可編程控制器的發(fā)展趨勢分析
一、PLC的發(fā)展歷史
可編程邏輯控制器,又稱可編程控制器,有過多種定義。可以看作是一種經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)的工業(yè)計(jì)算機(jī),整個(gè)的設(shè)計(jì)原則就是簡單與實(shí)用。
1968年,通用汽車公司的液壓部門為了消除既復(fù)雜又昂貴的繼電器控制系統(tǒng),確立了第一個(gè)可編程控制器的招標(biāo)指標(biāo)。該設(shè)計(jì)規(guī)格需要固態(tài)系統(tǒng)和電腦技術(shù),并要求能夠在工業(yè)環(huán)境中生存,也能夠方便地編程,并且可以重復(fù)使用。該控制系統(tǒng)將大大減少機(jī)器的停機(jī)時(shí)間,并為未來提供了可擴(kuò)展性。該招標(biāo)由DEC公司中標(biāo),這套系統(tǒng)于1969年研制出來,這是第一臺可編程控制器,型號為PDP-14,應(yīng)用取得成功。其后,美國的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年西歐國家的各種可編程控制器也研制成功。這些早期的控制器滿足了較初的要求,并且打開了新的控制技術(shù)的發(fā)展的大門。
PLC的發(fā)展也是與計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、數(shù)字技術(shù)、通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等高新技術(shù)的發(fā)展息息相關(guān),正是這些高新技術(shù)的發(fā)展推動了可編程控制器的發(fā)展。
從控制功能來看,可編程控制器的發(fā)展大致經(jīng)歷了4個(gè)階段:
1.初級階段:從第一臺PLC問世到20世紀(jì)70年代中期
由于第一代PLC是為了取代繼電器的,因此,主要功能是邏輯運(yùn)算和計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)功能。CPU由中小規(guī)模數(shù)字集成電路構(gòu)成。主要產(chǎn)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。第一階段就采用了梯形圖語言作為編程方式,盡管有些枯燥,但卻形成了工廠的編程標(biāo)準(zhǔn)。
2.?dāng)U展階段:從20世紀(jì)70年代中期到70年代末期
這一階段PLC產(chǎn)品的控制功能得到很大擴(kuò)展。擴(kuò)展的功能包括數(shù)據(jù)的傳送、數(shù)據(jù)的比較和運(yùn)算、模擬量的運(yùn)算等功能。這一階段的產(chǎn)品有MODICON的184,284,384,西門子公司的SIMATICS3系列,富士電機(jī)公司的SC系列產(chǎn)品。
3.通信階段:20世紀(jì)70年代末期到80年代中期
這一階段產(chǎn)品與計(jì)算機(jī)通信的發(fā)展有關(guān),形成了分布式通信網(wǎng)絡(luò)。但是,由于各制造商各自為政,通信系統(tǒng)也是各有各的規(guī)范。由于在很短的時(shí)間內(nèi),PLC就已經(jīng)從汽車行業(yè)迅速擴(kuò)展到其它行業(yè),作為繼電器的替代品進(jìn)入了食品、飲料、金屬加工、制造和造紙等多個(gè)行業(yè)。其次,產(chǎn)品功能也得到很大的發(fā)展。同時(shí),可靠性進(jìn)一步提高。這一階段的產(chǎn)品有西門子公司的SIMATICS6系列,GOULD公司的M84,884等,富士電機(jī)的MICRO和TI公司的TI530等。
4.開放階段:從20世紀(jì)80年代中期開始
由于國際標(biāo)準(zhǔn)化組織提出了開放系統(tǒng)互連的參考模型OSI,使PLC在開放功能上有較大發(fā)展。主要表現(xiàn)為通信系統(tǒng)的開放,使各制造廠商的產(chǎn)品可以通信,通信協(xié)議開始標(biāo)準(zhǔn)化,使用戶得益。此外,PLC開始采用標(biāo)準(zhǔn)化軟件系統(tǒng),增加高級語言編程,并完成了編程語言的標(biāo)準(zhǔn)化工作。這一階段的產(chǎn)品有西門子公司的S7系列,AB公司的PLC-5,SLC500,德維森的V80和PPC11,加拿大ONLINECONTROL公司與合控電氣公司所開發(fā)的OPENPLC等。
二、PLC的特點(diǎn)
1.PLC的硬件和軟件進(jìn)展
PLC的技術(shù)從誕生之日起,就不停地發(fā)展。PLC的定義也經(jīng)過多次變動。1987年,國際電工委員會IEC(InternationalElectricalCommittee)頒布了可編程序控制器較新的定義:
可編程控制器是一種能夠直接應(yīng)用于專門為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置。它采用可以編制程序的存儲器,用來在其內(nèi)部存儲執(zhí)行邏輯運(yùn)算、順序運(yùn)算、計(jì)時(shí)、計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算等操作的指令,并能通過數(shù)字式或模擬式的輸入和輸出,控制各類的機(jī)械或生產(chǎn)過程。可編程控制器及其有關(guān)的外圍設(shè)備都應(yīng)按照易于與工業(yè)控制系統(tǒng)形成一個(gè)整體,易于擴(kuò)展其功能的原則而設(shè)計(jì)。
可見,PLC的定義實(shí)際是根據(jù)PLC的硬件和軟件技術(shù)進(jìn)展而發(fā)展的。這些發(fā)展不僅改進(jìn)了PLC的設(shè)計(jì),也改變了控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念。這些改變,包括硬件和軟件的。
以下列出了PLC的硬件進(jìn)展:
采用新的、先進(jìn)的微處理器和電子技術(shù)達(dá)到快速的掃描時(shí)間;
小型的、低成本的PLC,可以替代4到10個(gè)繼電器,現(xiàn)在獲得更大的發(fā)展動力;
高密度的I/O系統(tǒng),以低成本提供了節(jié)省空間的接口;
基于微處理器的智能I/O接口,擴(kuò)展了分布式控制能力。典型的接口如:PID,網(wǎng)絡(luò),CAN總線,現(xiàn)場總線,ASCII通信,定位,主機(jī)通訊模塊,和語言模塊(如BASIC,PASCAL);
包括輸入輸出模塊和端子的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn),使端子更加集成;
特殊接口允許某些器件可以直接接到控制器上,如熱電偶、熱電阻、應(yīng)力測量、快速響應(yīng)脈沖等;
外部設(shè)備改進(jìn)了操作員界面技術(shù),系統(tǒng)文檔功能成為了PLC的標(biāo)準(zhǔn)功能。
以上這些硬件的改進(jìn),導(dǎo)致了PLC的產(chǎn)品系列的豐富和發(fā)展,使PLC從較小的只有十個(gè)I/O點(diǎn)的微型PLC,到8000點(diǎn)的大型PLC,應(yīng)有盡有。這些產(chǎn)品系列,用普通的I/O系統(tǒng)和編程外部設(shè)備,可以組成局域網(wǎng),并與辦公網(wǎng)絡(luò)相連。整個(gè)PLC的產(chǎn)品系列概念對于用戶來說,是一個(gè)非常節(jié)約成本的控制系統(tǒng)概念。
與硬件的發(fā)展相似,PLC的軟件也取得了巨大的進(jìn)展,大大強(qiáng)化了PLC的功能:
PLC引入了面向?qū)ο蟮木幊坦ぞ撸⑶腋鶕?jù)國際電工委員會的IEC61131-3的標(biāo)準(zhǔn)形成了多種語言;
小型PLC也提供了強(qiáng)大的編程指令,并且因此延伸了應(yīng)用領(lǐng)域;
高級語言,如BASIC,C在某些控制器模塊中已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn),在與外部通訊和處理數(shù)據(jù)時(shí)提供了更大的編程靈活性;
梯形圖邏輯中可以實(shí)現(xiàn)高級的功能塊指令,可以使用戶用簡單的編程方法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的軟件功能;
診斷和錯(cuò)誤檢測功能,從簡單的系統(tǒng)控制器的故障診斷,擴(kuò)大到對所控制的機(jī)器和設(shè)備的過程和設(shè)備進(jìn)行診斷;
浮點(diǎn)運(yùn)算可以進(jìn)行控制應(yīng)用中計(jì)量、平衡和統(tǒng)計(jì)等所牽涉的復(fù)雜計(jì)算;
數(shù)據(jù)處理指令得到簡化和改進(jìn),可以進(jìn)行涉及大量數(shù)據(jù)存儲、跟蹤和存取的復(fù)雜控制和數(shù)據(jù)采集和處理功能。
盡管PLC比原來復(fù)雜了很多,但是,他們依然保持了令人吃驚的簡單性,對操作員來說,今天的高功能的PLC與三十年前一樣那么容易操作。
2.PLC的特點(diǎn)
PLC發(fā)展如此迅速的原因,在于它具有一些其它控制系統(tǒng),包括DCS和通用計(jì)算機(jī)在內(nèi),所不及的一些特點(diǎn)。下面對這些特點(diǎn)做一個(gè)介紹:
① 可靠性
可靠性包括產(chǎn)品的有效性和可維修性。可編程控制器的可靠性高,表現(xiàn)在下列幾個(gè)方面:
a) 可編程控制器不需要大量的活動部件和電子元件,接線大大減少,與此同時(shí),系統(tǒng)的維修簡單,維修時(shí)間縮短,因此可靠性得到提高;
b) 可編程控制器采用一系列可靠性設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì),例如冗余設(shè)計(jì),掉電保護(hù),故障診斷,報(bào)警和運(yùn)行信息顯示和信息保護(hù)及恢復(fù)等,提高了MTBF,降低了MTTR,使可靠性得到提高;
c) 可編程控制器有較強(qiáng)的易操作性,它具有編程簡單,操作方便,編程的出錯(cuò)率大大降低,而為工業(yè)惡劣操作環(huán)境設(shè)計(jì)的硬件使可靠性大大提高;
d) 可編程控制器的硬件設(shè)計(jì)方面,采用了一系列提高可靠性的措施。例如,采用可靠性高的工業(yè)級元件,采用先進(jìn)的電子加工工藝(SMT)制造,對干擾采用屏蔽、隔離和濾波等;存儲器內(nèi)容的保護(hù),采用看門狗和自診斷措施,便于維修的設(shè)計(jì)等。
一份用戶選用PLC原因的調(diào)查報(bào)告指出:在各種選用PLC的原因中,首選原因是可靠性高的,占93%,其次,才是性能和維修方面的原因。
② 易操作性
PLC的易操作性表現(xiàn)在下列三個(gè)方面:
a) 操作方便:對PLC的操作包括程序的輸入和程序更改操作,大多數(shù)PLC采用編程器進(jìn)行程序輸入和更改操作。現(xiàn)在的PLC的編程器大部分可以用電腦直接進(jìn)行,更改程序也可根據(jù)所需地址編號、繼電器編號或接點(diǎn)號等直接進(jìn)行搜索或按順序?qū)ふ遥缓罂梢栽诰或離線更改;
b) 編程方面:PLC有多種程序設(shè)計(jì)語言可以使用,對現(xiàn)場電氣人員來說,由于梯形圖與電氣原理圖相似,因此,很容易理解和掌握。采用語句表語言編程時(shí),由于編程語句是功能的縮寫,便于記憶,并且與梯形圖有一一對應(yīng)的關(guān)系,所以有利于編程人員的編程操作。功能圖表語言以過程流程進(jìn)展為主線,十分適合設(shè)計(jì)人員與工藝專業(yè)人員設(shè)計(jì)思想的溝通。功能模塊圖和結(jié)構(gòu)化文本語言編程方法的應(yīng)用尚未普及,但由于它們具有功能清晰,易于理解等優(yōu)點(diǎn),而且與DCS組態(tài)語言統(tǒng)一,正受到廣大技術(shù)人員的重視。
c) 維修方便:PLC所具有的自診斷功能對維修人員的技術(shù)要求較低,當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí),通過硬件和軟件的自診斷,維修人員可以根據(jù)有關(guān)故障代碼的顯示和故障信號燈的提示等信息,或通過編程器和HMI屏幕的設(shè)定,直接找到故障所在的部位,為迅速排除故障和修復(fù)節(jié)省了時(shí)間,降低了MTTR。
為便于維修工作的開展,有些PLC制造商提供維修用的專用儀表或設(shè)備,提供故障維修樹等維修用資料;有些廠商還提供維修用的智能卡或插件板,使維修工作變得十分方便。此外,PLC的面板和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也考慮了維修的方便性。例如,對需要維修的部件設(shè)置在便于維修的位置,信號燈設(shè)置在易于觀察的位置,接線端子采用便于接線和更換的類型等,這些設(shè)計(jì)使維修工作能方便地進(jìn)行,大大縮短了維修時(shí)間。采用標(biāo)準(zhǔn)化元件和標(biāo)準(zhǔn)化工藝生產(chǎn)流水作業(yè),使維修用備品備件簡化等,也使維修工作變得方便。
③ 靈活性
PLC的靈活性主要表現(xiàn)在以下3個(gè)方面:
a) 編程的靈活性:PLC采用的標(biāo)準(zhǔn)編程語言有梯形圖、指令表、功能圖表、功能模塊圖和結(jié)構(gòu)化文本編程語言等。使用者只要掌握其中一種編程語言就可進(jìn)行編程,編程方法的多樣性使編程方便。由于PLC內(nèi)部采用軟連接,因此,在生產(chǎn)工藝流程更改或者生產(chǎn)設(shè)備更換后,可不必改變PLC的硬設(shè)備,通過程序的編制與更改就能適應(yīng)生產(chǎn)的需要。這種編程的靈活性是繼電器順序控制系統(tǒng)和數(shù)字電路控制系統(tǒng)所不能比擬的。正是由于編程的柔性特點(diǎn),使PLC成為工業(yè)控制領(lǐng)域的重要控制設(shè)備,在柔性制造系統(tǒng)FMS,計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)和計(jì)算機(jī)流程工業(yè)系統(tǒng)(CIPS)中,PLC正成為主要的控制設(shè)備,得到廣泛的應(yīng)用;
b) 擴(kuò)展的靈活性:PLC的擴(kuò)展靈活性是它的一個(gè)重要特點(diǎn)。它可以根據(jù)應(yīng)用的規(guī)模不斷擴(kuò)展,即進(jìn)行容量的擴(kuò)展、功能的擴(kuò)展、應(yīng)用和控制范圍的擴(kuò)展。它不僅可以通過增加輸入輸出卡件增加點(diǎn)數(shù),通過擴(kuò)展單元擴(kuò)大容量和功能,也可以通過多臺PLC的通信來擴(kuò)大容量和功能,甚至可以與其它的控制系統(tǒng)如DCS或其它上位機(jī)的通信來擴(kuò)展其功能,并與外部的設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。這種擴(kuò)展的靈活性大大方便了用戶;
c) 操作的靈活性:操作的靈活性指設(shè)計(jì)工作量、編程工作量、和安裝施工的工作量的減少。操作變得十分方便和靈活,監(jiān)視和控制變得很容易。在繼電器順序控制系統(tǒng)中所需的一些操作得到簡化,不同生產(chǎn)過程可采用相同的控制臺和控制屏等。
④ 機(jī)電一體化
為了使工業(yè)生產(chǎn)的過程控制更平穩(wěn),更可靠,向優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低耗要效益,對過程控制設(shè)備和裝置提出了機(jī)電一體化,即儀表、電子、計(jì)算機(jī)綜合的要求,而PLC正是這一要求的產(chǎn)物,它是專門為工業(yè)過程而設(shè)計(jì)的控制設(shè)備,具有體積小、功能強(qiáng),抗干擾性好等優(yōu)點(diǎn),它將機(jī)械與電氣部件有機(jī)地結(jié)合在一個(gè)設(shè)備內(nèi),把儀表、電子和計(jì)算機(jī)的功能綜合集成在一起,因此,它已經(jīng)成為當(dāng)今數(shù)控技術(shù)、工業(yè)機(jī)器人、離散制造和過程流程等領(lǐng)域的主要控制設(shè)備,成為工業(yè)自動化三大支柱(PLC,機(jī)器人,CAD/CAM)之一。
可編程控制器現(xiàn)在已經(jīng)成為了一個(gè)不可代替的控制系統(tǒng),它們可以與其它系統(tǒng)通訊,提供產(chǎn)品報(bào)表,生產(chǎn)調(diào)度,診斷自身和設(shè)備的故障,這些技術(shù)上的改進(jìn),讓PLC成為今天的各行各業(yè)的高質(zhì)量和產(chǎn)量的重要的貢獻(xiàn)者。
三、開放式PLC的概念
1.應(yīng)用中產(chǎn)生的開放性需求
長期以來,制造與生產(chǎn)企業(yè)所采用控制系統(tǒng)大多是專用的、封閉的體系結(jié)構(gòu),其構(gòu)成系統(tǒng)的硬件是按照各自的標(biāo)準(zhǔn)量身定制的。無論是DCS,PLC還是FCS,雖然它們具有結(jié)構(gòu)簡單、技術(shù)成熟、產(chǎn)品批量大等優(yōu)點(diǎn),但相對日新月異的生產(chǎn)要求,也越來越暴露出其固有的缺點(diǎn)。在許多情況下,當(dāng)用戶要想進(jìn)行功能上的擴(kuò)展或變化時(shí),都必須求助于系統(tǒng)的提供商,如想把特殊要求融入到控制系統(tǒng)中去時(shí),由于它們的封閉特性那是不可能的。再者,由于采用了專用的控制系統(tǒng),如制造廠家想轉(zhuǎn)化一種控制系統(tǒng)也將變得極為困難。諸如此類,無形中不僅提高了制造企業(yè)的成本,也成為控制系統(tǒng)升級換代的"瓶頸"。
市場全球化的后果是競爭空前劇烈,從而要求制造商具有較強(qiáng)的市場適應(yīng)能力,因而市場對適合中小批量加工,具有良好柔性和多功能性的制造系統(tǒng)的需求已逐步超過對大型單一功能的制造系統(tǒng)的需求。這一趨勢促成了一個(gè)新概念的產(chǎn)生,即模塊化、可重構(gòu)、可擴(kuò)充的軟硬件系統(tǒng),這就是開放式控制系統(tǒng)。這一系統(tǒng)不僅能夠快速、經(jīng)濟(jì)地適應(yīng)新的加工需求,而且為制造廠提供了將其技術(shù)與任何第三方的技術(shù)或產(chǎn)品進(jìn)行集成的可能性。
開放式控制系統(tǒng)的概念在80年代就已出現(xiàn)。早在1981年,美國國防部為了減少軍備制造對日本控制系統(tǒng)的依賴性,開始了名為“下一代控制器(NGC)”的計(jì)劃,并成立了“美國國家制造科學(xué)中心(NCMS)”,其主要目的是擬訂并推進(jìn)關(guān)于新一代開放式控制系統(tǒng)的詳細(xì)分析與規(guī)范。作為NGC的后續(xù)工作,美國國防部啟動了OASYS項(xiàng)目,其目的是建立并安裝8套控制器,并在6種不同場所對其進(jìn)行測試。其后有許多相關(guān)的研究計(jì)劃在世界各國相繼啟動,其中影響較大的有美國的OMAC、歐洲的OSACA和日本的OSEC等計(jì)劃。但因?yàn)檫@些計(jì)劃的發(fā)起者是用戶而不是制造商,因此,進(jìn)程比較緩慢。
2.國際大型PLC制造商的開放路線
2003年,全球自動化行業(yè)的控制系統(tǒng)市場大約為每年100億美元左右,其中99%被傳統(tǒng)的不開放系統(tǒng)所占據(jù)。據(jù)國際權(quán)威機(jī)構(gòu)美國自動化市場研究公司ARC(AUTOMATIONRESEARCHCORP)調(diào)查預(yù)計(jì),在亞洲,基于PC的控制系統(tǒng)、以太網(wǎng)的I/O模塊等開放式系統(tǒng)的銷售額預(yù)計(jì)近兩年的增幅達(dá)到145%,可見在控制系統(tǒng)市場中,開放系統(tǒng)的增長率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)。
資金永遠(yuǎn)是向高利潤的方向流動的,那么,國際的大型PLC制造商當(dāng)然不會對這么大的市場坐視不理。但是,分析這些PLC的制造商面對開放性的大趨勢所采取的策略,卻是微妙而饒有趣味的。
首先,國際大型控制系統(tǒng)雖然絕對有能力推出自己的開放式控制系統(tǒng),但是卻都遲遲按兵不動。什么原因呢?
幾乎所有的制造商都已認(rèn)識到了開放系統(tǒng)必將是自動化系統(tǒng)的未來。無論是SIEMENS,GE,還是ROCKWELL,還是SCHNEIDR,在他們的新產(chǎn)品樣本中,都可以看到“開放性”的字樣。但是,他們的開放性通常都是在原有的系統(tǒng)上層加上一些接口實(shí)現(xiàn)局部的互連和通信,并非真正意義上的開放。不要說控制器的底層,就是在操作站這一層,他們在實(shí)現(xiàn)與外界通信方面還存在著重重困難。這種狀況的產(chǎn)生并不是由于他們無法開發(fā)出全開放的系統(tǒng),而是出于其產(chǎn)品戰(zhàn)略考慮,不愿也不能這樣做。以西門子為例,目前,主推的是西門子用了15年時(shí)間才開發(fā)出來的S7系統(tǒng),2002年的工業(yè)控制產(chǎn)品的銷售額約為140億馬克,如果西門子要推廣新的開放式系統(tǒng),必然要爭奪現(xiàn)有的S7系統(tǒng)的市場,而新的系統(tǒng)能否為現(xiàn)有的西門子的用戶所接受,還是一個(gè)未知數(shù),況且目前其它開放式系統(tǒng)的市場總額才幾億美元,盡管這個(gè)市場的增長率較高,但西門子絕對不可能為了總共幾千萬美元且風(fēng)險(xiǎn)極大、競爭能力不強(qiáng)的少量市場而放棄已經(jīng)現(xiàn)成的數(shù)十倍的市場。西門子是這樣,GE、AB都是這樣。
那么,這些公司對于開放式系統(tǒng)市場是否只能坐視不理、無能為力呢?也不是。目前,各個(gè)公司均在考慮用現(xiàn)有的產(chǎn)品組合出形式上的“開放式”系統(tǒng)。如西門子的PCS7和TIA概念,實(shí)際上就是用工控機(jī)下掛S7的PLC而組成的概念性的系統(tǒng),宣傳口號是“不僅僅是基于PC的PC控制”,典型地表示了其一方面不想在開放式系統(tǒng)領(lǐng)域落后于他人,同時(shí)又不想失去老用戶的復(fù)雜情結(jié)。GE-FANUC在2000年底推出了HCS,實(shí)際上就是用原來的產(chǎn)品FANUC90-30和90-70加上工控機(jī)和軟件而組成的概念性的產(chǎn)品,才用了“為用戶量身定做(TAILORED)”的概念,口號是“把DCS和PLC的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來”;也具有同樣的心理。類似的還有ROCKWELL-AB的CONTROL-LOGIX,都是將原有的專用系統(tǒng)加上“開放”的標(biāo)簽,半推半就地走上開放式系統(tǒng)市場競爭的舞臺。這些控制系統(tǒng)巨頭的目的都是相同的,那就是既不錯(cuò)過開放式系統(tǒng)這班航船,又可以將原有的系統(tǒng)盡量多地銷售出去。
以上分析可以得出結(jié)論,在開放式系統(tǒng)的市場競爭的初級階段,國外各大控制系統(tǒng)制造商會迎合發(fā)展趨勢推出自己的開放式系統(tǒng),但是均會以其目前的產(chǎn)品為基礎(chǔ),在軟件平臺、通訊方面做些裝飾性的工作,而不會真正推出全方位的真正的開放式系統(tǒng)。因?yàn)檫@樣做,對他們現(xiàn)有系統(tǒng)的市場所帶來的損失是他們不愿承受的。
3.目前開放式系統(tǒng)開發(fā)存在的問題
目前國際上已有的開放性控制系統(tǒng)從嚴(yán)格的角度來看,它們還不具備開放性控制系統(tǒng)的本質(zhì)特征,仍有許多需要改進(jìn)之處。
首先,開放式控制系統(tǒng)的概念不清晰,沒有解決開放控制系統(tǒng)的平臺問題。各系統(tǒng)所采用的體系結(jié)構(gòu)和通信協(xié)議并不一致,仍是自成體系,相互之間缺乏兼容性和互換性,而且對體系結(jié)構(gòu)的闡述都只限于具體實(shí)現(xiàn)層,沒有提高到理論的、抽象的層次上來,因而各系統(tǒng)軟硬件不具備可移植性和互操作性。
其次,沒有充分利用像Windows、UNIX、OS/2等新型操作系統(tǒng)。軟件開發(fā)思想與技術(shù)落后,始終處于甚至低于結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)的水平。沒有充分利用面向?qū)ο蟆④浖赜玫溶浖こ讨械男吕碚摗⑿录夹g(shù),而這些正是實(shí)現(xiàn)開放性控制系統(tǒng)的關(guān)鍵所在。
此外,產(chǎn)品的升級、更新、修改和維修仍然依賴于生產(chǎn)廠家,沒有提供相應(yīng)的開發(fā)工具和環(huán)境,用戶無法把自己的或任何第三方的思想或產(chǎn)品融入到系統(tǒng)中去。
問題是,目前各大控制系統(tǒng)制造商并非不了解這些問題現(xiàn)狀,而是不愿意進(jìn)行實(shí)質(zhì)的改進(jìn)來真正滿足用戶的要求,用戶要求開放式系統(tǒng)的目的是為了實(shí)現(xiàn)企業(yè)內(nèi)部的信息流動的無縫化和軟件、硬件的標(biāo)準(zhǔn)化和通用化,目前各廠家所采取的措施充其量是幫助用戶向前邁了一小步,而且用戶必須為此付出高昂的費(fèi)用,如西門子的S7400僅通信模件所花的費(fèi)用就占整個(gè)系統(tǒng)的1/3以上,開放式系統(tǒng)應(yīng)有的性能價(jià)格比的提高用戶無法享受到。這種表面的開放性并不能代表真正的開放性,不少專家已毫不客氣地指出了這一點(diǎn),許多明眼的用戶也認(rèn)識到了這個(gè)問題。
目前,全力致力于真正開放式系統(tǒng)開發(fā)的反而是一些新興的相對較小的公司,如美國的OPTO22,SOFTPLC,CONTROLSOFT以及英國的TRANSMITTON等等。這些公司沒有過去的包袱,所開發(fā)的產(chǎn)品的市場目標(biāo)也不存在搶自己飯碗的問題,所以他們可以沒有后顧之憂地宣傳。由于他們的產(chǎn)品是充分考慮了開放性的,今后將成為開放性控制系統(tǒng)的新的生力軍。但目前,這些公司普遍沒有信心對目前的市場領(lǐng)導(dǎo)者所占據(jù)的傳統(tǒng)控制系統(tǒng)市場進(jìn)行全面進(jìn)攻,一般還是在鉆一些大公司不愿或忽視做的空白市場,在國際上沒有對現(xiàn)有的市場領(lǐng)導(dǎo)者構(gòu)成威脅,因此,大公司對這些公司也沒有采取什么對策。
值得認(rèn)真分析的是,經(jīng)過兩年到三年的時(shí)間,開放式系統(tǒng)在目前被市場領(lǐng)導(dǎo)者壟斷的市場中打開了一個(gè)缺口后,如占到了10%或20%左右的份額時(shí),那些目前的市場領(lǐng)導(dǎo)者一定會加以重視,因?yàn)榧词顾麄冏约翰蝗ト〈袭a(chǎn)品,可能別的新興公司也要取而代之了。這時(shí),他們一定會全力反撲,紛紛推出自己的新一代開放式產(chǎn)品。這些大公司的轉(zhuǎn)向,可以加速用戶對開放性系統(tǒng)的接受進(jìn)程,更快地推進(jìn)開放式系統(tǒng)的市場步伐。這時(shí),大公司和小公司在開放性控制系統(tǒng)方面將站在同一個(gè)起跑線上,相對公平地從價(jià)格、服務(wù)、系統(tǒng)集成經(jīng)驗(yàn)等各方面來進(jìn)行競爭,控制系統(tǒng)長期被數(shù)家巨頭所壟斷的局面可望在開放式系統(tǒng)普及后被打破。
四、PLC如何能夠更加開放
1.PLC在競爭中的興起
從控制系統(tǒng)的角度看,各類控制系統(tǒng)的相互融合的情況已經(jīng)出現(xiàn)了。但認(rèn)真分析就會發(fā)現(xiàn),PLC在這些控制系統(tǒng)中是比較獨(dú)特的一類。在現(xiàn)代各類控制系統(tǒng)中,PLC是誕生較早的工業(yè)控制器,每個(gè)新的控制器出來都揚(yáng)言要取代PLC,從DCS,到工控機(jī),到現(xiàn)場總線,到嵌入式控制系統(tǒng)。這種情況的產(chǎn)生,一方面是由于早期的PLC的不開放造成的,但另一方面,也是由于PLC在工業(yè)控制領(lǐng)域所占的比重份額太大引起的。但技術(shù)和應(yīng)用發(fā)展的結(jié)果是,隨著新的技術(shù)越來越多,PLC不僅沒有逐漸被任何一種新的系統(tǒng)取代,反而在逐漸蠶食其它控制系統(tǒng)的市場。
比如,在流程工業(yè),過去DCS占了絕對的統(tǒng)治地位,但現(xiàn)在,在中小型的工業(yè)裝置方面,已經(jīng)有相當(dāng)大的控制系統(tǒng)被PLC系統(tǒng)所取代。即便在大型系統(tǒng)中,現(xiàn)在各類DCS也面臨著高端PLC的威脅。這種現(xiàn)象的原因,一方面是由于PLC的技術(shù)不斷發(fā)展,DCS過去所獨(dú)有的一些復(fù)雜控制功能現(xiàn)在PLC基本上全部具備;第二是由于PLC的操作的簡單性所決定的;第三,也是較重要的一點(diǎn),就是,PLC的價(jià)格和成本是DCS系統(tǒng)所無法比擬的。
在低端設(shè)備,比如許多工業(yè)設(shè)備的控制器,過去是由單片機(jī)開發(fā)系統(tǒng)所控制的,現(xiàn)在也越來越多地被PLC所取代。從材料成本上來說,PLC的成本比單片機(jī)要高,但是,由于PLC所具有的編程的靈活性,使得用戶在開發(fā)新機(jī)型的時(shí)候,不必為新機(jī)型開發(fā)一個(gè)新的單片機(jī)控制器,而只要簡單地在一個(gè)PLC的軟件上進(jìn)行程序更改即可,這大大降低了用戶的開發(fā)成本。因此,越來越多的機(jī)械逐步放棄了原來的專用控制器的方式,而改用PLC作為機(jī)械設(shè)備的主要控制器。
在原來大量采用工控機(jī)系統(tǒng)的場合,工控機(jī)也越來越多被PLC取代,而工控機(jī)則逐漸從實(shí)時(shí)控制退到只負(fù)責(zé)操作站的層面。而且,大家漸漸發(fā)現(xiàn),這種工控機(jī)加PLC的結(jié)構(gòu),提供了較優(yōu)良的控制性能、較方便的操作、較低的成本。因此,逐漸開始在越來越多的地方采用。可以說,工控機(jī)的誕生不僅沒有削減PLC的份額,卻因?yàn)楣た貦C(jī)的運(yùn)算功能、圖形處理能力和數(shù)據(jù)存儲能力彌補(bǔ)了PLC的不足,而PLC的可靠性則大大彌補(bǔ)了工控機(jī)的弱點(diǎn),因此,工控機(jī)的誕生反而大大促進(jìn)了PLC在更多場合的應(yīng)用。
同樣,在離散制造業(yè),PLC作為一種設(shè)備控制和數(shù)據(jù)采集的方便器件,在企業(yè)實(shí)施ERP和CIMS系統(tǒng)時(shí),為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集、處理和傳輸提供了無與倫比的方便性。目前,無論是數(shù)控、機(jī)械還是傳動、物流等行業(yè),都把PLC作為控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的首選。
因此,至少從現(xiàn)在來看,PLC在各類控制系統(tǒng)的競爭中逐漸占了上風(fēng)。但是,隨著競爭的白熱化,PLC也面臨著一個(gè)發(fā)展瓶頸,那就是各類系統(tǒng)的不開放,或者說假開放。
2.工業(yè)以太網(wǎng)——真正開放的現(xiàn)場控制網(wǎng)絡(luò)
從根本上來說,開放式控制系統(tǒng)要具備:采用從操作系統(tǒng)到通訊協(xié)議都是通用的系統(tǒng)。目前,操作系統(tǒng)其實(shí)只有WINDOWS、UNIX等少數(shù)幾種,而通訊總線問題,則沒有什么疑義。在工控界爭論不休的問題,在計(jì)算機(jī)界早就停息了。事實(shí)上,用戶們早已作出了選擇,那就是:以太網(wǎng)總線,它占了全球所有計(jì)算機(jī)通訊總線的96%!而其余所有的總線只占了不到4%。因此,工業(yè)界所有的總線向以太網(wǎng)的方向靠攏,是不以人們的意志為轉(zhuǎn)移的。
眾所周知,以太網(wǎng)較初是為辦公自動化設(shè)計(jì)的,因此沒有考慮到工業(yè)自動化應(yīng)用的一些要求。特別是,它采用的CSMA/CD介質(zhì)訪問控制機(jī)制,具有通訊延時(shí)不確定的缺點(diǎn),不能滿足工業(yè)自動化控制的實(shí)時(shí)通信需求。因此,在20世紀(jì)90年代以前,很少有人將以太網(wǎng)應(yīng)用于工業(yè)自動化領(lǐng)域。
近幾年來,隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的普及與推廣,以太網(wǎng)也得到了飛速發(fā)展,特別是以太網(wǎng)通訊速率的提高、以太網(wǎng)交換技術(shù)的發(fā)展,給解決以太網(wǎng)的非確定性問題帶來了新的契機(jī):首先,以太網(wǎng)的通信速率一再提高,從10Mbps,到100Mbps甚至到10Gbps,在相同通信量的情況下,通信速率的提高意味著網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷的減輕和碰撞的減少,也就意味著提高確定性;其次,以太網(wǎng)交換機(jī)為連接在其端口上的每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)提供了獨(dú)立的帶寬,連接在同一個(gè)交換機(jī)上的不同的設(shè)備不存在資源的爭奪,這就相當(dāng)于每個(gè)設(shè)備獨(dú)占一個(gè)網(wǎng)段;第三,全雙工技術(shù)又為每個(gè)設(shè)備與交換機(jī)端口之間提供了發(fā)送與接收的專用通道,因此使不同的以太網(wǎng)設(shè)備之間的沖突大大降低(半雙工交換式)或完全避免(全雙工交換式)。因此,以太網(wǎng)成了確定的網(wǎng)絡(luò),從而為它應(yīng)用于工業(yè)自動化控制消除了主要的障礙。
與其它現(xiàn)場總線或工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)相比,以太網(wǎng)具有應(yīng)用廣泛、成本低廉、通信速率高、軟硬件資源豐富、易于與INTERNET連接、可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Υ蟮葍?yōu)點(diǎn),因此,不僅壟斷了工廠綜合自動化的信息管理層網(wǎng)絡(luò),而且在過程監(jiān)控層網(wǎng)絡(luò)也得到了廣泛應(yīng)用,并有直接向下延伸,應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)的趨勢。
從通訊網(wǎng)絡(luò)的角度來看,采用扁平式和樹型的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是以太網(wǎng)的主要結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)下,如果能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)通信,其實(shí),要求上下所有的硬件采用同樣的操作系統(tǒng)是不經(jīng)濟(jì)的。比如,在上位機(jī),用于顯示和數(shù)據(jù)存儲的功能是主要的功能。這時(shí),采用WINDOWS的操作系統(tǒng)是沒有什么問題。而在底層控制端,則只要采用類似RTOS或VXWORKS這樣的操作系統(tǒng)會更好,不僅是價(jià)格便宜,而且還能夠更可靠地執(zhí)行實(shí)時(shí)控制任務(wù)。
目前,PLC之所以能夠在越來越多的場合取得應(yīng)用,同前面所提到的PLC的特點(diǎn)是分不開的。這些特點(diǎn)就是:可靠性,易操作性,和靈活性。這些特點(diǎn)是PLC必須要保留的。這些特點(diǎn)的形成,是由PLC的結(jié)構(gòu)、內(nèi)部軟件和硬件的構(gòu)成特點(diǎn)決定的,同時(shí)也是PLC之所以是PLC是不是其它控制系統(tǒng)的標(biāo)志。而PLC的缺點(diǎn),則是在處理大量數(shù)據(jù)包括圖形等方面的運(yùn)算能力不足的方面。實(shí)際上,在工業(yè)應(yīng)用中,需要實(shí)時(shí)控制而同時(shí)又需要處理大量信息的場合雖然存在,但并不多見。因此,只要能解決PLC的通訊問題,可以讓PLC來擔(dān)負(fù)現(xiàn)場的實(shí)時(shí)控制任務(wù),而將數(shù)據(jù)的處理、存儲、顯示等任務(wù)通過通訊網(wǎng)絡(luò),傳到其它系統(tǒng)中,由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來完成,這是解決開放式控制系統(tǒng)的根本方式。也是開放式PLC的設(shè)計(jì)的思想基礎(chǔ)。
開放式PLC將較常見也是今后控制系統(tǒng)較常用的通訊接口------以太網(wǎng)和串口內(nèi)置進(jìn)了PLC的CPU單元,使PLC在保持傳統(tǒng)各種可靠功能的同時(shí),可以低成本地具備通訊的功能。而且,專門開發(fā)了靈活而方便的通訊模塊,用這些通訊模塊,只要簡單地輸入各類協(xié)議,就可以將這些模塊作為一種專用協(xié)議的控制模塊來使用,而價(jià)格十分低廉。同時(shí),更令人驚異的是,在OpenPLC內(nèi)部,還具有JAVA功能,和WebServer功能,也就是說,即使不用上位機(jī),OpenPLC可以將PLC的狀態(tài),包括故障報(bào)警信息和事件處理信息通過通訊模塊自動傳送到互聯(lián)網(wǎng)上,用戶可以通過電子郵件的方式來接收這些信息,也可以通過移動通信系統(tǒng),利用手機(jī)的短信方式來接收這些信息,甚至可以通過GPRS、CDMA等先進(jìn)的通訊方式來進(jìn)行控制信息的跨越時(shí)空的通信。這些通訊,使用戶可以較及時(shí)地了解到設(shè)備的運(yùn)行狀況,可以進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷和遠(yuǎn)程監(jiān)控,對于生產(chǎn)過程控制、制造過程的信息化、生產(chǎn)過程和管理的優(yōu)化等都有極大的幫助。
同時(shí),在傳統(tǒng)的控制功能方面,開放式PLC盡量保留了傳統(tǒng)PLC的優(yōu)點(diǎn),如模塊式結(jié)構(gòu),多種編程語言,嚴(yán)格的可靠性設(shè)計(jì),甚至是與PLC完全相同的生產(chǎn)工業(yè),這樣,使得原來的PLC用戶在使用開放式PLC的時(shí)候并不會產(chǎn)生任何不適應(yīng)的感覺,除了上面所提到的一些新的功能外,其它的方面,如選型、編程、組態(tài)等,完全與傳統(tǒng)的PLC一樣。
可以預(yù)見的是,OpenPLC的出現(xiàn),必將改變控制系統(tǒng)的格局,尤其是對于現(xiàn)有PLC的制造商來說,將在市場和應(yīng)用方面產(chǎn)生巨大的沖擊。
五、真正開放的PLC——OpenPLC
1.OpenPLC概念的由來
OpenPLC的概念也是在實(shí)際的工業(yè)應(yīng)用中產(chǎn)生的。1995年,在中國的馬鞍山鋼鐵公司的動力調(diào)度中心,面臨一個(gè)問題,動力調(diào)度中心要監(jiān)控馬鋼來自發(fā)電廠、水廠、煤氣廠和動力廠(負(fù)責(zé)電力輸送)的各類能源和動力信號,但這四個(gè)數(shù)據(jù)來源,包括這些能源與動力的輸送的管網(wǎng)所涉及的上百個(gè)變電所、增壓站和泵站的自身的控制系統(tǒng)是不兼容的,有的還是專用系統(tǒng),不僅沒有協(xié)議,連開發(fā)人都已經(jīng)無法找到。除了通訊不兼容外,連這幾個(gè)系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)也大相徑庭,電廠是類似于DCS的結(jié)構(gòu),水廠和氣廠是PLC結(jié)構(gòu),動力廠是SCADA結(jié)構(gòu),對集成人員理解系統(tǒng)也形成了較大的困難。該項(xiàng)目較后雖然沒有用OpenPLC解決(當(dāng)時(shí)還沒有),但該項(xiàng)目的需求導(dǎo)致了OpenPLC的誕生。
針對過程控制和離散制造業(yè)普遍存在的,各類控制要求不同的系統(tǒng)的互連的問題,本文作者提出了設(shè)計(jì)一個(gè)新型的開放式控制系統(tǒng)的構(gòu)想。因?yàn)樵撓到y(tǒng)的目的是要盡可能地適用各類不同的應(yīng)用場合,因此,定名為開放式可編程控制系統(tǒng),而英文則是OpenProgrammableLogicController,縮寫為OpenPLC。該系統(tǒng)從1995年開始構(gòu)思,到1997年基本明確設(shè)計(jì)思想,幾條主要的設(shè)計(jì)原則如下:
① OpenPLC應(yīng)該是一種以PC技術(shù)為基礎(chǔ)的系統(tǒng),尤其是在能夠發(fā)揮出PC特色的場合(如網(wǎng)絡(luò),與外界的連接,優(yōu)化,專家系統(tǒng),操作界面,數(shù)據(jù)監(jiān)測,文件記錄和打印等),工作由以PC為基礎(chǔ)的系統(tǒng)來承擔(dān);
② 在底層,需要高可靠和實(shí)時(shí)控制時(shí),由分散控制系統(tǒng)承擔(dān),但它不同于現(xiàn)場總線,它不是基于儀表的系統(tǒng),而是基于系統(tǒng)的系統(tǒng),儀表仍是普通儀表,只是將I/O和控制單元放在了現(xiàn)場,傳回中央控制室的是數(shù)字信號,而不是模擬的4—20mA信號,要求原來的儀表仍然可用;
③ 在I/O點(diǎn)較集中的場合,可以采用類似于DCS或PLC的機(jī)柜或機(jī)架,內(nèi)部模塊用總線或網(wǎng)絡(luò)連接,整個(gè)系統(tǒng)應(yīng)該具有較高的可靠性,同時(shí)有較好的兼容性和開放性;
④ 系統(tǒng)應(yīng)該具有真正的分布性,前端可集中,也可以延續(xù)幾百米、幾公里甚至幾千公里(在地球的另一端),為此,系統(tǒng)必須具備與TCP/IP兼容的協(xié)議和WEB服務(wù)器;
⑤ 規(guī)模也可以從小至幾十點(diǎn),大至幾千點(diǎn)甚至幾十萬點(diǎn)。系統(tǒng)I/O規(guī)模的增加不應(yīng)該導(dǎo)致系統(tǒng)的大的改變。
OpenPLC的概念的創(chuàng)始人建立了德維森公司,當(dāng)時(shí)公司很小,沒有開發(fā)硬件和軟件的實(shí)力;因此他們采取了OEM的方式,也就是利用國際上其它公司的合適的軟件和硬件來實(shí)現(xiàn)OpenPLC的系統(tǒng)理念。所幸,這時(shí)國際上也開始興起了開放式系統(tǒng)的浪潮,涌現(xiàn)出了一批熱衷于開放式系統(tǒng)的公司(但沒有一家是有名氣的大公司)。該系統(tǒng)一開始曾經(jīng)受過日本橫河公司的CENTUMCS的概念的啟發(fā),也考慮了ROSEMOUNT的DELTA-V的現(xiàn)場總線與PC-BASED的合一的開放概念,也參考過美國OPTO22的SNAPI/O系統(tǒng)的帶有以太網(wǎng)接口的I/O模塊,但上述系統(tǒng)的昂貴的價(jià)格使得OpenPLC不得不尋求更新的價(jià)格。較終,對OpenPLC影響較大的,是美國SOFTPLC的概念,OpenPLC的研究小組希望將SOFTPLC的概念成功在更廣的領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用,為了擺脫SOFTPLC的品牌關(guān)聯(lián),當(dāng)時(shí)決定以柔性控制系統(tǒng)TCS(TailoredControlSystem)的名稱形成了開放式可編程控制系統(tǒng)的前身系統(tǒng)。
第一套TCS的誕生所采用的是臺灣盟立自動化公司生產(chǎn)的FAMA的PLC的硬件,但在通訊方面做了加強(qiáng)。1998年,盟立公司準(zhǔn)備打入大陸市場,在廣州自動化展覽會上,德維森公司發(fā)現(xiàn)盟立的硬件結(jié)構(gòu)比較適合實(shí)現(xiàn)柔性控制系統(tǒng)的理念,與盟立公司達(dá)成了OEM的協(xié)議。但在系統(tǒng)構(gòu)架和市場推廣應(yīng)用方面,OpenPLC對系統(tǒng)進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)。
TCS的第一個(gè)實(shí)際應(yīng)用是馬鋼第一煉鐵廠的高爐監(jiān)控系統(tǒng),該套系統(tǒng)實(shí)際上是一個(gè)過程控制系統(tǒng),但又加入了過程燃燒優(yōu)化和專家系統(tǒng),同時(shí),高爐的所有數(shù)據(jù)都在第一時(shí)間通過LAN和WEBSERVER送到了生產(chǎn)調(diào)度和廠長辦公室等管理部門,形成了信息化制造系統(tǒng)的雛形。隨后,隨著TCS在云南個(gè)舊化肥廠、攀鋼熱電廠、邯鄲鋼鐵廠、深圳高科豫電廠、水廠等行業(yè)的應(yīng)用,確立了在連續(xù)流程中作為過程控制系統(tǒng)的技術(shù)基礎(chǔ)。2001年,OpenPLC在廣東中山彎管機(jī)上實(shí)現(xiàn)了與機(jī)械的NC技術(shù)和運(yùn)動控制技術(shù)的結(jié)合,進(jìn)入了CAM應(yīng)用領(lǐng)域。
因?yàn)門CS的概念的先進(jìn)性和實(shí)用性,中國儀器儀表學(xué)會于2000年8月對該系統(tǒng)進(jìn)行了專家鑒定和評審,會議由中國的原子彈和氫彈元勛、中國政府高技術(shù)863計(jì)劃的倡議人、中國科學(xué)院和中國工程院兩院院士楊嘉墀主持,系統(tǒng)被認(rèn)為具有國際先進(jìn)水平,隨后,在2001和2002年,TCS獲得廣東省和深圳市科學(xué)技術(shù)進(jìn)步一等獎。
與此同時(shí),OpenPLC的研究小組認(rèn)為TCS的概念仍然太過籠統(tǒng),并且試圖用一種系統(tǒng)涵蓋所有的應(yīng)用的想法有些不切實(shí)際。因此,重新審視OpenPLC的概念,認(rèn)為開始以開放式PLC的概念從PLC的產(chǎn)品向其它控制系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域延伸是比較好的想法。隨后成立的加拿大在線控制有限公司和中國的合控電氣(深圳)有限公司繼續(xù)在OpenPLC這個(gè)概念上研發(fā),新一代的OpenPLC產(chǎn)品于2003年底終于重新面世。隨后,OpenPLC在數(shù)控切割機(jī)、注塑機(jī)、機(jī)車監(jiān)控系統(tǒng)、污水處理設(shè)備的應(yīng)用,開辟了在機(jī)械OEM系統(tǒng)等離散制造業(yè)中的應(yīng)用。
2004年,OpenPLC在加拿大阿爾伯達(dá)省的LANDPETROLEUM公司的一個(gè)天然氣處理廠和天然氣田作為SCADA系統(tǒng)得到應(yīng)用。該系統(tǒng)除了通過無線數(shù)字電臺將井口的數(shù)據(jù)傳到氣處理廠的中央控制室外(這是標(biāo)準(zhǔn)的SCADA系統(tǒng)的功能),另外增加了兩個(gè)引人注目的功能,一個(gè)是將所有的數(shù)據(jù)通過北美移動公司的網(wǎng)絡(luò)上連互聯(lián)網(wǎng),使油田的業(yè)主在300公里外的卡加利總部可以看到一分鐘以前的現(xiàn)場數(shù)據(jù)和流量數(shù)據(jù),不僅可以了解氣田的實(shí)時(shí)銷售狀況,也便于總部的工程師隨時(shí)了解井口和廠區(qū)的狀況,對生產(chǎn)情況進(jìn)行診斷;另一個(gè)是在井口的控制器中,結(jié)合采油增產(chǎn)工藝對栓塞式增產(chǎn)工藝進(jìn)行了控制,將增產(chǎn)工藝成功地以軟件功能塊的方式存儲在OpenPLC的井口生產(chǎn)控制器中,達(dá)到了增產(chǎn)20%的效果。該套系統(tǒng)的成功使用,標(biāo)志著OpenPLC作為E-PRODUCTION的基礎(chǔ)系統(tǒng)得到了實(shí)踐的驗(yàn)證。同年,OpenPLC在美國通用汽車的別克轎車的大燈開關(guān)的壽命測試儀上進(jìn)行投入使用,該項(xiàng)目由美國EMERSON公司在深圳的工廠招標(biāo)采用,考慮到世界第一臺PLC就是通用汽車使用的,這一臺OpenPLC在通用汽車的開關(guān)生產(chǎn)線的測試設(shè)備上使用,也具有特殊的意義。
2.OpenPLC的技術(shù)優(yōu)勢
① 傳統(tǒng)系統(tǒng)的不開放帶來的不便
目前,市場上的PLC產(chǎn)品基本上由十幾家公司占據(jù),這些公司大部分是著名的跨國公司,包括SIEMENS、ROCKWELL、GE、三菱、SCHNEIDER、ABB、KOYO等等。目前,幾乎所有的系統(tǒng)都是由原廠家開發(fā)的不兼容系統(tǒng),當(dāng)初都是由其各自獨(dú)立按自己的標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)出來的,互相之間不能互連。雖然較近各廠家都開發(fā)了通訊模件,但都價(jià)格昂貴,而且與外界的通訊由于各種原因都未做到完全通暢。許多制造業(yè)用戶特別是大型企業(yè)為了避免過分依賴一家系統(tǒng)提供商而形成的商業(yè)和技術(shù)風(fēng)險(xiǎn),通常會同時(shí)采用幾家不同的控制系統(tǒng)。而傳統(tǒng)系統(tǒng)的不開放和不兼容令企業(yè)難以充分利用自動化技術(shù),對企業(yè)內(nèi)部的系統(tǒng)集成、系統(tǒng)升級和管理帶來了極大的困難。如何將控制系統(tǒng)互連以及與ERP和MES系統(tǒng)相連,形成由生產(chǎn)過程的較低層生產(chǎn)現(xiàn)場到管理決策人員的無縫的雙向信息流,是許多企業(yè)自動化和信息人員以及領(lǐng)導(dǎo)層關(guān)心的問題,而對于這個(gè)問題,傳統(tǒng)的封閉式的控制系統(tǒng)是無法解決的。
此外,各廠家的PLC系統(tǒng)在硬件結(jié)構(gòu)、控制指令、通信標(biāo)準(zhǔn)都不能共用,這樣,一旦用戶購買了某一種專用系統(tǒng),就被迫繼續(xù)采用,因?yàn)楫?dāng)他們由于某些原因想改換PLC時(shí),工程師不得不學(xué)習(xí)另外的新的編程語言。這是為什么要指定IEC61131-3,為所有的可編程控制器訂立編程語言標(biāo)準(zhǔn)的原因。專用系統(tǒng)的開發(fā)、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、工程、維護(hù)都需要專門進(jìn)行,造成其生產(chǎn)成本以及售價(jià)都居高不下。
今天制造企業(yè)對自動化系統(tǒng)的維護(hù)升級等技術(shù)支持的要求很高,同時(shí)要求系統(tǒng)供應(yīng)商了解工廠的制造工藝,并需要一個(gè)專業(yè)的技術(shù)支持,對制造專用系統(tǒng)的公司來說,在一個(gè)區(qū)域性市場要保持一支經(jīng)過良好訓(xùn)練的維護(hù)隊(duì)伍成本很高,這個(gè)原因?qū)е铝丝刂葡到y(tǒng)的技術(shù)服務(wù)難以令人滿意,即使有服務(wù),其備件和人工費(fèi)也都很昂貴。由于系統(tǒng)是專用的,用戶對這種狀況沒有其它選擇。大家知道,設(shè)備所造成的停產(chǎn)代價(jià)是非常之大的,而且現(xiàn)代工廠需要對生產(chǎn)過程不斷進(jìn)行調(diào)節(jié),因此制造企業(yè)迫切需要一個(gè)高靈活性的、兼容能力強(qiáng)、低成本、可靠并具有強(qiáng)大的通信能力的系統(tǒng)和良好的技術(shù)支援服務(wù),傳統(tǒng)的PLC公司在解決這方面的問題上尚未做到令人滿意。
② OpenPLC的開放性給用戶的好處
OpenPLC就是因應(yīng)這種需求而產(chǎn)生的一種開放式的控制系統(tǒng)平臺,其長處在于具有開放性和通用性的特點(diǎn),它并非專為某一個(gè)或兩個(gè)行業(yè)所設(shè)計(jì)的,而是可以適合許許多多不同的行業(yè),并應(yīng)用在不同的場合。而且,由于它所具有的開放性特點(diǎn),還可以和目前的傳統(tǒng)控制系統(tǒng)混合使用,并不斷地升級和延伸,因此受到市場的歡迎。
OpenPLC的自動化平臺也是較徹底的開放式方案,國際上的各大競爭對手雖然也推出了開放式系統(tǒng)的概念,但通常都是在原有的系統(tǒng)上層加上一些接口,實(shí)現(xiàn)局部的互連和通信,并非真正意義上的開放;而OpenPLC把PC兼容的技術(shù)引入到現(xiàn)場控制器內(nèi)部,系統(tǒng)采用WINTEL芯片和軟件結(jié)構(gòu),通訊采用全球通用的Ethernet協(xié)議TCP/IP作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和現(xiàn)場控制總線協(xié)議,并且內(nèi)部可以內(nèi)置Web-Server因此具有很大的競爭優(yōu)勢。用戶還可以通過互聯(lián)網(wǎng)或公司內(nèi)部的Intranet網(wǎng)絡(luò)來訪問任何現(xiàn)場數(shù)據(jù)并實(shí)行控制,反過來,供應(yīng)商也可以通過Internet對用戶的系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程診斷,從而實(shí)現(xiàn)全天候的低成本的24小時(shí)的技術(shù)支持服務(wù)。
OpenPLC的特點(diǎn)是開放性,是將電子、通信、計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)等信息技術(shù)(IT)方面的國際較新技術(shù)成果在自動控制系統(tǒng)領(lǐng)域的應(yīng)用。目前,全球的IT業(yè)都有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的趨勢,也就是任何一家公司只要按照標(biāo)準(zhǔn)來設(shè)計(jì)產(chǎn)品,都可以和世界上任何一家大公司的產(chǎn)品兼容或競爭。所以有關(guān)的技術(shù)目前在國際各種媒體包括互聯(lián)網(wǎng)上可以方便地得到,這就使OpenPLC的制造商和系統(tǒng)集成商可以借助國際上所有的IT行業(yè)的較新成果,包括INTEL、MICROSOFT、IBM等國際眾多巨型公司的技術(shù)和力量來和傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的專業(yè)公司抗衡,相當(dāng)于是借助了全球IT行業(yè)的技術(shù)力量來進(jìn)行產(chǎn)品的開發(fā)。同時(shí),這些技術(shù)雖然是通信、電腦、網(wǎng)絡(luò)、軟件等行業(yè)的通用技術(shù),但也并不是可以直接用在自動化行業(yè)的,必須對之進(jìn)行加工、改造,尤其是在抗干擾和可靠性方面以及如何適應(yīng)工業(yè)控制的具體情況等方面進(jìn)行大量細(xì)致的工作。
另外,通過采用通用的產(chǎn)品與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),使OpenPLC的制造商可以低成本地利用標(biāo)準(zhǔn)器件和現(xiàn)有技術(shù),如大量的通用軟件如通訊軟件、網(wǎng)絡(luò)軟件、圖形軟件、數(shù)據(jù)庫軟件使開發(fā)成本大大降低,研發(fā)周期大大縮短,所用的元器件也由于是與主流技術(shù)兼容的產(chǎn)品而可以低成本方便地得到。使OpenPLC可以做到在價(jià)格比傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的價(jià)格低三到五成的情況下仍然能夠保證較高的邊際利潤。OpenPLC由于其所具有的開放性和靈活的通訊特點(diǎn),可以構(gòu)成足以令人眼花繚亂的各種各樣的控制系統(tǒng),但是,OpenPLC的基本單元是十分簡單的。除了前述的開放性特點(diǎn)之外,OpenPLC還有一個(gè)較為重要的特點(diǎn),那就是簡單。簡單就是美,OpenPLC所有的解決方案,從設(shè)計(jì)到應(yīng)用,從軟件到硬件,從集成到組態(tài),處處都體現(xiàn)出“簡單”的特點(diǎn)。
六、結(jié)束語
PLC的未來發(fā)展不僅取決于產(chǎn)品本身的發(fā)展,還取決于PLC與其它控制系統(tǒng)和工廠管理設(shè)備的集成情況。PLC通過網(wǎng)絡(luò),被集成到計(jì)算機(jī)集成制造(CIM)系統(tǒng)中,把他們的功能和資源與數(shù)控技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)、CAD/CAM技術(shù)、個(gè)人計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、管理信息系統(tǒng)以及分層軟件系統(tǒng)結(jié)合起來,在工廠的未來發(fā)展中,將占據(jù)重要的地位。
新的PLC的技術(shù)進(jìn)展包括:更好的操作員界面,圖形用戶界面(GUI),人機(jī)界面;也包括與設(shè)備、硬件和軟件的接口;并支持人工智能,比如邏輯I/O系統(tǒng)等。
軟件進(jìn)展將采用廣泛使用的通訊標(biāo)準(zhǔn)提供不同設(shè)備的連接,新的PLC指令將立足于增加PLC的智能性,基于知識的學(xué)習(xí)型的指令也將逐步被引入,以增加系統(tǒng)的能力。
用戶對于柔性制造系統(tǒng)的需求將決定未來的控制哲學(xué)。可以肯定的是,未來的工廠自動化中,PLC將肯定占據(jù)重要的地位,控制策略將被智能地分布開來,而不是集中,超級PLC將在需要復(fù)雜運(yùn)算、網(wǎng)絡(luò)通信和對小型PLC和機(jī)器控制器的監(jiān)控的應(yīng)用中獲得使用。
所有上述的發(fā)展,都取決于一個(gè)因素:PLC的開放性。只有開放了,PLC才能與其它控制系統(tǒng)集成;只有開放了,PLC才能與CIM、機(jī)器人、CAD/CAM、個(gè)人計(jì)算機(jī)、MIS結(jié)合,在工廠的未來發(fā)展中占有重要地位;只有開放了,PLC才可能發(fā)展更好的人機(jī)界面,才能與其它設(shè)備具備更靈活的接口;只有開放了,PLC才能適應(yīng)更多的通訊標(biāo)準(zhǔn);只有開放了,才能采用更多、更復(fù)雜的控制策略。
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