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1、PLC的未来发展史 珺 关键词： PLC 控制系统 OEM 软逻辑 现场总线 CPAS 运动控制 SCADA（发表于世界仪表与自动化2008年第8期1 稳健发展的PLC：没有任何消亡迹象大约五六年前，有一种在工控界比较时髦的预言，就是PLC将要被PC-BASED控制系统或其它的系统所取代。直到现在，也不断地有一些行业专家在做这样的语言。但是，只要看看市场分析报告就可以知道，PLC的销售从十年前到现在，每年都在以一个十分稳定的增长率在上升。PLC市场不断扩大的主要原因有两个，一个是因为PLC的制造商在不断地改进PLC的性能；另一个原因就是随着性能的改进，PLC不断进入新的控制领域。目前的PLC已
2、经与十年前的PLC相比，你可以说出很多的区别，十年后的PLC与当前的PLC也将有着很多的不同。但是，今天的PLC在两个方面与过去的PLC是不变的：首先，它依然会提供稳定的控制响应，也就是说，对于任何现场的事件，你可以十分有把握地预测PLC的响应和表现；第二，它们依然是可靠的，即对于现场的任何突发的干扰和故障，PLC可以提供超过任何控制器的高度可靠性。它们之所以是稳定的，是因为扫描循环的方式使它们可以确定对传感器的响应有可以预测的延迟，它们是可靠的，是因为它们生来就是被用来设计对付恶劣环境的和它们所连接的设备的。当今生产世界的趋势是什么？逐步增加的柔性，更大的可视性，更好的远程控制，和逐渐下降的
3、成本。减少生产成本是通过减少库存、高的生产率、更好的质量控制和更好的产品设计。所有这些需要更好和更容易的通信，从一个计算机制造商（包括PLC制造商）的观点来看，它意味着计算机必须要能够交换数据，他们必须有程序以使它们能够使用其它计算机的数据。所有这些趋势都是要求PLC和其它计算机的更好的互连性。PLC制造商已经做了这些改进，个人计算机的动作相对迟缓得多，因此，PLC并没有处于某种逐渐消亡的危险之中。明天的PLC会如何发展？可以肯定的是，PLC的改变一定是因为用户要求的改变，而不会只是因为制造商要推出新的产品型号。工业用户是十分谨慎的，如果它们所用的PLC工作得令人满意，他们不会冒引起生产问题之
4、险，只是为了漂亮的广告而买一个新的产品或新的型号。如果工业用户相信有一个比目前所用的方式更好的办法来做一件事，它们会迅速地寻找能在新的系统中使用的PLC，因此，预测PLC的未来要比预测其它产品要容易一些。我们只要看看制造业的趋势，而不用关心时尚的趋势。依然可以确信不会改变的就是，它们必然将继续是稳定的和可靠的。但要做到这一点，同样PLC会在性能和它的应用领域两方面不断创新，就像它过去十年所发生的变化一样。所以，本文将从这两个方面来进行一些分析。2 PLC的性能改进方向2.1 现场总线与传感器和执行机构级的联网当控制器越来越强大时，它们可以控制越来越大的领域内的生产行为。这意味着将每个传感器和执
5、行器连线到一个PLC控制器是不实用的。由机架上的I/O所构成的远程I/O系统，每个机架由通讯管理器控制数据与一个中央CPU进行数据交换，是一种解决方案。但是，远程I/O解决方案仍然留给我们一些机架要与庞大数量的传感器和执行器连接的电缆。传感器和控制器网络，有时称为传感器网络，越来越普遍。在传感器/执行器网络中，小的I/O模块相互连接并通过串行通信电缆与一个控制网络相连。一个电缆加上少到三个管理器是连接广泛的分立的I/O模块。每个I/O与数十个数字传感器和执行机构相连，每个I/O模块由有它自己的节点地址。网络控制器向I/O模块写一些小型的数据包，控制它们的执行器，并从I/O模块读取传感器的小型数
6、据包。通常，在安排每个I/O模块的节点地址时要对它们分别进行编程和设置。一个传感/执行网络控制器可以直接插入PLC的中央I/O机架，它们象标准的I/O模块一样将I/O数据呈给CPU，因此，用户程序使用远程传感器/执行器网络时，不需要进行不同的编程。 传感器/执行器网络接口电路价格很低廉，现在已经可以足够经济到能够放到单个的传感器或执行器中了。现在的问题是，一个内置某种类型的网络接口的传感器或执行器网络不能和另外一种类型的传感器/执行器网络，用户一直致力于开发一种开放的传感器/执行器网络。PLC制造商也支持这样做，尽管专用的传感器/执行器网络仍然很受欢迎。两种比较受欢迎的开放式传感器/执行器网络
7、是，DEVICENET，有ROCKWELL基于CAN总线标准开发的，然后免费开放给社会；另一种是ASI，（传感器/执行器接口），是西门子开发的。不用说也知道，哪怕只有两种传感器/执行器网络，也是太多了，因为没有一个制造商愿意支持一个能够给他们的竞争对手带来竞争优势的标准。而现在的现场总线标准竟然达到了十几个之多！大多数传感器/执行器网络只在数字传感器/执行器方面表现良好，因为通讯的数据包通常都局限在几个字节。即使模拟量是10位分辨率的，其数据包对与传感器/执行器网络来说也太大了。然而，有一些传感器/执行器网络可以处理大的数据包，或者有变化数据包大小，因此它们可以用来连接模拟量器件。 如果用户愿
8、意付钱去买一个内建A/D转换芯片和网络通讯芯片的模拟量传感器和执行器，从经济角度来说，如果再增加一些功能， 如定标和自检功能，就是很有意义的。如果你要将传感器和执行器连接到一个网络中，为何不用网络来写组态数据、用网络来读取状态呢？为什么不在芯片上增加一些ROM这样将仪表变成智能仪表呢？这样控制器可以读ROM芯片来辨别用的是什么传感器和执行器，如果控制器可以查询所连接的设备，传感器和执行器系统可以被设置为自我组态，（即插即用），甚至可以设计一个系统允许传感器和执行器带电插拔，这些观念带来了现场总线的诞生。几年前，国际标准组织认识到，为控制目的的一个包含数字化的模拟量信号传输的开放标准必须要在大量
9、的专用系统开发出来之前制订出来。经过深入调查、分析和对目标的多次修订，一个由工业界代表组成的单一组织，承担了开发单一开放式现场总线标准的重任。这个组织叫做现场总线基金会，其标准是与ISA和IEC联合开发的SP50。SP50定义了四层通讯网络需求，并定义了PLC对现场总线要做什么。四层结构中有三层是在OSI结构标准上的，增加了一个新的用户层标准。SP50实际上是一组标准，因此，用户可以选择SP50兼容的设备用于所需的功能级别。假如一个PLC与一个传感器通过现场总线相连，传感器和执行器都必须包含嵌入式的控制器芯片，这样，它们有足够的智能可以进行通讯、利用组态数据、报告状态，还有更重要的，执行对该类
10、型器件的控制程序。一个低端的智能传感器也要从PLC接收定标值，并计算数字化输出供PLC读取。一个高端的用于电机控制的智能执行器还可以从PLC接收位置设定值，并包含自己的伺服控制程序（如PID功能块）。它将从现场总线上的分立的传感器（如位置传感器）读取过程变量，然后用PLC或现场总线上的另一个控制器提供的控制参数将电机驱动到需要的位置。PLC和仪表的用户将会比较高兴地听到，现场总线基金会声明用户不需要了解应用层和数据连接层的内容，对物理层的一些了解是必要的，因为用户必须将现场总线接口通过网络总线的网络管理器连接起来。H1类型的物理层提供了一个可以足够代替大多数传感器和执行器的级别的活动，H2类型
11、的物理层提供速度和数据处理能力，足够满足以上所提到的所有功能。PLC编程人员必须了解的是用户层，用户层将通过现场总线传输或请求数据，从而对用户程序指令进行响应，同时也自动为系统进行现场总线所需要的操作。现场总线系统所必须进行（要在应用层的帮助下）的部分用户层服务包括：l 在系统启动和操作时，自动探测和识别现场总线网络上的器件，每个器件包含一个由制造商安装的用DDL（器件描述语言）格式的对自己的描述，现场总线基金会一个对虚拟器件的格式的限制，以防器件描述太过繁杂。l 自动地址安排和维护地址目录，因此，用户程序可以用符号化名称来编写。l 循环读写输入和输出，并刷新I/O映射表。l 不用等待循环刷新
12、时间即可等待高端刷新信息，当用户程序（应用层）执行IEC1131-5通讯功能块时，现场总线用户层将通过进行要求的数据交换来作出响应，有些通讯将需要现场总线来中断另一个控制器这样它可以对一个报警信息进行响应。l 通过执行一些用户程序中的标准控制功能块进行远程控制，。l 周期性的间歇同步所有的计算机时钟。现场总线基金会的SP50标准会不会成为国际通用标准？SP50虽然工作得不错，但这是因为它是除了几个广泛应用的专用标准之外的首个开放标准，也因为行业对开放的现场总线有强烈的呼唤。有些专用网络对SP50是有挑战性的，因为它们早在SP50面世之前就已经有大量的安装应用的基础，这些包括AB的CONTROL
13、 NET，西门子的PROFIBUS，还有一些没这么大的公司开发的网络。传感器和执行器网络已经有足够的安装基础，用户可能只希望简单地对它们进行升级和维护，或者进行改进，而不愿更换为SP50的兼容产品。但是无论如何，SP50的努力方向是善意的，我们现在也没有什么理由说它是不正确的，作为江企业的现场与商业化连接的纽带，可能会使这个标准称为第一个FF组织自己设计的、能够广泛推行的标准。2.2 软逻辑如果个人计算机可以包含软件来模仿PLC的程序扫描循环，如果计算机可以运行一个标准的PLC程序并通过接口卡进行I/O刷新，在你的PLC系统内，你将不再需要PLC的CPU模块。这时，你就有了一个软逻辑。对个人计
14、算机的软逻辑软件和接口,是那些预言PLC行将就木的人的最新证据。PLC技术的增长趋势使软逻辑获得了巨大的成功，现在我们从一个典型的小的制造操作开始，来看看成长的周期：l 在生产现场有大约十来个PLC，一个由个人计算机加上编程软件组成的编程单元和一些接口电缆。个人计算机不是工业加固机（工控机），因为工控机太贵，所以老板个人计算机的损坏，需求更可靠的产品。l 可以用PLC内置的局域网功能来装配一个稍微复杂的系统，接口卡可以放在个人计算机内，以让它连到PLC网络上，现在个人计算机可以连到任何PLC而不用从工程师室搬来搬去了。l 由于现在个人计算机永久性地连到了PLC网络上，加一些SCADA软件是有意
15、义的，这样它可以监视整个控制系统，一些网络分析软件也可以被加入。l 为了对整个系统进行集成改进，分立的PLC可以被一个中央的PLC配以远程I/O机架来代替（或者通过现场总线连接一些传感器/执行器网络器件），接线要求还是差不多，但你只需要对中央CPU写一个程序就可以了。你可能需要买一个大的CPU，以便有更多的内存和更高的速度，但你现在有了灵活性，因为可以更自由的改变远程节点了。l 现在你认识到，你实际上有了两个中央CPU，一个是PLC的CPU模块，一个是运行编程软件、SCADA软件和网络分析软件的个人计算机， 相对于PLC的CPU模块来说，个人计算机可能运行速度更快，而且有更多的内存，而且价格可
16、能低得多。为什么要更新PLC的CPU模块，而不在个人计算机上运行软逻辑软件呢？个人计算机上还可以运行其它的软件，使之对控制系统有更全面、更迅速的了解和分析。更重要的是，它意味着PLC的内存、I/O能力、通讯能力都很容易扩充，只要增加一些标准的计算机的元件即可。实际上，对于保持一个真正的PLC还是用软逻辑是存在争议的。这个争议，可以预见的是，将牵涉到可靠性、控制间隔的确定性。软逻辑控制软件和接口硬件的供应商声称这些问题已经被解决。下面是一些关于软逻辑的正反两方面的争议，你可以自己作出判断（注意，正方是支持软逻辑的）：反方：个人计算机操作系统不够稳定，它们容易死机，而且同一时间运行的所有软件都跟着死机，需要计算机重新启动。正方：主板已经不再是由小的电子供应商制造了，一个供应商（INTEL）已经占有了全球50%以上的市场，质量更好而且也更加一致，你上次看到一个损坏的主
