann Arbor---美国流程图软件中心的Entivity，是先前的Steeplechase Software公司、Think and Do公司合并而来。现在部分由Schneider Electric公司所有。工业经验丰富的Ken Spenser先生在Texas Instruments工业自动化部门出售给Siemens之前曾经领导该部门，担任总裁兼CEO。虽然Entivity的两个软件产品Entivity Studio和Visual Logic Controller的由来不同，它们都是基于流程图，并且进入各种行业的数百个不同的应用中。Entivity的网站(www.entivity.com) 有特别好的内容说明流程图软件的强大功能和在各种工业的应用。但Entivity和其他PC控制软件公司面临同样的问题。用户真正希望购买的是完整系统而不是仅仅一张光盘。Entivity又能从哪儿得到一条工业PC生产线呢？ Phoenix Contact，另一个工业自动化领域的公司在很大程度归因于其Interbus总线产品。两个公司现在成为合作伙伴。Phoenix提供PC和网络硬件，Entivity提供流程图软件和编程支持。 Phoenix Contact有自己的软件控制产品生产线，PC WorX软件包。这主要基于K&W s ProCoNos IEC 61131-3软件(Phoenix有部分产权)。但是Entivity的流程图软件开阔了其视野。 Phoenix Contract公司的Larry Komarek说：“具有讽刺意义的是，顾客说他们需要开放系统。”但是到最后，他们通常从同一个供应商那里购买所有部件。他们真正所需要的是他们希望保证不被一些设备故障卡住，而在必要时可以转向另一个供应商。 只需软件 在欧洲，Hans Beckhoff最主张依靠基于PC控制技术来推动自动化市场。他创建了最成功的PC控制公司。他的成功有两点：一、所有工作由一个平台上的软件完成。二、向客户提供所需要的所有东西，客户不必在其它地方购买其他部件。在1985年他开发了第一个基于DOS的系统之后，他没有回头。 软件是PC控制系统工作的关键。在Beckhoff哲学中，增加硬件被认为适得其反。“如果你希望充分利用先进的技术和走低的价格优势，那么必须用标准的PC并且增加尽可能少的硬件”。Beckhoff先生坚持：“如果你有智能运动控制卡，那么，价格和性能与运动卡相关，而不是PC发展。” Beckhoff公司的TwinCAT软件结合了所有的功能：逻辑和运动控制、操作界面和控制机器需要的特殊功能，如电子齿轮、计算机辅助制造控制等。TwinCAT仍可发展，随着下一代PC的诞生，它可以运行的更快更好。 Beckhoff在其上层捆绑了软件和工业PC以及其他任何控制系统需要的：现场总线、电缆、终端模块和I/O系统。没有其他PC控制公司提供如此完整。 用Beckhoff系统做成的Husky注模系统最能说明PC控制系统的强大功能。加拿大制造的机器，可以覆盖乒乓球台范围，需要一系列专门的控制器：一个PLC用于负责机器过程、一个注射控制器、一个夹持控制器、一个机器人控制器、一个温度控制器、在电动注模机还有更进一步的控制器用于操作单个伺服轴。 通过液压传动操作定位轴的运动控制不是一件小事。控制轮廓是速度和压力控制的非线性结合。因为有100多个控制加热点，模子、热转子与喷嘴各种各样，即使温度控制也变得有挑战性。 用Beckhoff的TwinCAT系统可将所有这些控制结合在单个工业PC中，并且提供操作界面。机器信号通过Profibus总线和总线端子收集和传送。取消了分别用于伺服电机功率器件的电子盒。这些部件现在安装在中心控制室。Husky每年制造大约600台这种机器，到2004底，每个机器都有单独的控制PC。 PLC制造者正在做什么 具有数亿元的安装基础，PLC制造者必须仔细考虑下面的新趋势。购买自动化设备考虑非常长的生命周期。一般10—20年。终端用户不希望像办公设备那样，为了追求新技术而三年更换一次。制造业的根本原则是可以做任何你喜欢的，但不能中断生产。如果现在的仍在工作，你不敢改变它。 Rockwell在1996年推出SoftLogix，即在PC上模拟PLC的软件包，以作为尝试，Mike Miclot说“这是对PLC-5一对一的替换”。由于有典型的PLC，他有10年前最佳典型控制器的所有特点和功能。Rockwell的目标是使PC像PLC。因此客户可以选择平台，选择自己感到满意的任何一个。 这是Rockwell的发展路线。PC控制不是选择其一，只是简单的需要将控制结合到高水平的信息集成的用户选择方案。例如位于Anna, Ohio的Honda发动机厂最近在3条机器传送生产线上安装了SoftLogix，代替了一条生产线的14个PLC和其他两条生产线的23个PLC。 Honda 公司的工程协调员Nick Balster解释说“我们需要更新是因为现在生产线的控制技术是10年前的”。在这一应用中，PC控制一个大的好处是数据处理。信息可以通过软件而不是硬件从一处传送到另一处。而且数据可以收集到Excel中。以方便分类、求平均。更好的理解工具的使用和机器异常。 Balster说“我们对基于PC的选择感到满意，因为我们知道我们相同的控制项目可以用于软件和硬件中。”这在一次说明PC系统不适用的场合PLC是个选择。 将来会合 机器控制的将来很可能存在于PC 和 PLC之间，这些融合的迹象已经出现。 在美国，PC控制的驱动作为控制语言比梯形逻辑更强大和更透明。在过去几十年里，欧洲工程师已经使用诸如功能块、顺序功能图。美国现在的主流PLC也提供这些。 PC的另一个好处是它能够集成大量数据，并能传向高级计算机。认识到这点，PLC制造者在其产品中提供廉价的以太网口，大量增加内存和处理能力。事实上ARC的Craig Resnick已经建议更改PLC的名称为‘Programmable Automation Controller’（可编程自动化控制器）以便反映出现的多领域、多学科开放的和模块化信息平台。 但是多年来，PC软件公司比PLC有大的技术优势：数据集成和通信。不管他们是否能充分利用它，但优势是存在的。企业范围的数据集成是自动化公司下一代的发展前沿。他们已经参与和收购manufacturing execution systems (MES)软件公司来定位他们在未来市场的位置。 这里就是PC控制公司的亮点。Nematron公司的John Dunlap说 “对于数据到企业，工业是如此之慢”。这一领域有非常坚实的市场增长。我们从HMI或者PC控制的角度作这些事情。 而且，PC有它的技巧：Windows CE移植向下兼容的软件版本到WinCE平台将在价格上对microPLC更有竞争力。早期基于WinCE的产品性能不尽人意。但是像Phoenix这样的公司用协处理器大大加强tiny CE控制面板，来与中级microPLC竞争，售价在$2000 to $3000范围。 为什么PLC制造商不很担心PC的竞争 在基于PLC自动化的早期，控制器体积大而且昂贵。但是随着技术进步，体积小的小型PLC通过联网逐渐取而代之。对于小的独立应用，更小的微型PLC（可到32 I/O）已经出现，价格大约几百欧元。由于PLC尺寸减小，利润也在下降，但销售量的增加可以部分补偿这些损失。 PC与PLC竞争主要在高端应用上，其数据复杂且设备集成度高。PC不可能与低价的微型PLC竞争，这是PLC市场增长最快的一部分。PLC市场反映了全世界制造业的状况，2000后大幅度下滑。但是，按照Automation Research Corp公司Dick Slansky的预测，尽管全球经济下滑，PLC市场将会复苏，他估计PLC市场在2000年为62亿美元，并对2005年底回到62亿美元，并继续略微增长充满信心。 与PLC相比，PC软件很便宜。2000年，Frost & Sullivan公司的Lance Gordon估计，全世界PC控制市场大约每年8500万美元为控制软件，一亿美元为操作系统。如果工业PC包括在内，估计大约为7亿美元，PC市场变得更加可观。和PLC一样，PC市场在过去的两年里，保持平稳。Gordon先生说到2007年会翻一番。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (3/20/2005)