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基于PC的自动化控制
www.dgzdh.com 2004-07-03  拓创自动化


摘要:本文从自动化发展趋势的角度出发,介绍了SIMATIC基于PC的自动化控制解决方案WINAC和美国的Entivity Inc.公司 Think&Do解决方案的的技术特点。通过在烟草行业中的应用分析,展望了基于PC的自动化控制的前景。
关键字:PC-BASED 自动化 集成

ABSTRACT:This article describe two kinds of pc-based automation from the automation development direction ,one is siemens's WINAC, the other is Entivity Inc.'s Think&Do , details of both's technology character. According to the analysis application of tobacco industry , outlook the future of pc-based automation control.
KEYWORDS:PC-BASED automation integration

1 自动化的发展趋势
目前工业自动化正在经历一个快速变革的时代。面对来自全球化经济竞争的加剧,任何企业都面临着提高工厂的生产效率、降低库存、减少开销等挑战。为了达到这个目标,在自动化系统中采用新一代的硬件和软件是必然选择。
在工业和制造业的各个领域中,我们经历了继电器或电子线路控制方式、单板机控制系统、工业控制机、计算机集散控制系统、PLC系统等多种形式。应该说,它们都得到或正在广泛的应用,拥有大量的用户和实例,也有许多熟练掌握其使用规律的工程技术人员。
随着工业及制造业向规模化方向的发展,对自动化程度的要求越来越高,又由于计算机技术及IT技术的大规模的普及和应用,控制技术得到了飞速发展。综合国外的发展动态,我们可以看到如下趋势:
1 标准化的程度加深
任何技术都不可能独霸天下,各厂家是既相互竞争又相互合作,目前,一些大的自动化厂商都满足如下标准。
IEC 61131-2 工业可编程控制器产品标准
IEC 61000-3 电磁场标准
IEC 61000-4 高频干扰
IEC 204-1 机械安全性标准
IEC 9001 包含设计、生产、测试、安装服务的质量体系工业标准
2 计算机能力的集成
传统的逻辑顺序控制功能已不能满足当今工业控制任务的需求,必须具备计算机的能力,如系统的快速响应来满足系统的高速需求、系统分时特性来满足系统的多任务设计、编程语言的高级化来满足设计人员的不同层次、较大的存储空间满足较大的应用程序的需要。
3 智能分布式的控制思想和系统的开放性、兼容性
整个控制系统采用分层分布式网络结构,具体可分为 管理层、控制层、现场层三层。而控制层和现场层是控制系统的灵魂,必须具有标准化的现场总线模式、智能分布式拓扑结构。使系统的可扩展性良好,无论点数的扩展,还是对多种网络协议的支持都具备模块式结构。
通过上面的分析,我们可以得出几个结论:
工业控制机(IPC)和计算机集散控制系统(DCS)和PLC正在相互融合。
智能式分布控制是可编程控制系统基于现场总线得新型控制思想
而PC-Based Control系统以其开放的结构易于通讯的特性越来越受到人们的重视,它代表着自动化领域的创新和变革。
2 基于PC-based控制技术的概述
目前,采用PC-Based ControL控制思想的产品比较多, WINAC Basis,winac RTX, Slot-PLC、WinCAT、SoftLogix、Visual Logic Controller、FactorySuite/ InControl、PARADYM-31 4.0、Think&Do等产品是其中比较突出的。
本文想就其中的二种系统进行介绍:
其一是SIMATIC基于PC的自动化控制解决方案:是指将控制、HMI、网络和数据处理以及所有运行在一个通用的PC平台上的集成化解决方案。
每一个自动化解决方案的核心是它的控制器。西门子在基于PC的自动化系统中的控制器是 SIMATIC WINAC(Windows Automation Center),WINAC是一个对于西门子基于PC自动化的解决方案的集成平台。能与SIMATIC的所有产品有机的集成在一起。具有以下特点:
WINDOWS NT与 SIMATIC WINAC 的结合性较好,通过 WINAC ODK (开发的开发工具)、COM/DCOM和OPC技术,易于与运动控制、视频控制、人机界面和其他PC任务相集成
采用先进的PROFIBUS 现场总线和ET-200分布式I/O技术,大大增强了系统的可扩充性。
SIMATIC WinAC 根据功能需要,WinAC可以分为几个组件:
WinAC控制(Controlling)组件可以使使用者象使用可编程控制器(PLC)一样,使用个人计算机进行过程控制。 WinAC不仅提供有一个软件PLC,可以在个人计算机上作为实时窗口运行任务,而且还提供有一个具有所有PLC硬件功能的插槽式PLC(安装在个人计算机中的PC板)。 WinAC使用西门子硬件PLC的标准设计环境SIMATIC STEP 7进行组态、编程和维护。 并且SIMATIC S7-PLC可以很容易地转化为WinAC,反之亦然。
WinAC计算/可视化功能 (Computing/Visualization)提供有各种所需开放式接口,以便通过标准应用程序(例如Microsoft Excel、Visual Basic或操作员控制和监控HMI工具包)监控过程,修改过程数据。
为进一步扩展应用其它技术,SIMATIC WinAC ODK(开放式开发工具包)可以集成运动控制、视频系统和用户定义的C/C+ + 代码程序,以支持任何用户开发的扩展程序、专用程序库和附加程序包。
SIMATIC WinAC包括三种类型的产品:
SIMATIC WinAC Basis是运行于标准Windows NT的软件PLC,特别适合与有大量 的数据处理,如 复杂配方、产品检测、质量分析、物料跟踪等,而无特别精确的时间要求的自动化系统。对于需要高度的确定性和实时性的自动化系统,如运动控制、高速I/O和快速闭环调节的控制任务,WinAC RTX 基于微软认证的Windows NT实时扩展内核VenturCom,是用户的理想选择。 对于置于PC的PCI扩展 总线 的插槽型PLC。它能做到控制任务独立于Windows NT,操作性能和指令集基于S7-400 CPU,插卡上集成了MPI、DP通讯接口,适用与西门子工业控制PC和普通商用PC,其模块 插件连同电源扩展板只需要一个PCI扩展插槽,极大的节省了安装空间。电源扩展板选件用于提供独立于PC电源的供电,使WinAC SLOT在无PC断电时也可以正常 运行。存储器卡选件可通过电 池后备对处理器 数据进行保持。适合于对控制的确定 性、有效性和可靠性 有较高要求的应 用场合。
其二是美国的Entivity Inc.公司提供给用户的产品是Think & Do5.2解决方案,它是组成Entivity Inc.公司PC-Based Control系统的核心软件。
在普通的PC机(或工控机)上安装了Think & Do 以后,通过I/O卡(及各种流行总线网卡)或串口连接各种I/O硬件就可以组成一个完善的控制系统,它既可以用来做顺序控制又可以用来做过程控制,还可以用来做数据采集系统。
该软件具有以下的功能,如流程图逻辑控制(包括运动控制、PID回路控制及串行通讯)、集成的人机接口(HMI)、支持多种I/O网络及流行的现场总线、标签名数据库、在线调试及修改工具等。
逻辑控制的编程方式采用简单易用的流程图方式,与人们常用的传统的梯形图逻辑相比,它有极好的可读性以及简单易学的特点。使用对象是面向工艺人员的,只要了解工艺,用户就可以象在纸上画工艺流程一样进行逻辑编程,不需要学习新的编程语言,就可以根据工艺流程边想边干。在流程图的控制逻辑中,不但能执行普通的顺序控制,还能执行复杂的过程控制和运动控制;不但有PID回路控制,还有通用的运算功能块由用户来写各种复杂的运算以执行用户自己的特殊控制逻辑。
Think & Do软件的另一个重要功能就是人机接口(HMI),这个功能与市场上流行的各种监控软件的功能是相同的。它可以和流程图控制逻辑同时开发,并为用户提供友好的操作员界面及动态的、图形化的流程显示、操作控制、参数记录、故障报警、系统诊断等功能。为了绘出适合于各个行业的流程画面,在人机接口工具中还包含一个具有3200多个图形的符号库。
从以上的介绍中不难看出,作为一种工控软件,Think & Do不同于普通的上位监控软件,后者是在传统的PLC+上位机的方案中执行人机接口的功能,其逻辑控制部分在下边的PLC中。Think & Do是一种PC-Based Control软件,它集逻辑控制、HMI人机接口、运动控制、PID回路控制、在线调试与修改功能于一身,在普通的PC 机与I/O相连组成的系统中执行上述全部功能。在这样的系统中不再使用PLC的主机,而是使用某些PLC系列的I/O站或某些专为PC-Based Control系统开发的I/O硬件。因此,Think & Do软件与市场上流行的各种监控软件是完全不同的产品。
3 应用
基于PC-Based ControL的控制思想在工控领域得到了极大的应用,本文将介绍在不同行业的应用情况:
首先,我们通过几幅FOCKE公司在介绍该公司开发策略时所进行的技术比较和开发趋势,描述了基于PC-Based ControL的控制思想在FOCKE公司的应用情况。
图一 基于PLC与基于PC性能价格比较
图二 FOCKE产品中基于PC控制所占比例
图三 FOCKE公司从S5到IPC的开发策略
从上面图中,我们可以得出这样得结论,由于基于PC控制占有成本下降,硬件无关性等特点,FOCKE公司从95年开始使用基于PC的控制系统,到2000年,已基本有90%以上的产品中得到应用。
不仅仅是国外的烟机厂商将基于PC的控制系统应用到烟草设备上,在国内也有这样的应用示例。
在玉溪卷烟厂技术中心烟草制丝实验线的的电控系统中,某厂商采用了INTERBUS总线主控器来完成全部自动控制功能。这种PC BASED的控制技术,可以通过主控器的ETHERNET的接口实现数据库对总线高达10兆速率的数据访问,并可通过厂级局域网实现系统的在线监控、编程和诊断工作。从而将底层控制系统、中间监控系统和数据管理系统进行了精密结合、实现了高效通信。基于PC的控制在非烟草行业行业中也得到了广泛的应用。
早在96年的一次交流会上,GM公司的代表就介绍了GM为什么采用基于PC的控制和开放式系统结构,同时介绍了该公司在 V8 发动机的生产线上,全线采用以PC为 基的控制系统控制。当所有流水线完成时,将有350台PC机承担控制责任。
在国内,也已经有了许多应用,例如,贵阳邮电通讯机械厂最新开发研制的邮政分拣机使用了Think & Do控制系统。
4 前景
分析完这么多的实例,我们可以看到采用基于PC的自动化有很多的优点, 如:快速项目组态在PC上完成;使复杂的通讯接口简单化;与PLC/PC上下位机的解决方案相比的价格优势;通过PC不断增长的性能和存储能力,提高生产率; 系统独立于制造商的标准,而采用通用的标准和用户的标准;人机界面与控制相集成的紧凑解决方案,节省了安装空间;分布化的自动化解决方案变得简单易行;将生产过程与办公世界相集成;大量的减少了连线和通讯负荷。
用户越来越多的需求,是在PC上集成Internet和Intranet技术,这为基于PC的自动化展现了美好的应用前景。
我们可以看到基于PC的自动化现在正迅速的增长。在PC的帮助下,可以在一个统一的平台上真实的实现任何自动化任务,如开环和闭环控制、人机界面和运动控制。当在一个应用中,除了传统的PLC任务外还需要有其它PC的任务时,基于PC的自动化当是用户的第一选择。
参考文献
1、INTERBUS现场总线在中国玉溪红塔集团有限公司技术中心烟草制丝实验线的成功应用 叶峰,制造业自动化,2001.7
2、可编程序控制器国际商情,1997 .1
3、Think & Do 控制方案的适用性,冯跃胜
4、WINAC培训资料,SINMENS公司
作者简介:刘云,男,湖南大学工程硕士,工程师,现主要从事工业自动化软硬件的开发和研究工作;周海涛,男,国防科大计算机系毕业 ,工程师,现主要从事工业自动化软硬件的开发和研究工作。(O)021-50312600-6916,(H)021-68568931,EMAIL: Zhouht2050@sina.com;or Haitao_zhou@sohu.com
(201206 上海埔东金桥出口加工区云间路2555号中烟机械技术中心电气与软件研究室)刘云 周海涛



原作者:不详
来 源:不详
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