29电磁铁推拉力测试系统——控制部分设计
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PLC 的最新发展趋势一、前言 长期以来,PLC 始终处于工业自动化控制领域的主战场,为各种各样的自动化控制设备提供了非常可靠的控制应用。其主要原因,在于它能够为自动化控制应用提供安全可靠和比较完善的解决方案,适合于当前工业企业对自动化的需要。另一方面,PLC 还必须依靠其他新技术来面对市场份额逐渐缩小所带来的冲击,尤其是工业 PC 所带来的冲击。PLC需要解决的问题依然是新技术的采用、系统开放性和价格。 PLC 技术展的最终趋势仍然是人们所争论的焦点之一。大多数人认为,PLC 将会继续失去市场份额;更有甚者认为,在工业 PC 面前,PLC 将会一步一步走向死亡;但也有一部分人相信,一些特殊工业应用领域仍将为 PLC 提供一定的市场份额。 在全球工业计算机控制领域,围绕开放与再开放过程控制系统、开放式过程控制软件、开放性数据通信协议,已经发生巨大变革,几乎到处都有 PLC,但这种趋势也许不会继续发展下去。随着软 PLC(SoftPLC)控制组态软件技术的诞生与进一步完善和发展,安装有SoftPLC 组态软件和基于工业 PC 控制系统的市场份额正在逐步得到增长,这些事实使传统PLC 供应商在思想上已经发生了戏剧性的变化,他们必须面对现实,在传统 PLC 的技术发展与提高方面作出更加开放的高姿态。对于控制软件来讲,这是 PLC 控制器的核心,PLC供应商正在向工业用户提供开放式的编程组态工具软件,而且对于工业用户表现得非常积极。此外,开放式通信网络技术也得到了突破,其结果是将 PLC 融入更加开放的工业控制行业。 二、开放和基于工业 PC 控制 PLC 制造商已经开始注视基于工业 PC 控制技术所带来的强大冲击。有专家甚至认为,新商务活动所带来的新技术和开放技术规范将会埋葬传统 PLC。PLC 制造商认为,虽然在工业现场安装有大量的 PLC 控制设备,但他们仍然需要联合工控软件公司,以便开发他们自己的基于工业 PC 的过程控制软件。 诚然,几年前在工业现场明显存在着新旧 PLC 混合使用的情况,工业用户不得不同时学习相关的新旧知识,甚至彼此借鉴学习。大多数 PLC 制造商为工业用户仅仅提供了软逻辑和一种操作平台。 在高端应用方面,很难进一步区分 PLC 控制系统和工业 PC 控制系统之间的差异,因为这两者均采用了同样类型的微处理器和内存芯片。形象地打个比喻,如果你忘掉工业 PC和 PLC 这些词语字面上的含义,那么在箱子里所能够观察到的恰恰是一些基本计算机硬件技术,我们更多观察到的却是那些基本技术的复杂化和混合体,这些技术被有效地组合到控制系统中去。 另外,采用开放控制的原因一方面是系统功能集成的需要,另一方面也是由于一些工业用 户对功能过分苛求所致。如果能够给予高度的重视,就能够获得更多的基本技术知识。PLC 制造商专注于系统功能化,而工业用户则专注于系统应用。人们可以看到,将来的发展趋势是将更多的功能进一步集成到一个控制箱内。因而像顺序控制和过程控制这样的事件将会采用功能化方式进行处理,其他像运动控制等也能够共享到相同的控制结构体系中。可以相信,PLC 技术将继续向开放式控制系统方向转移,尤其是基于工业 PC 的控制系统。后者除了在灵活性方面比传统 PLC 具有截然不同的优势外,还具有其他优点,如能够缩短系统投放到市场的周期,降低系统投资费用,提高从工厂底层到企业办公自动化的数据信息流动效率等。 关于工业 PC 控制系统的实时响应问题已经得到很好的解决,也许其主要的东西仍然隐藏在技术背后,但缺乏相应的跟踪记录。对于 PLC 来讲,坚固性是其主要特点之一,这已经有相当多的跟踪记录来验证。工业用户仍然非常小心地对待 PLC,他们正在对 PLC 作不同的技术测试工作。在利用一种新技术时,工业用户需要考虑的问题是要冒多大的风险,同时需要考虑对其商务活动能够带来多少机会和收益。 但工业用户不完全相信开放式控制系统所带来的好处。随着技术的进一步发展,他们开始逐渐淡化这些思想观念。工业用户正在平衡采用新技术所存在的风险和给他们的商务活动所带来的收益,以便为今后的决策提供有效的保障。 工业 PC 技术提供了许多功能,能够增强 PLC 的功能特性,包括内藏视频和高速浮点数字协处理器。尽管 Microsoft 公司没有进一步提升该项功能特性的计划,但新的 Windows CE 3.0 完全能够更好地满足过程控制的需要。 不久前,Siemens 公司公布了一套新的基于开放式控制系统的软件产品,即 3.0 版本的 SIMATIC WinAC(Windows 自动化中心)。WinAC 是基于 Windows NT,与 SIMATIC S7 PLC兼容的适合于工业 PC 的控制系统解决方案。WinAC 3.0 提供了具有较高集成度的 Profibus现场总线局域网的连接性能,以及远程程序设计。此外,它还为现场控制设备本地化集成提供了一种新的 DeviceNet I/O 设备驱动程序,用于连接所安装的 DeviceNet I/O 设备。 Steeplechase 软件公司也已推出了一套支持硬实时过程控制的嵌入式 Windows NT 操作系统接口部件。该部件进一步结合了 Steeplechase 公司采用 SBS 技术并运行于 Windows NT 环境的工业 Compact PCI 的硬实时控制软件。现在,Steeplechase 公司的可视化逻辑控制器已经升级到 5.0 版。该控制器适合于 Windows NT 4.0 和 Windows 2000 两种操作系统,它的实时引擎能够直接与普通的 Ethernet 和 TCP/IP 集成在一起。5.0 版本的控制器利用了一种增强型 OPC 服务器驱动程序,因而比以前的版本具有更快的运行速度。其他一些特点还包括新 OI 网络特性,以及能够让工业用户自己设计出丰富多彩的动态图形画面等。 Transysoft 公司最近推出了新版本的 ISaGRAF 系列工业控制组态软件包,即 ISaGRAF PRO,它是基于 IEC 61131-3 国际标准,并独立于任何硬件平台的软逻辑自动化控制软件包。在一个网络化过程控制系统环境中,该软件包能够应用于多种组态和分布式控制系统的开发,它包含了一套开发工具、应用程序工作平台,以及相应的“虚拟机器”运行时目标。该运行时目标能够运行于各种各样的硬件平台。 CTC 自动化工程公司已经发布了一套新的控制软件包 MachineLogic PCLC(工业 PC 逻辑控制器) ,该软件可以让工业 PC 扮演 PLC 的角色,且仍然保持着工业 PC 的功能特性。该软件能够完成一台 PLC 所确定的控制任务,并且与程序执行时间一样快,均在 1 ms 以内;还能够同时处理多任务工作,但不能同时超过 16 个控制任务。一种具有优先级和多任务处理内核的机制保持着对每一件控制任务的跟踪,确保控制任务能够取得最高的优先权。该软件能够运行全部 5 种 IEC 61131-3 标准程序设计语言和 PID 控制程序,支持两种类型的I/O 控制设备。一种是像 Profibus 和 DeviceNet 等这样的现场总线 I/O 设备;另一种是像ISA 和 PC/104 这样的工业 PC I/O 模板。另外,该软件还提供了对控制系统的在线编辑组态功能。程序可以在 Windows 95/98 和 Windows NT 下开发并运行,但也能够在 RTXDOS 下执行。 SoftPLC 公司也提供了一种工控软件产品 Tealware,有人非常形象地把这种软件产品称作穿着工业 PC 衣服的 PLC。那些安装在支架上的控制系统已经有了小型 PLC 的形状系数,但 SoftPLC 公司的控制软件已经被嵌入到 CPU 中。Tealware 软件能够满足各种类型工业用户的需要,从小型、单机系统到大型、分散多控制工作站应用。其特点包括全系列 I/O 模件、内藏 Ethernet 和工业串行通信接口。 最近,Tealware 软件已经升级到 2.3 版本。其中,控制软件提供了事实上无限的梯形图逻辑控制步序,同时允许有超过百万字的数据表;许多 OI/SCADA 应用接口;内藏 Java引擎和 FTP 服务器用于远程维护与管理;支持用户自己编写的 C、C+、Java 程序和设备驱动程序;适合于嵌入式 Web 服务器用;程序设计的在线运行模式;坚固的 I/O 模件支持能力和许多其他标准 PLC 功能;可以运行所输入的,或者是经过转换的 A-B 公司的 PLC-5、PLC-2/PLC、PLC-3 和 SLC-500 程序。 三、Ethernet 的扩展与进一步容纳 Web 技术 当前,在所有过程控制领域,最大的发展趋势之一就是 Ethernet 技术的扩展。PLC 也例外,现在,越来越多的 PLC 供应商开始提供 Ethernet 接口部件。在最近的几年间,我们已经看到,发展比现有普通小快灵 PLC 更加强大的 PLC 是种趋势。Ethernet 将会成为 PLC的通信标准吗?也许最终结果是这样的,但现在还为时尚早。对于在 PLC 上提供 Ethernet接口将能够解决所有通信问题,人们普遍存在着误解。Ethernet 仅仅定义了 OSI 参考模型底部的几层协议标准,如果上层协议相互之间不能兼容,那么仍然不可能进行相互之间的通信处理。打个比方,这如同一个不懂英语的中国人与一个不懂汉语的美国人之间是不能够通过电话进行对话一样。因此,协议就是设备之间相互通信的语言。 另一方面,前进的步伐已经迈出,我们只有迎着困难而上,为了将 Ethernet 技术应用到工厂底层的现场过程控制设备中去,ODVA 协会为此建立了一套全球性标准技术规范,即Ethernet/IP 标准,以便能够解决在实际工作中所遇到的困难。 向 Ethernet 靠近的一个目的在于通过 Internet 能够连接到所希望的任何地方。实际上,在一些意想不到的地方,Web 服务器正在显露出其应有的威力。几年前,有一些 PLC系统已经内藏了 Web 服务器,这无疑又为 PLC 系统增加了更多的特点。其他类型的控制设备也正在准备进一步集成 Web 服务器。例如,Square D 公司已经有一个具备 Ethernet 连接接口的发动机控制中心,并正在准备开发一种内藏 Web 服务器连接接口的变速装置。 内藏 Web 服务器所体一风的益处包括开放网络、商业工具的影响、客户机/服务器关系。在过去,工业用户可能会有代表性地询问一些有关 PLC 方面的信息,但在现在,由于新技术的不断诞生和发展,工业用户很容易就可以得到有关这方面的信息。另一方面,随着芯片和处理器大规模的生产,PLC 生产制造商能够生产并提供开放网络的产品,让工业用户花较少的费用就能够购买到功能非常完善的 PLC 产品。 在为将 PLC 连接到 Ethernet 和 Web 上提供技术支持方面,Schneider 公司已经成了先驱者之一。最近,该公司推出了一种运行于 Premium PLC 平台的新型快速 Ethernet(100 Mb/s)模件。该模件为 PLC 能够连接到 TCP/IP 的 Ethernet 提供了全双工自适应10/100Mb/s 的连接速度,现场过程控制器之间可以共享实时数据信息,自动扫描 Momentum I/O 模件和其他任何基于 Modbus 通信协议的现场控制设备,采用一个嵌入式 Web 服务器提供 HTML 通信服务,同时提供了 SNMP 用于标准网络通信管理。在一次展览会上,Schneider公司还向工业用户展示了他们有关透明工厂的观念。另外,Schneider 公司最近还推出了基于 Modicon 公司的 Momentum MIE 系列处理器的适配器,该适配器提供了标准 IEC 程序控制性能,进一步为 e-制造提供了完美的解决方案。该适配器还提供了将智能化 I/O 系统和其他现场过程控制设备连接到 Internet 和 Ethernet 的能力,现场过程控制设备包括所有功能化实时过程控制器。 几年前,Rockwell 自动化公司也在其 PLC 产品中提供了 Ethernet 接口,而且正在坚定不移地稳步提高 Ethernet 的功能特性。该公司最近已经公布了一种柔性 I/O 模件解决方案,这种柔性 I/O 模件利用非专利版本的 Ethernet 技术能够提供实时过程控制性能。A-B公司提供的 1756 型 ControlLogix I/O 也是基于标准 Ethernet TCP/IP 和 UDP 数据传输协议的组件,其应用层使用了一种开放式、面向对象、基于生产者/ 消费者的技术。这种技术在 ControlNet、DeviceNet 和 FF 现场总线 H1 网络系统中也能够找到。 同样,其他许多公司也已经推出了 Ethernet 通信接口模件。例如,来自于 IDEC 公司的 OpenNet PLC 控制器所提供的通信接口,实现了与 DeviceNet、LonWorks 和 Interbus 等现场总线设备的兼容。该控制器利用一个 Interbus 远程 I/O 主卡件能够处理不超过 480 点本地 I/O 和 512 点远程数字量 I/O。 Sierra 公司所提供的 8051 型工业通信桥路能够让彼此之间互不兼容的 PLC、DCS、RTU和 SCADA 系统很好地集成在一起。这种工业通信桥路通过 RS-232、422、485,或者Ethernet 通信链路实现了高速网络应用。该桥路控制器同时提供 8 个 RS-232 串行通信接口,2 个 RS-485/422 隔离串行通信接口,2 个 10Base-T Ethernet 接口,以及一个用于冗余热备份桥路的连接器。 来自于 ProSoft 公司的多制造商接口套装组件为 A-B 公司的 PLC、SLC、ControlLogix和 FLEX I/O(包括 1771、1746、1765 和 1794)平台提供了串行通信能力。每一个模件包含了一个 80386 处理器,并同时嵌入有 DOS 操作系统,因而,可以被看作是具有 I/O 能力的工业 PC,另外,该控制器同样具有“A”磁盘操作提示符,以及 Autoexec.bat 和Config.sys 文件。应用程序可以是从简单的 ASCII 通信到复杂的 32 位控制算法。 另一家通常从事运动控制方面研究的公司 Giddings & Lewis 也为其 PiC(可编程工业控制)和 MMC(机械与运动控制)系列应用于运动控制方面的产品增加了 Ethernet TCP/IP接口。这些单元部件提供了可以连接到工厂内部 Intranet 和 Internet 的能力,允许现场过程控制器之间共享数据信息。现场过程控制器与工业 PC 之间通常采用 OPC 服务器设备驱动程序来连接实时数据信息,利用 Ethernet 网络系统和 Web 技术可以进行远程文件传输、程序设计和系统维护。现在,越来越多的企业正在计划将其所有自动化控制设备逐步连接到企业范围内的信息系统中去。对于工业用户来讲,也许他们已经注意到有关 Ethernet for Control 系列控制解决方案,该技术更加依赖于 Ethernet 和 Internet。几乎所有 PLC 供应商在其部分系列化产品中均提供了 Ethernet 连接特性,而且有些公司已经确定将 Web 服务器彻底嵌入到他们的设备内部,以便充分展现 PLC 的性能特点。利用 PLC 的 Web 连接特性,工业用户不但可以从任何地方监控控制系统的运行状况,而且还可以像利用系统手册一样获取所需要的任何数据信息。 当然,如果工业用户正在着手将其控制系统连接到 Internet,则必须为此设置安全的信息发布地址。另外,为了防止黑客进入到控制系统中去,还必须安装一套安全性能较好的防火墙软件。 SoftPLC 公司在网络安全性方面投入了极大的热情和兴趣,他们将一个具有实时和确定性的 Java 虚拟机器嵌入到过程控制器中去。Java 使其不仅能够运行基于 Web 的 Active X 控件对象,同样也能够运行 Servlets。Servlets 是个运行于 Web 服务器任务高度集成在一起,能够提供动态 Web 页面内容。Servlets 程序代码清晰可见、面向对象设计、模件化,开发起来非常简单明了,Servlets 也提供了数据信息安全性能,允许进一步限制实时数据信息,如仅仅是所选定的工业用户,或者是所选定的注册数据信息。如果过程控制器被有效地连接到 Internet,那么安全性对其是非常的重要。 黑客的入侵还不是唯一的烦恼,如果网络系统瘫痪,我们首先需要干什么呢?黑客入侵的解决方案是采用冗余。在过程控制器中采用冗余 IP 地址、冗余网络系统、冗余通信电缆,以及热备份等方式,当突发事件发生时能够很好地为过程控制系统提供服务。 许多 PLC 供应商在其产品的开发过程中仍然继续不断地改进和提高通信性能,其开发方向主要面向于 Ethernet 技术和基于 Web 技术。
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