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发表于 2016/3/16 15:14:24

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精华帖

标签: 传感器 工业4.0 PLC 机器换人

什么是高端PLC?

  再版前言
  这篇文章实际上是在2012年左右为了一位前辈总结的一篇稿,后来又在2013年《自动化博览》发布过的,春节这时节本来是大家讨论生活与休闲话题的,只是我所在的一个名为“工业4.0与二级市场”的那些群里的朋友们都是一群产业热情的—包括那些投资界的外行们,他们激烈的讨论,让我觉得有必要把这篇文章用新的微信公众号的方式发布—必须做以修改,毕竟,已经到了“工业4.0”时代了嘛!
  一贯的风格—要不有一个带有疑问的标题,一般不能吸引人。
  正能量声明
  不过,这样的题目会很容易引发争议,因为牵扯到同业内的产品技术,此文纯属讨论,我也不是那么深入了解同业的产品技术—为了避免被追溯法律责任,我决定一概赋予“正能量“。
  一、真的要分个高端低端出来吗?
  高端是一个很有意思的词—人人都喜欢用,然而,自动化本身只是一个“应用型“行业,产品技术更多是”集成“-例如,芯片、传感器都是来自跨领域,那么在某种意义上,自动化是一个有核心技术的行业吗?大家能分出差异吗?大家在一个公开的市场采购元器件、使用Open的软件,那么自动化的高端用什么来体现的呢?
  自动化是一个应用行业,则客户的需求才是决定行业地位的真正力量,所有自认为是高端的产品、技术、公司都必须接受最严苛的产业应用挑战,在最严苛的客户—也即产业里最顶级的客户那里获得支持的才能说高端,任何号称的高端都是没有意义的。
  如果单纯的讲PLC的性能、功能进行列项比较,是无法反映高端PLC的全貌的,只能在局部看PLC,而必须结合产业需求、高端PLC厂商的产品设计架构与理念等来综合考量。
  PLC其实只是控制的一部分,核心在控制,图1就展示了控制的发展过程,当然,PLC已经延伸到带有总线、实时以太网、信息集成的各个阶段了、PLC与PC在融合。
  为了讨论方便,我们没必要讨论行业具体应用,否则问题变得复杂,且涉及了不同公司的商业机密—客户资料。


  图1-控制技术的发展

  上面的内容全部为新增内容
  --原文正文--
  几个趋势
  1.比较硬件毫无意义
  今天,PLC已经不应该去比较谁的CPU执行速度更快?比较谁的存储更大?谁能带的I/O点更多?能够用什么编程语言?PLC作为工业控制的核心产品,其已经产生了很多变化,这一切要归因于IT技术带来的革命。存储越来越便宜而且越来越大,使得你在PLC上可以存储大量的实时数据,而CPU则越来越快,以前那些解决不了的问题正在被轻松解决,而显示屏也越来越多样和丰富,硬件的需求越来越高速,但是,标准化和通用化是未来的趋势,因此,竞争已经不在硬件本身。性能决定一切的时代即将过去。
  2.PLC要更加开放的融合各种技术
  功能时代已经到来,这就包括了运动控制、安全、液压,机器人、CNC、实时通信、FDT、无线以太网、GPRS等都在广泛的渗透到控制中,PLC要变得更加开放才能在未来的竞争中生存。
  3.技术正在走向融合-集成解决方案
  PC技术的广泛应用使得控制器的能量无限扩大,而丰富的软件应用也让CPU必须更快,更强,IT技术提供了这一切,Intel架构的嵌入式CPU已经被广泛应用于工业控制,而PAC,PCC,PLC,PC,DCS,SCADA这些概念正在相互融合,并且逐渐的与GIS、SQL Server等专业技术相互接口融合,控制技术正在构成一个集成的整体,单个的PLC或者PC已经在整个控制应用的需求中变得扁平,界限也开始模糊,专用控制器,通用控制器的概念也开始模糊,世界正在走向融合。
  二、高端PLC技术驱动力
  1.IT行业对于自动化行业的推动
  1.1使得硬件更加通用化-随着IT技术的发展,CPU的处理能力、通信速度(以太网技术)、存储及扩展能力、软件功能块(OPC)、诊断与维护能力(基于IT技术的维护)能力和显示能力都得到了大幅度的提高,并且,IT技术的发展也导致了硬件成本的不断下降,并且,IT的竞争使得芯片更容易获取,而成本却更低。
  1.2标准化与模块化设计-为了降低系统的生产与制造成本,PLC产品不断的走向模块化与标准化设计。
  因此,发展国产PLC产品要时刻关注IT技术对于自动化的发展的推动,关注IT技术如何被集成到自动化技术中。
  2.面向复杂控制的需求拉动PLC的发展
  无论是PLC,PCC,PAC技术,其发展宗旨均是为了满足更为复杂的机器与生产现场的控制需求,分布式计算对于总线提出新的需求,生产集成对于软件SCADA和DCS的需求不断增加,PLC将在这里担负更多的功能。
  PLC最初的应用主要为了逻辑控制而开发,而随着IT技术、通信技术、传感器技术以及生产管理对于现场数据的需求,为了跟踪生产过程,分析工艺和质量的影响因素,对于现场数据的需求不断提高,对于环境和安全的需求也带来了安全技术的发展,这些影响了PLC对于控制的要求:
  2.1复杂的算法设计:今天在机器控制领域已经有些类似于过程控制领域的PID调节、工艺算法设计(套色、张力、称重、牵伸、放卷、收卷)等需要PLC具有超强的算法设计和处理能力,例如:B&R的PCC就可以采用C,C++编程,这对于复杂算法设计更为容易,而Bachmann的PLC则可以基于C,C++,Java编程,SoftPLC的SoftPLC则也可以基于Java编程。
  2.2运动控制:由于以前的机器上,运动控制执行件较少,通常都采用专用的运动控制器,而现在的运动控制应用更为广泛,在各个机械制造领域,以及造纸、啤酒生产线、烟草等领域都有更为广泛的应用,而这对于运动控制如电子齿轮、电子凸轮、定位控制有了更多的要求,如SIEMENS的T-CPU系列即可完成运动控制任务的处理,而B&R的PCC则可以直接通过总线控制伺服驱动器实现各种运动控制的算法。
  2.3安全技术-随着对于人身安全及设备安全的需求,各个PLC厂商均开发了为安全应用而设计的SafetyLOGIC产品,如SIEMENS的317F,319F CPU即为安全应用而设计,ABB的PLUTO安全PLC、Rockwell Automation的,而B&R则开发了SafetLOGIC PLC。
  2.4CNC与机器人:传统意义的机器人与CNC通常采用专用系统,因为这些系统需求是更为复杂的路径规划与矩阵转换,这就使得PLC无法满足而采用了专用的系统,早在1997年,B&R在其PLC中可以集成CNC,并在2006年开始集成机器人库。
  3.激烈的市场竞争促进了软件的发展
  3.1软件的发展-由于硬件的通用化和标准化降低了系统的成本,而为了寻求差异化竞争力,高端PLC将注意力更多的集中到了软件功能与行业应用库的开发上,更为细分的市场使得应用的差异化成为了竞争的利器。
  3.2软件封装了客户的内在竞争力-保护了知识产权。
  注:这个本人有《自动化软件价值体系》一文专议。
  三、丰富的总线支持能力
  2.1总线控制的优势
  基于总线的控制技术,高端的PLC具有丰富的总线接口支持能力,总线式连接带来了以下一些好处:
  2.1.1总线连接减少了电缆的数量:通过总线连接的分布式I/O站,减少了为了连接到中央控制单元的接线数量。
  2.1.2使得控制更为灵活:总线使得分布式控制得到了实现,对于分布式控制系统而言,总线是不可或缺的组成部分。
  2.1.3使得机器设计更为灵活-在OEM机械制造中,总线使得机械的模块化设计成为可能,每个独立的机械单元带有本地独立的控制器,通过总线实现整个生产线的集成,而这些仅仅需要通信电缆的连接即可。
  2.2总线的分类
  2.2.1现场总线技术
  传统的现场总线包括Profibus, CANopen, CC-link, FF ,HSE,DeviceNet, Modbus等,有多少个自动化厂商就有多少个总线,各种总线定义了不同的应用层协议和行规(Profile),这些总线之间不能互联,或者为了互联而需要增加额外的交换与网关设备。


  图2-各种总线集成形成了总线之争

  2.2.2标准以太网技术
  IT业界技术的发展使得Ethernet技术得到了更为广泛的应用,由于它具有开放性好、速度高、成本低廉的原因,越来越多的自动化厂商开始在其自动化组件中集成了Ethernet技术,它主要带来了以下几个好处:
  A.它速度更高-100Mbps的数据传输满足了视频数据、视觉识别、图像处理等工业数据传输的应用;
  B.它开放性好-无需支付任何License费用即可使用;
  C.它成本低-由于大量的标准应用,Ethernet的数据电缆价格、芯片价格都大幅度降低,使得它成为价格低廉的技术被广泛使用。
  目前,Ethernet技术已经在各个自动化厂商的产品包括PLC、HMI、传感器、安全系统、DCS中得到了广泛的应用,是发展最为迅速的技术。
  2.2.3实时以太网技术
  Ethernet技术的发展带来了如此多的好处,但是对于机器人、CNC、运动控制和Safety技术领域,Ethernet数据交换的不确定性是一个巨大的障碍,因此,各个公司又在以太网技术基础上开发了实时以太网,以满足对于实时性更为苛刻的需求,通常我们将数据刷新速度在uS级、同步精度在0.1uS的以太网称为实时以太网。
  这里比较典型的技术包括了:
  A.Ethernet POWERLINK技术,这个是最早的实时以太网技术,早在2001年,始创公司B&R就开发了这一技术并投入使用,它采用轮询机制来进行数据交换的管理,由一个MN(主节点)调度时间片给每个CN(从节点),可以达到的刷新速度为100uS,其物理介质采用满足IEEE802.3规范的物理层,其应用层则采用CANopen的Profile,目前它是自动化业界唯一的开源技术Open Source Technology。支持该总线的包括ABB,Schneider和LENZE,Baldor以及一些运动控制系统厂商。
  B.SERCOSIII,在Rexroth公司1994年开发的SERCOS现场总线基础上发展起来的以太网技术,其同样轮询方式的管理机制,可以达到100Mbps的传输速度,uS级的刷新周期,目前包括Rockwell AB、Schneider一些自动化公司支持该总线。
  C.Profinet,由SIEMENS开发并投入使用的实时以太网技术,但是,其多个版本中目前ProfiNet和ProfiNet RT已经可以使用,而其基于ASIC技术的硬件实时的ProfiNet IRT尚未有完全推出,IRT可实现uS级的数据刷新,高时钟同步。
  D.EtherCAT,基于集束帧的方式传输的实时以太网,其主站是标准以太网,但是从站非标准以太网,采用ASIC实现,可实现100uS的数据刷新。
  实时以太网主要解决了在高速同步控制方面的数据交换能力。


  图3-各种实时以太网技术

  目前国内的自动化厂商,如PLC厂商普遍能够做到的是ProfiBus,CANopen这类总线,国内自主开发的EPA目前仅部分创始厂商如浙大中控和和利时在使用,而且是使用在DCS中,而实时以太网的应用主要是在运动控制和机器人这些领域要求较高。

  表1-各家对总线的支持能力

  高端PLC与普通的PLC的功能应用强大在于其软件能力,这些软件能力分为几个层面:


  图4-高端PLC的软件体系

  1.开发平台软件-是否具备完整的开发平台和库的调用,是其能否完成机器控制、工厂设备集成的关键,如
  果没有强大的开发平台,则无法完成复杂控制任务的软件系统构建。
  1.1开发语言的支持能力
  除了常用的梯形图、指令表、结构文本,一些PLC支持复杂的算法设计的高级语言,如B&R支持C,C++,C#的编程,Bachmann的PLC支持C++,Java,SoftPLC也支持Java编程,因为其本身有操作系统,可运行编译系统和Java虚拟主机。
  1.2全生命周期服务的开发平台
  工具而非平台,这个概念正说明PLC正在变化,已经不能用工具来简单描述,因为,不仅仅是一个开发工具,它包含了越来越多的功能。
  2.操作系统的支持
  与传统PLC不同的是,今天基于PC的控制、PAC、PCC已经由于其所运行的操作系统平台的不同而产生了能力的巨大差异,操作系统使得很多丰富的IT-Based软件可以运行其上,大大的丰富了PLC产品的软件运行环境和支持库的数量。


  图5-主要的RTOS

  高端的PLC采用了RTOS来提高处理的实时性,支持多任务,如Rockwell Automation的ControlLogix支持多个任务的处理,而B&R的PLC则支持8个不同的任务等级,并且每种任务可以设定不同的循环周期。
  3.应用库的支持
  为了实现针对Logic和Motion,Safety的编程统一,PLCopen标准化了一些程序接口,这些软件模块的调用可以实现一些简单的控制需求,但是,这远远不够,还需要能够自定义库的支持,例如针对不同行业的需求而产生的应用软件包-这些构成了其自身的核心竞争力。


  图6-PLCopen库

  此处增加PLCopenMotion Part 4中关于协同运动控制的问题,传统的PLC无法完成运动控制,必须依赖于专用运动控制器或者模块—往往比CPU价格更高,但是,新的PLC将直接运行运动控制,而PLCopen则从软件的角度为这种融合解决了实际问题。
  五、安全技术集成
  4.1Safety PLC
  众多的欧美高端PLC厂商均推出Safety PLC,遵循IEC61508标准规范,由TUV和TUV南德意志认证并已经开始投入使用有以下一些典型的。
  4.1.1RockwellAB GuardLogix系统满足TUV SIL3认证


  图7-Rockwell安全PLC

  4.1.2贝加莱SafetLOGIC


  图8-B&R安全PLC,SafeLOGIC

  4.1.3SIEMENS S7300F,S7-400F/H


  图9-SIEMENS安全PLC

  4.1.4ABB 800xA和SafetyGuard400系列
  4.1.5EmersonDeltaV SIS
  4.2安全总线技术
  4.2.1SIEMENS推出ProfiSafe
  4.2.2SERCOS Safety
  4.2.3OpenSAFETY,由贝加莱在2008年推出,并支持在所有现在流行的总线上运行,已经运行的包括ProfiNet,EthernetIP,SERCOSIII,POWERLINK和ModbusTCP.
  4.3安全技术的未来
  4.3.1进入门槛:如果中国的自动化产品需要进入欧美市场,以及在一些对安全性有需求的核电、机器控制、石化领域应用的话,未来需要开发满足国际标准IEC61508,61511的安全标准产品。
  4.3.2政策要求:越来越重视人的生命与安全的要求在未来必然在政府的强制性要求中体现。
  六、高端PLC仿真能力
  MATLAB/Simulink是广泛应用于科研领域的工程开发与仿真平台,通过基于建模的开发模式,可以降低整个系统研发的成本,尤其是在航空航天、高铁、汽车制造、建筑工程、电力等领域的系统仿真,可以大量节省项目的测试成本。
  2008年B&R与Rockwell AB即与Mathworks合作,通过开发数据接口,MATLAB/Simulink仿真后自动生成的C代码可以在这两家公司的CPU上直接运行,可以实现硬件再环测试(Hardware In the Loop),目前这一技术已经在风力发电行业得到了应用,B&R为风力发电开发的系统即采用MATLAB/Simulink仿真然后代码运行到CPU上,也包括防摇算法、机器人惯量前馈等应用。


  图11-Simulink过程

  2010年 Mathworks又继续由此延伸开发了满足IEC61131-3的代码,包括ST的支持,SIEMENES开始对此的支持,这使得PLC可以直接获取这些代码并运行,这可以大大降低开发费用,另外,在风力发电领域的知名控制器厂商Bachmann、Phoenix、Beckhoff也能够与SIMULINK相结合,实现风电主控控制等。
  七、高端PLC的软件平台集成度
  集成工程平台正在成为一种潮流,各个自动化厂商正在向着这个方向发展,这体现了几个方面的优势:
  1.集成平台代表的是整体方案提供能力-高端PLC产品的提供商能够完成系统的集成能力,例如:其有PLC技术、HMI技术、Motion技术、传感器技术、总线技术,这些系统的集成使得它能够牢牢的把握客户,从而获得高度的客户忠诚度。
  相应的,国产的自动化厂商现在还不能提供完整的平台,因为,PLC厂商往往没有运动控制,变频器的不作PLC,做伺服的不做变频器,也就是尚未形成一个能够提供真正整体解决方案的厂商。
  如果无法提供整体的硬件平台和软件开发的高度集成性,那么”TotalSolution”就成为空话,国产的自动化厂商要发展就得往集成方向去走,否则的话,如果只有PLC而没有其它配套的系统组件,则仍然无法巩固整个市场。


  图12-集成开发平台能力支持

  尽管自动化市场很大,但真正有集成开发平台的就只有SIEMENSPortal、B&R的Autoation Studio、Rockwell 的Logix等极少数几个平台,其它都还没有到较全面集成的能力。
  2.集成工程平台是向服务转型的基础
  大家都说未来是服务的竞争,而软件平台则是服务的利器,能够提供全产品生命周期PLC(ProductLife Cycle的服务能力,集成化的工程平台就是必须的,不仅包括编程,也包括仿真、测试、维护、诊断等功能。


  图13-集成开发平台功能与任务支持

  八、高端PLC厂商积极参与行业标准的制定
  1.IEC/PLCopen组织
  PLCopen库包括了PLCopenLogic,XML,Safety,Motion,Hydraulic,IEC61131-3等,如果能够支持这些库的话就可以轻松的开发基于这些库的软件应用。
  2.开放机器自动化与控制OMAC
  为了提高包装机械与机床等机器的控制系统一致性操作成立了OMAC组织,由End User里的代表厂商如波音飞机、P&G、SAB等组成了该国际组织,力图推广统一的机器操作与控制的标准,而众多的技术提供者也深入其中,成为未来技术标准的制定者。
  包括RockwellAB,SIEMENS,Rexroth,B&R,Elau,ABB等均为该组织的成员,共同支持OMAC技术在全球的推广。


  图14-OMAC PackML核心会员

  3.行业标准EUROMap-在塑料机械领域里所使用的机械手连接标准库;
  包括Rexroth,B&R,KEBA,SIEMENS等均支持该库以获得在该领域的应用支持。
  4.通用的标准Unicode能够满足系统支持多种语言的库,它能保证PLC产品能够支持全球各种语言,使得产品能向全球销售。
  5. OPC UA
  为了能够实现与上位SCADA以及管理层的ERP系统的连接,由Microsoft等与自动化厂商共同开发了针对不同的PLC连接的OPC Server来保证与管理系统的连接。
  自动化在各个应用领域与自身的标准方面,国际知名厂商都积极参与其中,并在标准上领先国内厂商,而且,这些标准正在被积极的执行。
  后期计划
  这篇文章写的有点早—但是,也算是一个概要性的介绍,后期将更为深入的研究,包括市场、应用,请读者耐心等待。

系统分类: PLC与PAC   |   用户分类: 无分类   |   来源: 原创

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