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贝加莱 发展迅猛的PLC 控制技术

--现代可编程控制技术的发展趋向(一)

供稿:贝加莱工业自动化(中国)有限公司 2011/9/6 11:04:00

5 人气:1978

  • 关键词: PLC PCC
  • 摘要:自1969 年世界上第一台可编程控制器在美国DEC 公司诞生以来,PLC 走过近30年的发展历程。随着计算机技术的飞速发展,PLC的软硬件水平与规模也发生了质与量的变化。随着PLC 控制技术朝智能化方向的不断发展,也推动了先进制造术的相应发展,将工业、国防等领城的控制水平提高到了一个新的高度。从这一期起.我们请德国工业博士贝加莱工业自动化(上海)有限公司总经理肖维荣先生介绍一些有关PLC 技术发展的新情况,将分三次刊登。

 

  自1969 年第一台PLC 可编程控制装置在美国DEC 公司问世以来,而今已走过了近30 年的历程。那么当今的PLC技术发展状况和它的发展趋向又是怎么的呢?

一、可编程控制技术的现状

  在现代工业设备及自动化项目中,我们会遇到大量的开关量、脉冲量以及模拟量等控制装置。如电机的启动与停止;电磁阀的开闭;工件的位置、速度、加速度等的测定;产品的计数以及温度、压力、流量等物理量的设定和控制等等。
   
  传统的工业自动控制主要是由继电器或分离的电子线路来实现的。众所周知.这种控制方式虽然造价便宜,但却存在着许多致命弱点。如只能适用于简单的逻辑控制;仅适用于某种工程项目,缺乏通用性,一旦要进行改动或优化,只能通过硬件的重新组合来实现。

  随着计算机技术的不断发展,它给工业自动化带来了革命性的变革。这个变革是由继电器控制到计算机控制的飞跃。所谓计算机控制,主要具备以下两个基本特点,即硬件上至少有一个微处理器,而其控制方式是通过软件来实现的。
   
  目前工业界比较有代表性的控制方式主要有以下几个类别:
1 .单板机控制系统
   
  单板机控制系统仅适于较简单的自动化项目。硬件上主要受CPU 、内存容量及I/O 接口的限制;软件上主要限于与CPU 类型有关的汇编语言。一般来说单板机或单片机系统的应用只是为某个特定产品服务的。其通用性、兼容性和扩展性都相当差。

2 .工业控制机(IPC)

  工业控制机是从PC(Personal Computer)的基础上通过应用推广发展起来的。由于它是由微机及芯片的专业厂家开发出来的,所以其硬件品种兼容性强且总线标准化程度高,其软件资源丰富,特别是有实时操作系统的支待,运行速度快,实时性强,可适用于模型复杂的项目,能把控制任务和图文显示功能集成在一起。但工业控制机的缺点在两个方面:第一有较长的装置访问时间。第二I/O控制点数不能够随意扩展。

3计算机集散控制系统(DCS)

  计算机集散控制系统是由回路仪表控制系统发展而来的。它的优势在于模拟量的处理及回路调节功能。自70年代初期问世以来,得到了迅速的发展。微处理器特别是单片机的出现和通信技术的成熟,使得计算机集散控制系统把顺序控制装置、数据采集装置、过程控制的模拟量仪表有机地结合在一起,形成了满足各种不同要求的集散型控制系统。

4 传统的可编程逻辑控制器(PLC)

  传统的可编程逻辑控制器的最初控制概念和设计思想是将计算机软件的控制思想代替继电器逻辑。其硬件的构成与微机相似。
   
  在可编程逻辑控制器发展的初期,其主要的开发意图和应用领域是数字式控制,它按照用户程序存储器里的指令安排,通过输入接口采入现场信息、执行逻辑或数值运算,然后通过输出接口去控制各种执行机构动作。然而经历了近30 年的发展之后,传统的PLC 也具备了逻辑顺序控制、模拟量处理、回路调节技术等三个功能。

二、可编程控制技术的发展方向

  随着计算机科学的发展和工业自动化的愈来愈高的需求,可编程控制技术得到了飞速的发展。仅仅将PLC 作为继电器逻辑控制的替代,或者说仅只将PLC 理解为开关量控制的话,那就是一个错误的概念了。综合国外特别是欧洲及国内的发展动态,其发展趋势主要有以下几个方面。

1 .可编程控制技术的标准化

  在工业自动化产品繁花似锦的今天,一家独霸天下的局面已不复存在,因而各生产厂商既互相竟争又要相互合作。
   
  一种自动化产品的竞争力除表现在其技术上的个性外,更重要的还在于其满足国际标准化的程度和水平。标准化一方面保证了产品的出厂质量,另一方面也保证了各厂家产品的相互兼容。出厂检验时各可编程控制产品的厂家都有相应的技术标准作依据。例如:美国有NEMA标准、日本有JIS标准、德国、奥地利有DIN 标准。按照这些标准,各种型号的PLC 产品对工业应用环境、抗干扰性等条目都给出了明确的规定。但是,这些标准目前只能是统一区域性的产品,而不能实现全球的统一性。在PLC 的发展过程中,特别给工业自动化行业带来困扰的是,虽然PLC 的基本语言梯形图和指令表分别是在接触器、继电器以及汇编语言的基础上建立起来的,但各厂家无论从语言结构、语言功能还是从语言形式表述上都有不同程度上的较大区别。为使各PLC 厂家的产品有一个共同的参照平面,制订了国际标准。

2 .大型计算机特点的集成
   
  传统的PLC仅凭单纯的逻辑顺序控制功能已远远不能适应当今工业控制任务的需求,要处理一些复杂的任务、使控制系统具有较高的智能度,可编程控制系统必须具备大型计算机的分析计算能力。这种对大型计算机特点的集成主要表面在以下几个方面:

( 1 )系统的高速响应性

  这里有一个概念要澄清,那就是:系统速度不是仅由CPU 来决定,而且还要考虑I / 0 数据的传输速度。当然CPU 的速度起着决定性的作用。判断CPU 的速度主要是看每条指令的执行时间。如Siemens  S7-200 PLC的每条逻辑指令的计算速度为0.13us,三菱的FX2C 的每条指令执行时间为0.2us;贝加莱(B&R )B&R2010的每条指令执行时间为0.125us 。要提高整个系统的速度就要考虑CPU 模块的多处理器结构。如Siemens公司的TI555PLC 、贝加莱的PCC 等。图1 示出了贝加莱PCC的CPU 模块结构。

  图2 中的I / O 处理器主要负责独立于CPU 的数据传输工作。DPR-Controller即双向口控制器主要负责网络及系统的管理。可见一个模块上有三个处理器、它们既相互独立,又相互关联(通过DPR ) ,从而使主CPU 的资源得到合理使用,同时又最大限度地提高整个系统的速度。

( 2 )定性的多任务分时操作系统

  多任务分时操作系统来自于大型计算机,例如UNIX 机。它可以将整个操作界面分成数个分别具有不同优先权的任务等级(TASK CLASS )。其中优先权高的任务等级,有着较短的巡回扫描周期,而且每个任务等级可包括多个具体任务。在这些任务中间可再细分其优先权的高低。在这种操作系统的管理下,优先权高的任务等级总是先被执行,剩余的时间里可执行优先权较低的任务等级。这样一个操作系统使得可以将比较重要的任务定义得任务等级高一些,如调节器(由用户定义),例外任务(EXCEPTI0N -TASK ,由系统定义),中断任务(INTERRUPT -TASK ,由系统定义),而一些较一般的任务可以定义得任务等级低一些,如报警处理任务、结果处理任务等。这样整个控制系统便得到了优化,具有较好的实时性。

( 3 )编程语言高级化

  可能对一个电气工程师来说,梯形图和指令表这两种编程方式是比较常见和习惯的。因为这两种方式都有着明显的优点。例如梯形图靠近电气线路比较直现。而指令表是由汇编语言演绎过来的,比较靠近计算机硬件结构,然而,在控制思想日趋复杂的今夭,用梯形图及指令表来表达实在显得过于复杂繁琐。随着C语言、FORTRAN 、PASCAL等高级语言加入到PLC 中去,使复杂思想的表达就显得方便简洁得多了。

( 4 ) 较大的应用程序存储空间

  较高的系统分析计算能力当然要求有足够的程序存储空间。同时足够的程序存储空间是系统具备较强的数据处理能力的先决条件。应用程序存储空间的大小在某种意义上说明了其硬件系统的先进程序。贝加莱PCC的内存容量为lookB~16MB ;Siemens 的S7-400的内存容量为4kB ~16MB等等。

3 .智能分布式控制思想与系统的开放性、兼容性

  OCS 系统之所以能与PLC 系统并行发展,是因为它在处理模拟量、回路调节技术以及网烙技术方面有着其优越性。然而现场总线技术的发展使PLC 的网络结构和发展能力发生了革命性的变化。分布式的控制思想首先将可能出现的问题限制在局部范围,从而提高了系统的可靠性。智能分布式控制思想和系统的开放性、兼容性是可编程控制技术发展的一个极为令人关注的领域。其主要特点可归纳如下:

( 1 )分层分布式网络结构

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