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如何为应用选择正确的自动化控制器 ?

来源:控制工程网2018.08.02阅读 12197

  与可编程逻辑控制器 (PLC) 的最初使命相比,自动化控制器的功能已经要远远多于代替继电器。现在,控制器能够集成逻辑、运动、机器人,以及与其它机器和管理系统进行通信。性能可以从简单设备到多核处理器不等。 
  传统的PLC、可编程自动化控制器 (PAC) 和工业控制计算机 (IPC) 之间的区别主要与处理能力和性能相关,不过现在它们彼此之间的界线正在逐渐模糊。由于遵循国际电工委员会 (IEC) 61131-3 编程规范,控制软件取得了一定程度的标准化。在后台运行的强大的实时操作系统,避免了对基于Microsoft Windows操作系统的依赖。因此 “基于IPC的控制”一词,如果改为 “基于Intel或基于AMD”可能更精确,可以反映所使用的强大的主流处理器。
  由于现在的自动化控制器除了进行逻辑处理外,还可以做更多其它事情, PLC可能是一个过时的术语。因为所有的自动化控制器都是可编程的,PAC中的 “P”也似乎是多余的。控制器基本上是计算机,可以在同一个处理器上运行多个操作系统 (实时、Microsoft Windows和 Linux)。IPC可用于控制、数据采集以及不断出现的新任务,比如边缘计算。 


传统的PLC I/O通信响应时间,取决于网络性能、节点数、通信量、CPU性能和 CPU负载;采用更严格的集成和开放 IEC 61131 技术的设计,集中软件管理和分散的程序执行,可以提高性能。图片来源:贝加莱


  控制器功能的考量
  在相同的软件环境、相同的程序中控制工程网版权所有,运行在同一个处理器上,协调所有机器的功能,正在变成一种流行趋势。这需要机器功能同步,并且采用模块化代码结构,使得有组织的、有凝聚力的方法成为可能。尽管如此,有些领域却并不需要那么多集成控制,例如简单的应用程序,就没有扩展计划。应用的复杂性和性能需求决定了控制器的规格。选择控制器的时候有很多因素需要考虑CONTROL ENGINEERING China版权所有,根据应用的不同,您可能需要对下面的注意事项进行考量。
  ●  逻辑
  对逻辑控制的基本需求,是为什么我们继续将自动化控制器称为PLC的原因。PLCopen 是一个组织,它负责维护和扩展 IEC 61131-3 编程标准的范围,并管理大量的知识、培训和库。该组织的活动CONTROL ENGINEERING China版权所有,远远超出逻辑控制的范围,包括运动、安全、OPC 统一体系架构 (UA)、XML 等。 
  ●  多轴运动
  根据应用的复杂度和运动的同步性等需求的不同,自动化控制器可以控制数十甚至数百个运动轴。随着摩尔定律和行业标准的发展,不再需要有专用运动网络的独立运动或机器人控制器。 
  ●  网络安全
  在北美,硬接线网络安全仍然是首选。网络安全设施与控制机器的设备运行在同一个网络上,已被证明为一个行之有效的控制功能。 
  网络安全的实现,可以从控制处理器上的冗余内核,到单独的安全控制器,再到小型系统中的安全输入/输出 (I/O) 来实现。网络安全还延伸到运动安全和机器人功能,允许机器以安全模式运行,而不是直接关闭,从而可以提供卓越的运行效率。 
  ●  机器人集成
  同一自动化控制器可以集成多个Delta机器人、SCARA机器人、铰接式和龙门式机器人,以及其它机器功能。此外,还可以在 IEC61131-3 兼容环境中执行运动功能。由于内置了堆垛算法到装配模式,专用机器人控制器可以持续提供有价值的功能。


贝加莱 X20 系统为每个应用程序提供远程 I/O、控制和轻松的网络配置和灵活性。


  ●  机器监控
  监视机器的运行状况,是预测维护计划和减少计划外停机的关键一环。控制器可以与各种现有的传感器 (如温度探头和加速度计) 相结合,以监测实际情况。在发生灾难性故障之前,机器监控还有助于检测异常。能量监测也可应用于压缩空气的使用,加热器和烘干机中的天然气使用,以及用于工艺过程中水的使用等。 
  ●  数据处理
  自动化控制器可以是网络、OPC UA 服务器和客户端。它们具有收集工业物联网 (IIoT) 数据的功能,并可以从云端或终端接收指令以优化过程。自动化控制器通常将数据发送到制造执行系统 (MES)、企业资源规划 (ERP)、整体设备效率 (OEE)、可信平台模块 (TPM) 和产品生命周期管理 (PLM) 软件。在IIoT环境中,接受有用的分析数据也非常重要。
  ●  自动配置
  以前,更换新组件 (如驱动器)必须手动为设备确定和加载正确的固件版本。现在,自动化控制器可以在无需人工干预的情况下,自动读取设备并提醒技术人员进行必要的调整。
  ●  通信能力
  如今,即使是低成本的控制器也有一个或多个以太网通信端口,可与HMI 、管理系统、编程和其它非时间关键任务进行通信。对于控制器来讲,支持某种特定类型的工业以太网协议,如EtherNet /IP、EtherCAT、Powerlink、Profinet 等,以便组建确定性网络,已经是很常见的。遗憾的是,目前还没有一个获得普遍认可的工业以太网标准,可以提供适合机器控制的高速、确定性的通信。 
  不过,时间敏感网络 (TSN) 的发展带来了很大的期望。TSN与OPC UA 和OPC UA发布订阅(Pub-Sub)一起,将给IEEE 802系列以太网标准带来更多的确定性。工业互联网联盟为其搭建了一个试验台,已经有多个工业自动化供应商参与其中,以证明TSN在机器到机器通信方面的可行性。 
  TSN是很重要的,这主要是因为要使IIoT能够运作,需要在工厂、企业范围内和云端上实现不同控制平台之间通信的互操作性。如果需要串行接口,则应专门定义,因为目前串行通讯使用的较少。
  ●  安装形式
  以下是3种最常见的自动化控制器的安装形式。
  1) IP20,机柜安装:这是传统PLC常用的安装形式,有一个单独的HMI,通常使用整体、背板/轨道安装 I/O,或远程安装的 I/O 模块。 
  2)IP65/67/69K 密封,基座或前面板安装: 这种形式集成了HMI和控制器,并采用摇臂型安装,可以充分发挥器人体工程学优势,因此变得越来越流行。 
  除了控制,这种形式还可以集成PC功能,以运行各种Microsoft Windows应用程序,比如HMI,尽管基于Web的HMI的趋势越来越明显。 与类似的控制器相比,基座安装的控制器往往比面板安装更昂贵,需要不锈钢挡板,以及更高的密封要求。 
  有些人喜欢将面板安装PLC和HMI分开,以避免在其中一个损坏时需要同时更换两个组件。但是现在已经无需担心,因为已经有了可自由拆卸HMI的集成装置。这样,更换较大的屏幕就更容易,或者升级到更强的控制硬件也不需要更换屏幕。 
  3)  IP20,机柜式工控机,配置独立的HMI:就像集成形式一样,这种形式还可以作为一个具有实时操作系统、各种计算机操作系统和网络服务的控制器。控制器可以是独立的,工业计算机专门用于非控制任务,如边缘、雾或云计算。历史库、序列化和视觉检查也是常见的应用。


先进的自动化供应商可以为用户提供满足不同需求的PLC产品范围,例如从配置固定 I/O的微型PLC,到中档PLC,再到能够处理数以千计的I/O的模块化PLC系统。图片来源: AutomationDirect


  ●  可扩展性
  虽然软件开发环境通常与硬件(超小、微型、中型和大型PLC)相关,但它也有可能在独立于硬件的开发环境中工作。这意味着首先可以为项目编程,然后再去选择或更改控制硬件。这种灵活性可扩展到马达和驱动器类型。低端的步进或变频器可与高端伺服共享相同的程序。当一系列设备的设计旨在允许复用关键软件元素时,可扩展性的要求就尤为关键。 
  ●  CPU性能
  从低端到多核处理器有多种类型可供选择,但它们的性能彼此会有重叠。因此,建议与技术提供商的技术支持和销售工程师团队合作CONTROL ENGINEERING China版权所有,为预期的应用需求选择最佳的性价比方案,因为他们更了解自己的产品。 
  理想情况下,处理器应具有可扩展性,控制软件才能兼容控制器产品线上的所有产品。自动化技术供应商会对重要组件准备充足库存,以确保产品的可用性,并为替代品提供迁移服务。
  此外,还要确定是否需要静音操作,以及安装控制器的预期环境温度。其它散热选项包括风扇、空调、散热器和水冷等。 
  ●  内存
  固态内存在自动化控制器、可移动介质(如C-Fast卡)以及对成本更敏感的永久安装的应用中已经非常流行。可移动内存的优点是可以轻松地替换它,便于制作和存储备份,并且很容易扩展内存容量。 
  但是,在使用工业存储卡时需要小心,并确保媒介符合应用所需的规格。不同的存储类型,具有不同的使用寿命,这取决于读写周期。这也是一个需要和自动化供应商讨论的话题。 
  不同类型控制器的区别
  为工厂自动化选择控制器,不仅和是否应该使用PLC、PAC、或IPC有关,它还应该涉及应用要求的定义,包括基本的控制需求以及未来的可扩展性。尤其是可编程软件平台的选择,与选择合适的硬件一样重要,需要在决策过程中发挥重要作用。
  无论是机器还是过程控制,典型的控制器系列都包括PLC、PAC和IPC。尽管不同的控制器之间存在诸多差异,但它们的特性与功能正在不断的融合。
  虽然PLC是第一个用于替代继电器的控制设备,但到目前为止,PLC仍然是中小型应用的最佳选择。随着对新技术接受程度的提高,PLC的功能也在不断扩展。很多低端PLC使用梯形图逻辑编程,因为这对于大多数应用场合来讲已经足够了。更高端的PLC,则可使用功能块和其它IEC 61131-3 编程语言。 
  PAC扩展了PLC功能,包括改进的运动、安全和视觉功能。基于PLC的PAC,作为这类控制器的分支,使PAC功能像PLC一样简单易用,但功能更强大。由于具有更先进的功能,并且可以使用其它高级语言(诸如C语言的变体等),IPC对于更复杂的应用来说是一种理想的选择。 
  在每个控制器类型中,自动化供应商都可以提供很多配置选项,以及内置和远程输入/输出 (I/O) 的不同组合。还有从简单串行到以太网等各种通信方式可供选择。硬件配置还可能包括内置I/O(通常称为模块) 的独立控制器,可以使用可堆叠的I/O和机架式选项进行扩展。 


  控制器选择的注意事项
  尽管了解和评估控制器的规格是关键的应用需求,但是工厂人员的能力和未来的连接需求,也是决策过程中的重要考量因素。
  控制器选择时,需要考虑的关键注意事项还包括: 
  ●  工厂人员的自动化经验;
  ●  I/O 的数量和类型;
  ●  所需的控制功能,如闭环比例、积分、微分 (PID),运动和速度;
  ●  通信选项;
  ●  数据收集要求;
  ●  特殊功能要求。 
  有些设施高度自动化,可以处理各种控制器和设备,而另外一些设备则可能对新技术的熟悉程度有限。PLC 是许多行业和应用的主要自动化工具,主要因为它们提供了准确、可靠和可修改的控制,同时由于它们的广泛使用,大家对它都非常熟悉,因此易于工作。 
  如果工厂人员从没使用过PLC,那可以先考虑使用一个小而简单的PLC。这些小型控制器的设计便于扩展,同时具有很多功能,可以在大型PLC上使用。
  PLC的选型和应用
  下一步是检查应用的需求。估计离散和模拟I/O的数量是一个好的开始。主要组件列表 (连同位置和存在传感器) ,有助于确定精确的数量。 
  除了离散控制和模拟过程功能外,某些PLC已经逐步发展到能够执行复杂任务,如运动和PID控制。这种控制器可以处理复杂应用,如利用精准对齐的高速包装线。 
  用于某些运动控制功能的伺服和变频器,并不总是需要协调,但在通信和其它需求的方面,仍然可能相当复杂。许多控制器可能需要同时与多个驱动器通信www.cechina.cn,以传递位置、速度或扭矩指令。RS-232、RS-485和以太网等其它方式,都是与驱动器通信的有效选择。与分布式I/O相比,选择数字通信协议是一个更好的选择,因为它们简化了布线,可以监视更多的参数,给更多的参数发指令,并且在需要更改时具有更多的灵活性。 
  数据采集需求也是应该考虑在内的因素。幸运的是,许多控制器,甚至是最新的小型PLC,都有内置的通信、数据记录、网络服务器访问和电子邮件功能。可以将数据写入微型SD卡的功能,是另一个值得拥有的功能,它和网络服务器功能和远程访问一样重要。
  有些应用需要具有一定的安全等级才能满足法规要求。虽然应用可能建议使用安全级的PLC,不过使用非安全级的PLC以及一个或多个可编程的安全继电器,也可以在降低成本的同时提供所需的功能。
  软件编程的评估
  在一个典型的自动化项目中,软件编程大约占到所有工作量的一半,但是为控制器编程所需的时间以及所需的专业知识水平,可能会因控制器编程软件的不同而有很大差异。控制器编程软件需要考虑的事项包括: 
  ●  易于编程;
  ●  偏好和舒适区;
  ●  时间和成本投入;
  ●  可用的培训资源;
  ●  数据记录和远程访问。 
  具有限编程指令的简单软件(有时还是免费的),涵盖了适用于这些小型控制器的大多数应用。随着机器规格和复杂性的增加,大多数中型和大型PLC提供的软件平台,需要比小型简单PLC更长的学习时间。 
  控制器编程软件的选择,通常与用户的偏好和舒适区有关。虽然所需的硬件由应用需求驱动和确定,但软件选择通常是一个主观的决定。大多数公司都应该选择使用标准的控制器编程软件平台以及一个统一的编程方法。 
  在选择编程软件时,用户还应考虑可用的培训资源。在网上应有大量的技术信息库和用户手册。软件程序一旦开发完成,就需要进行测试。编程软件应该包括查看PID回路响应和运动配置文件,以及模拟其它软件功能的能力。内置的项目模拟器可以在没有硬件或下载到现有系统之前来测试代码,因此可以节约大量的时间。 
  虽然为控制器选择合适的硬件和编程软件需要考虑很多因素,但选择控制器的方法不太可能是 “一刀切”的。在为工厂选择控制器时,最好能够选择满足公司广泛需求的系列产品。(作者:Jeff Payne)

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