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PLC的最新發(fā)展趨勢
一、前 言
長期以來，PLC始終處于工業(yè)自動(dòng)化控制領(lǐng)域的主戰(zhàn)場，為各種各樣的自動(dòng)化控制設(shè)備提供了非常可靠的控制應(yīng)用。其主要原因，在于它能夠?yàn)樽詣?dòng)化控制應(yīng)用提供安全可靠和比較完善的解決方案，適合于當(dāng)前工業(yè)企業(yè)對自動(dòng)化的需要。另一方面，PLC還必須依靠其他新技術(shù)來面對市場份額逐漸縮小所帶來的沖擊，尤其是工業(yè)PC所帶來的沖擊。PLC需要解決的問題依然是新技術(shù)的采用、系統(tǒng)開放性和價(jià)格。
PLC技術(shù)展的最終趨勢仍然是人們所爭論的焦點(diǎn)之一。大多數(shù)人認(rèn)為，PLC將會(huì)繼續(xù)失去市場份額；更有甚者認(rèn)為，在工業(yè)PC面前，PLC將會(huì)一步一步走向死亡；但也有一部分人相信，一些特殊工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域仍將為PLC提供一定的市場份額。
在全球工業(yè)計(jì)算機(jī)控制領(lǐng)域，圍繞開放與再開放過程控制系統(tǒng)、開放式過程控制軟件、開放性數(shù)據(jù)通信協(xié)議，已經(jīng)發(fā)生巨大變革，幾乎到處都有PLC，但這種趨勢也許不會(huì)繼續(xù)發(fā)展下去。隨著軟PLC(SoftPLC)控制組態(tài)軟件技術(shù)的誕生與進(jìn)一步完善和發(fā)展，安裝有SoftPLC組態(tài)軟件和基于工業(yè)PC控制系統(tǒng)的市場份額正在逐步得到增長，這些事實(shí)使傳統(tǒng)PLC供應(yīng)商在思想上已經(jīng)發(fā)生了戲劇性的變化，他們必須面對現(xiàn)實(shí)，在傳統(tǒng)PLC的技術(shù)發(fā)展與提高方面作出更加開放的高姿態(tài)。對于控制軟件來講，這是PLC控制器的核心，PLC供應(yīng)商正在向工業(yè)用戶提供開放式的編程組態(tài)工具軟件，而且對于工業(yè)用戶表現(xiàn)得非常積極。此外，開放式通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也得到了突破，其結(jié)果是將PLC融入更加開放的工業(yè)控制行業(yè)。
二、開放和基于工業(yè)PC控制
PLC制造商已經(jīng)開始注視基于工業(yè)PC控制技術(shù)所帶來的強(qiáng)大沖擊。有專家甚至認(rèn)為，新商務(wù)活動(dòng)所帶來的新技術(shù)和開放技術(shù)規(guī)范將會(huì)埋葬傳統(tǒng)PLC。PLC制造商認(rèn)為，雖然在工業(yè)現(xiàn)場安裝有大量的PLC控制設(shè)備，但他們?nèi)匀恍枰?lián)合工控軟件公司，以便開發(fā)他們自己的基于工業(yè)PC的過程控制軟件。
誠然，幾年前在工業(yè)現(xiàn)場明顯存在著新舊PLC混合使用的情況，工業(yè)用戶不得不同時(shí)學(xué)習(xí)相關(guān)的新舊知識，甚至彼此借鑒學(xué)習(xí)。大多數(shù)PLC制造商為工業(yè)用戶僅僅提供了軟邏輯和一種操作平臺。
在高端應(yīng)用方面，很難進(jìn)一步區(qū)分PLC控制系統(tǒng)和工業(yè)PC控制系統(tǒng)之間的差異，因?yàn)檫@兩者均采用了同樣類型的微處理器和內(nèi)存芯片。形象地打個(gè)比喻，如果你忘掉工業(yè)PC和PLC這些詞語字面上的含義，那么在箱子里所能夠觀察到的恰恰是一些基本計(jì)算機(jī)硬件技術(shù)，我們更多觀察到的卻是那些基本技術(shù)的復(fù)雜化和混合體，這些技術(shù)被有效地組合到控制系統(tǒng)中去。
另外，采用開放控制的原因一方面是系統(tǒng)功能集成的需要，另一方面也是由于一些工業(yè)用 戶對功能過分苛求所致。如果能夠給予高度的重視，就能夠獲得更多的基本技術(shù)知識。PLC制造商專注于系統(tǒng)功能化，而工業(yè)用戶則專注于系統(tǒng)應(yīng)用。人們可以看到，將來的發(fā)展趨勢是將更多的功能進(jìn)一步集成到一個(gè)控制箱內(nèi)。因而像順序控制和過程控制這樣的事件將會(huì)采用功能化方式進(jìn)行處理，其他像運(yùn)動(dòng)控制等也能夠共享到相同的控制結(jié)構(gòu)體系中。
可以相信，PLC技術(shù)將繼續(xù)向開放式控制系統(tǒng)方向轉(zhuǎn)移，尤其是基于工業(yè)PC的控制系統(tǒng)。后者除了在靈活性方面比傳統(tǒng)PLC具有截然不同的優(yōu)勢外，還具有其他優(yōu)點(diǎn)，如能夠縮短系統(tǒng)投放到市場的周期，降低系統(tǒng)投資費(fèi)用，提高從工廠底層到企業(yè)辦公自動(dòng)化的數(shù)據(jù)信息流動(dòng)效率等。
關(guān)于工業(yè)PC控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)響應(yīng)問題已經(jīng)得到很好的解決，也許其主要的東西仍然隱藏在技術(shù)背后，但缺乏相應(yīng)的跟蹤記錄。對于PLC來講，堅(jiān)固性是其主要特點(diǎn)之一，這已經(jīng)有相當(dāng)多的跟蹤記錄來驗(yàn)證。工業(yè)用戶仍然非常小心地對待PLC，他們正在對PLC作不同的技術(shù)測試工作。在利用一種新技術(shù)時(shí)，工業(yè)用戶需要考慮的問題是要冒多大的風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)需要考慮對其商務(wù)活動(dòng)能夠帶來多少機(jī)會(huì)和收益。
但工業(yè)用戶不完全相信開放式控制系統(tǒng)所帶來的好處。隨著技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，他們開始逐漸淡化這些思想觀念。工業(yè)用戶正在平衡采用新技術(shù)所存在的風(fēng)險(xiǎn)和給他們的商務(wù)活動(dòng)所帶來的收益，以便為今后的決策提供有效的保障。
工業(yè)PC技術(shù)提供了許多功能，能夠增強(qiáng)PLC的功能特性，包括內(nèi)藏視頻和高速浮點(diǎn)數(shù)字協(xié)處理器。盡管Microsoft公司沒有進(jìn)一步提升該項(xiàng)功能特性的計(jì)劃，但新的Windows CE 3.0完全能夠更好地滿足過程控制的需要。
不久前，Siemens公司公布了一套新的基于開放式控制系統(tǒng)的軟件產(chǎn)品，即3.0版本的SIMATIC WinAC(Windows自動(dòng)化中心)。WinAC是基于Windows NT，與SIMATIC S7 PLC兼容的適合于工業(yè)PC的控制系統(tǒng)解決方案。WinAC 3.0提供了具有較高集成度的Profibus現(xiàn)場總線局域網(wǎng)的連接性能，以及遠(yuǎn)程程序設(shè)計(jì)。此外，它還為現(xiàn)場控制設(shè)備本地化集成提供了一種新的DeviceNet I/O設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，用于連接所安裝的DeviceNet I/O設(shè)備。
Steeplechase軟件公司也已推出了一套支持硬實(shí)時(shí)過程控制的嵌入式Windows NT操作系統(tǒng)接口部件。該部件進(jìn)一步結(jié)合了Steeplechase公司采用SBS技術(shù)并運(yùn)行于Windows NT環(huán)境的工業(yè)Compact PCI的硬實(shí)時(shí)控制軟件?，F(xiàn)在，Steeplechase公司的可視化邏輯控制器已經(jīng)升級到5.0版。該控制器適合于Windows NT 4.0和Windows 2000兩種操作系統(tǒng)，它的實(shí)時(shí)引擎能夠直接與普通的Ethernet和TCP/IP集成在一起。5.0版本的控制器利用了一種增強(qiáng)型OPC服務(wù)器驅(qū)動(dòng)程序，因而比以前的版本具有更快的運(yùn)行速度。其他一些特點(diǎn)還包括新OI網(wǎng)絡(luò)特性，以及能夠讓工業(yè)用戶自己設(shè)計(jì)出豐富多彩的動(dòng)態(tài)圖形畫面等。
Transysoft公司最近推出了新版本的ISaGRAF系列工業(yè)控制組態(tài)軟件包，即ISaGRAF PRO，它是基于IEC 61131-3國際標(biāo)準(zhǔn)，并獨(dú)立于任何硬件平臺的軟邏輯自動(dòng)化控制軟件包。在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)化過程控制系統(tǒng)環(huán)境中，該軟件包能夠應(yīng)用于多種組態(tài)和分布式控制系統(tǒng)的開發(fā)，它包含了一套開發(fā)工具、應(yīng)用程序工作平臺，以及相應(yīng)的“虛擬機(jī)器”運(yùn)行時(shí)目標(biāo)。該運(yùn)行時(shí)目標(biāo)能夠運(yùn)行于各種各樣的硬件平臺。
CTC自動(dòng)化工程公司已經(jīng)發(fā)布了一套新的控制軟件包MachineLogic PCLC（工業(yè)PC邏輯控制器），該軟件可以讓工業(yè)PC扮演PLC的角色，且仍然保持著工業(yè)PC的功能特性。該軟件能夠完成一臺PLC所確定的控制任務(wù)，并且與程序執(zhí)行時(shí)間一樣快，均在1 ms以內(nèi)；還能夠同時(shí)處理多任務(wù)工作，但不能同時(shí)超過16個(gè)控制任務(wù)。一種具有優(yōu)先級和多任務(wù)處理內(nèi)核的機(jī)制保持著對每一件控制任務(wù)的跟蹤，確保控制任務(wù)能夠取得最高的優(yōu)先權(quán)。該軟件能夠運(yùn)行全部5種IEC 61131-3標(biāo)準(zhǔn)程序設(shè)計(jì)語言和PID控制程序，支持兩種類型的I/O控制設(shè)備。一種是像Profibus和DeviceNet等這樣的現(xiàn)場總線I/O設(shè)備；另一種是像ISA和PC/104這樣的工業(yè)PC I/O模板。另外，該軟件還提供了對控制系統(tǒng)的在線編輯組態(tài)功能。程序可以在Windows 95/98和Windows NT下開發(fā)并運(yùn)行，但也能夠在RTXDOS下執(zhí)行。
SoftPLC公司也提供了一種工控軟件產(chǎn)品Tealware，有人非常形象地把這種軟件產(chǎn)品稱作穿著工業(yè)PC衣服的PLC。那些安裝在支架上的控制系統(tǒng)已經(jīng)有了小型PLC的形狀系數(shù)，但SoftPLC公司的控制軟件已經(jīng)被嵌入到CPU中。Tealware軟件能夠滿足各種類型工業(yè)用戶的需要，從小型、單機(jī)系統(tǒng)到大型、分散多控制工作站應(yīng)用。其特點(diǎn)包括全系列I/O模件、內(nèi)藏Ethernet和工業(yè)串行通信接口。
最近，Tealware軟件已經(jīng)升級到2.3版本。其中，控制軟件提供了事實(shí)上無限的梯形圖邏輯控制步序，同時(shí)允許有超過百萬字的數(shù)據(jù)表；許多OI/SCADA應(yīng)用接口；內(nèi)藏Java引擎和FTP服務(wù)器用于遠(yuǎn)程維護(hù)與管理；支持用戶自己編寫的C、C++、Java程序和設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序；適合于嵌入式Web服務(wù)器用；程序設(shè)計(jì)的在線運(yùn)行模式；堅(jiān)固的I/O模件支持能力和許多其他標(biāo)準(zhǔn)PLC功能；可以運(yùn)行所輸入的，或者是經(jīng)過轉(zhuǎn)換的A-B公司的PLC-5、PLC-2/PLC、PLC-3和SLC-500程序。
三、Ethernet的擴(kuò)展與進(jìn)一步容納Web技術(shù)
當(dāng)前，在所有過程控制領(lǐng)域，最大的發(fā)展趨勢之一就是Ethernet技術(shù)的擴(kuò)展。PLC也例外，現(xiàn)在，越來越多的PLC供應(yīng)商開始提供Ethernet接口部件。在最近的幾年間，我們已經(jīng)看到，發(fā)展比現(xiàn)有普通小快靈PLC更加強(qiáng)大的PLC是種趨勢。Ethernet將會(huì)成為PLC的通信標(biāo)準(zhǔn)嗎？也許最終結(jié)果是這樣的，但現(xiàn)在還為時(shí)尚早。對于在PLC上提供Ethernet接口將能夠解決所有通信問題，人們普遍存在著誤解。Ethernet僅僅定義了OSI參考模型底部的幾層協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，如果上層協(xié)議相互之間不能兼容，那么仍然不可能進(jìn)行相互之間的通信處理。打個(gè)比方，這如同一個(gè)不懂英語的中國人與一個(gè)不懂漢語的美國人之間是不能夠通過電話進(jìn)行對話一樣。因此，協(xié)議就是設(shè)備之間相互通信的語言。
另一方面，前進(jìn)的步伐已經(jīng)邁出，我們只有迎著困難而上，為了將Ethernet技術(shù)應(yīng)用到工廠底層的現(xiàn)場過程控制設(shè)備中去，ODVA協(xié)會(huì)為此建立了一套全球性標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)規(guī)范，即Ethernet/IP標(biāo)準(zhǔn)，以便能夠解決在實(shí)際工作中所遇到的困難。
向Ethernet靠近的一個(gè)目的在于通過Internet能夠連接到所希望的任何地方。實(shí)際上，在一些意想不到的地方，Web服務(wù)器正在顯露出其應(yīng)有的威力。幾年前，有一些PLC系統(tǒng)已經(jīng)內(nèi)藏了Web服務(wù)器，這無疑又為PLC系統(tǒng)增加了更多的特點(diǎn)。其他類型的控制設(shè)備也正在準(zhǔn)備進(jìn)一步集成Web服務(wù)器。例如，Square D公司已經(jīng)有一個(gè)具備Ethernet連接接口的發(fā)動(dòng)機(jī)控制中心，并正在準(zhǔn)備開發(fā)一種內(nèi)藏Web服務(wù)器連接接口的變速裝置。
內(nèi)藏Web服務(wù)器所體一風(fēng)的益處包括開放網(wǎng)絡(luò)、商業(yè)工具的影響、客戶機(jī)/服務(wù)器關(guān)系。在過去，工業(yè)用戶可能會(huì)有代表性地詢問一些有關(guān)PLC方面的信息，但在現(xiàn)在，由于新技術(shù)的不斷誕生和發(fā)展，工業(yè)用戶很容易就可以得到有關(guān)這方面的信息。另一方面，隨著芯片和處理器大規(guī)模的生產(chǎn)，PLC生產(chǎn)制造商能夠生產(chǎn)并提供開放網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)品，讓工業(yè)用戶花較少的費(fèi)用就能夠購買到功能非常完善的PLC產(chǎn)品。
在為將PLC連接到Ethernet和Web上提供技術(shù)支持方面，Schneider公司已經(jīng)成了先驅(qū)者之一。最近，該公司推出了一種運(yùn)行于Premium PLC平臺的新型快速Ethernet(100 Mb/s)模件。該模件為PLC能夠連接到TCP/IP的Ethernet提供了全雙工自適應(yīng)10/100Mb/s的連接速度，現(xiàn)場過程控制器之間可以共享實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息，自動(dòng)掃描Momentum I/O模件和其他任何基于Modbus通信協(xié)議的現(xiàn)場控制設(shè)備，采用一個(gè)嵌入式Web服務(wù)器提供HTML通信服務(wù)，同時(shí)提供了SNMP用于標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)通信管理。在一次展覽會(huì)上，Schneider公司還向工業(yè)用戶展示了他們有關(guān)透明工廠的觀念。另外，Schneider公司最近還推出了基于Modicon公司的Momentum MIE系列處理器的適配器，該適配器提供了標(biāo)準(zhǔn)IEC程序控制性能，進(jìn)一步為e-制造提供了完美的解決方案。該適配器還提供了將智能化I/O系統(tǒng)和其他現(xiàn)場過程控制設(shè)備連接到Internet和Ethernet的能力，現(xiàn)場過程控制設(shè)備包括所有功能化實(shí)時(shí)過程控制器。
幾年前，Rockwell自動(dòng)化公司也在其PLC產(chǎn)品中提供了Ethernet接口，而且正在堅(jiān)定不移地穩(wěn)步提高Ethernet的功能特性。該公司最近已經(jīng)公布了一種柔性I/O模件解決方案，這種柔性I/O模件利用非專利版本的Ethernet技術(shù)能夠提供實(shí)時(shí)過程控制性能。A-B公司提供的1756型ControlLogix I/O也是基于標(biāo)準(zhǔn)Ethernet TCP/IP和UDP數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的組件，其應(yīng)用層使用了一種開放式、面向?qū)ο?、基于生產(chǎn)者/ 消費(fèi)者的技術(shù)。這種技術(shù)在ControlNet、DeviceNet和FF現(xiàn)場總線H1網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中也能夠找到。
同樣，其他許多公司也已經(jīng)推出了Ethernet通信接口模件。例如，來自于IDEC公司的OpenNet PLC控制器所提供的通信接口，實(shí)現(xiàn)了與DeviceNet、LonWorks和Interbus等現(xiàn)場總線設(shè)備的兼容。該控制器利用一個(gè)Interbus遠(yuǎn)程I/O主卡件能夠處理不超過480點(diǎn)本地I/O和512點(diǎn)遠(yuǎn)程數(shù)字量I/O。
Sierra公司所提供的8051型工業(yè)通信橋路能夠讓彼此之間互不兼容的PLC、DCS、RTU和SCADA系統(tǒng)很好地集成在一起。這種工業(yè)通信橋路通過RS-232、422、485，或者Ethernet通信鏈路實(shí)現(xiàn)了高速網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。該橋路控制器同時(shí)提供8個(gè)RS-232串行通信接口，2個(gè)RS-485/422隔離串行通信接口，2個(gè)10Base-T Ethernet接口，以及一個(gè)用于冗余熱備份橋路的連接器。
來自于ProSoft公司的多制造商接口套裝組件為A-B公司的PLC、SLC、ControlLogix和FLEX I/O（包括1771、1746、1765和1794）平臺提供了串行通信能力。每一個(gè)模件包含了一個(gè)80386處理器，并同時(shí)嵌入有DOS操作系統(tǒng)，因而，可以被看作是具有I/O能力的工業(yè)PC，另外，該控制器同樣具有“A>”磁盤操作提示符，以及Autoexec.bat和Config.sys文件。應(yīng)用程序可以是從簡單的ASCII通信到復(fù)雜的32位控制算法。
另一家通常從事運(yùn)動(dòng)控制方面研究的公司Giddings & Lewis也為其PiC（可編程工業(yè)控制）和MMC（機(jī)械與運(yùn)動(dòng)控制）系列應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)控制方面的產(chǎn)品增加了Ethernet TCP/IP接口。這些單元部件提供了可以連接到工廠內(nèi)部Intranet和Internet的能力，允許現(xiàn)場過程控制器之間共享數(shù)據(jù)信息。現(xiàn)場過程控制器與工業(yè)PC之間通常采用OPC服務(wù)器設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序來連接實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息，利用Ethernet網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和Web技術(shù)可以進(jìn)行遠(yuǎn)程文件傳輸、程序設(shè)計(jì)和系統(tǒng)維護(hù)。
現(xiàn)在，越來越多的企業(yè)正在計(jì)劃將其所有自動(dòng)化控制設(shè)備逐步連接到企業(yè)范圍內(nèi)的信息系統(tǒng)中去。對于工業(yè)用戶來講，也許他們已經(jīng)注意到有關(guān)Ethernet for Control系列控制解決方案，該技術(shù)更加依賴于Ethernet和Internet。幾乎所有PLC供應(yīng)商在其部分系列化產(chǎn)品中均提供了Ethernet連接特性，而且有些公司已經(jīng)確定將Web服務(wù)器徹底嵌入到他們的設(shè)備內(nèi)部，以便充分展現(xiàn)PLC的性能特點(diǎn)。利用PLC的Web連接特性，工業(yè)用戶不但可以從任何地方監(jiān)控控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，而且還可以像利用系統(tǒng)手冊一樣獲取所需要的任何數(shù)據(jù)信息。
當(dāng)然，如果工業(yè)用戶正在著手將其控制系統(tǒng)連接到Internet，則必須為此設(shè)置安全的信息發(fā)布地址。另外，為了防止黑客進(jìn)入到控制系統(tǒng)中去，還必須安裝一套安全性能較好的防火墻軟件。
SoftPLC公司在網(wǎng)絡(luò)安全性方面投入了極大的熱情和興趣，他們將一個(gè)具有實(shí)時(shí)和確定性的Java虛擬機(jī)器嵌入到過程控制器中去。Java使其不僅能夠運(yùn)行基于Web的Active X控件對象，同樣也能夠運(yùn)行Servlets。Servlets是個(gè)運(yùn)行于Web服務(wù)器任務(wù)高度集成在一起，能夠提供動(dòng)態(tài)Web頁面內(nèi)容。Servlets程序代碼清晰可見、面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)、模件化，開發(fā)起來非常簡單明了，Servlets也提供了數(shù)據(jù)信息安全性能，允許進(jìn)一步限制實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息，如僅僅是所選定的工業(yè)用戶，或者是所選定的注冊數(shù)據(jù)信息。如果過程控制器被有效地連接到Internet，那么安全性對其是非常的重要。
黑客的入侵還不是唯一的煩惱，如果網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)癱瘓，我們首先需要干什么呢？黑客入侵的解決方案是采用冗余。在過程控制器中采用冗余IP地址、冗余網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、冗余通信電纜，以及熱備份等方式，當(dāng)突發(fā)事件發(fā)生時(shí)能夠很好地為過程控制系統(tǒng)提供服務(wù)。
許多PLC供應(yīng)商在其產(chǎn)品的開發(fā)過程中仍然繼續(xù)不斷地改進(jìn)和提高通信性能，其開發(fā)方向主要面向于Ethernet技術(shù)和基于Web技術(shù)。