试论PC控制与现场总线(doc 7页).doc

漫谈PC控制与现场总线德国倍福电气有限公司北京代表处梁 力 强 随着计算机技术的飞速发展，PC机（工业PC和普通微机）已被越来越多地应用于自动化控制。但目前看来，PC机在工业控制中主要被用作上位机进行集中监控，完成可视化人机操作界面、过程图形显示、数据库、通信、联网等功能。本文所要介绍的是一种崭新的PC控制方案，它以现场总线为基础，用PC机直接代替PLC和NC/CNC控制设备；它充分利用当今软件技术的发展成果，对传统的控制系统提出了新的挑战。 现场总线与PC控制的关系 现场总线集控制技术、计算机技术、通信技术于一体，是自动化领域的一种新的发展趋势。近十年来，世界上出现了多种有影响的现场总线，并得到广泛的应用。比如已成为德国和欧洲标准的Profibus现场总线，截止98年6月，在全球已拥有20万个成功的应用实例。可见，现场总线发展到今天，已成为一种成熟的数字式通信和控制网络。 现场总线在PLC控制方面的应用可以有以下两种方案： 1. PLC + 主站接口卡 + 远程I/O子站 + PC机（用于监控） 2. PC机 + 主站接口卡 + 远程I/O子站 + PLC控制软件 本文主要讨论第2种方案，即利用现场总线技术，在PC机上完成PLC控制。 PC控制技术把控制、可视化、通信和网络等多种功能集成在一台机器上来完成，运算速度快，软件资源丰富，具有传统的PLC系统无法比拟的强大功能。可以说，PC控制极好地体现了现场总线集控制技术、计算机技术、通信技术于一体这一基本特点，采用PC控制有利于促进现场总线的推广和应用。 反过来，现场总线也为充分发挥PC机的潜在功能创造了条件，提供了用武之地。只要在PC机上插一块主站通信卡，从通信卡引出一根双绞线，即可连接上百个子站、成千上万个输入/输出点。现场总线技术作为PC控制的输入/输出层面显示出很好的性能。现场总线与PC控制技术的紧密结合，使PC控制成为越来越有吸引力的控制手段。 PC控制的特点和优势一、传统的控制方法与基于现场总线的PC控制相比较：1. 采用传统的控制方法，对现场信号需要进行点对点的连接，并且I/O端子与PLC 在一起，被放在控制柜中，而不是放在现场。这就需要铺设大量的信号输送电缆，不仅费料而且费时。而采用现场总线技术后，接线非常合理，所有的I/O模块均放在工业现场，并且所有信号通过分布式智能I/O模块在现场即被转换成标准数字信号。它只需一根电缆就可把所有的现场子站连接起来，进而把现场信号非常简捷地传送到控制设备上。2. 传统的PLC设备没有可视化功能，而PC机带有高清晰度显示器和现代化人机界面，能连接扫描仪和打印机等标准外围设备，并能通过调置解调器进行电话远程监测。二、PC控制与现场总线相结合所带来的优势1. 开放性好，独立于生产厂家 大多数PLC生产厂家自成一体，有自己的专用开发系统和编程语言，比如西门子公司的Step 5. 于是，更换PLC供应商就意味着要学习一种新的编程语言，这往往给用户带来一些不便。而且一旦选用了某家产品，从硬件到软件就势必对它产生依赖性，用户选择产品的自由度因此受到限制。 而PC控制采用标准软/硬件，互换性好，更新换代容易。它采用IEC 1131-3五种国际标准编程语言，编程和开发工具是完全开放的。另外，Windows操作系统不仅带给你友好的操作环境，而且可以在世界范围内获得开放性标准服务系统的支持。2. 传输速率高。 以Profibus 为例，最高速率可达到12M bit/秒3. 可以不受干扰地传输数据。 采用现场总线技术后，各种模拟信号在现场就被转换成标准的数字信号，因此在往控制室传送时不易受周围环境的干扰，并且可以克服4-20毫安模拟信号在传输过程中衰减的问题。为了提高抗干扰能力，在某些场合还可采用光纤电缆作传输介质。4. PC系统在数据的存储和备份方面显示出明显的优越性。利用工业PC或微机上的硬盘和软盘可以读入或输出生产数据，能将加工程序、加工记录、运行数据储存到磁盘中作备份处理。 5. PC控制具有传统的PLC系统无法比拟的通信和网络功能，它可以连接现场总线，也可以和Ethernet等网络相连，形成现场控制、工序导向、车间管理、厂级管理四个数据管理层次。6. 由于采用多任务的Windows NT 操作系统，PC机中的软PLC可同时执行16个PLC任务，这样就大大提高了PC机资源的利用率。此外，PC机上的PLC有在线调试和在线仿真功能，大大改善了编程环境。7. PC机的CPU效率高于PLC系统： 判断一种机械控制可用性的一个重要标准是运行速度。目前一台中速PLC处理1K命令的时间设定为2毫秒，折算成CPU的计算速度是0.5MIPS，而一台486PC机的CPU计算能力即可达到6-10MIPS。因此可以说，PC控制技术是一种最快的PLC控制。随着CPU处理器的计算能力不断提高、主频速度不断加快，PC控制所带来的功效是令人信服的。8. 现场总线与DCS系统相比 - DCS采用一对一的模拟信号传输，布线复杂，信号容易衰减并容易 受干扰。 - DCS不是开放系统，互操作性差 - DCS一般由操作站、控制站等组成，结构复杂，成本高 为了适应现场总线的发展趋势，许多知名的PLC生产厂家纷纷推出了与其PLC配套的现场总线接口卡，比如西门子、AB公司、三菱、OMRON等，以便使他们生产的PLC或其他控制设备能够被融入现场总线系统。 现场总线输入/输出系统 现场总线输入/输出系统是现场总线系统中现场设备与控制系统之间不可缺少的通信系统，也是PC机对现场设备实施控制的重要环节。其中现场总线智能I/O模块又是该系统的重要部件，尤其在对旧设备的改造中大显身手，因为在旧设备上一般没有智能化仪表（如同FF总线所要求的那些智能变送器、智能执行器、智能控制仪表）。而现场总线智能I/O模块能够采集来自非智能变送器的4-20毫安模拟信号并在当地完成模数转换。从某种意义上来说，现场总线智能I/O模块取代了智能现场仪表的某些功能，使老的控制系统也能被改造成现场总线控制系统。本文在此主要介绍德国倍福电气公司( Beckhoff ) 生产的现场总线输入/输出模块。 自八十年代末开始，随着欧洲几种有影响力的现场总线（Profibus, Interbus-S, CANBus等）相继问世，急需要解决的问题是，如何把来自现场的各种信号通过现场总线传送给主站控制器，也就是说要解决工业信号的数字化传输问题。德国倍福公司及时看到了市场的这一需求，从1995年起研制开发了基于现场总线的远程I/O模块。由于这种新的I/O模块结构小巧、功能齐全、使用方便，产品一问世就受到市场的普遍欢迎。 一、倍福公司I/O模块的主要功能和特点：1. 应用范围广l 适用于Profibus-DP/FMS, InterBus, CANopen, DeviceNet,ControlNet,Modbus,SERCOS,RS232,RS485,Ethernet TCP/IP,USB, Lightbus等多种现场总线(目前正在开发支持Lon Works的模块)。l 可用于各种工业场合，如生产流水线、机械加工、楼宇自动化、数据采集等。l 不仅可用于PC控制，也可与传统的PLC和CNC设备配套，或单独用于数据采集。2. 体积小，安装、维修方便l 模块的外形尺寸为：厚12x高68x长100mm，拆装采用插拔式操作，不需要特殊工具。模块间连接采用弹簧片结构，连接可靠。l 各种模块可以自由组合。每个模块处理2路信号，配置灵活、经济，组态方便。扩展时如想增加I/O控制点，只需要在某个子站上增加几个输入/输出模块即可。3. 品种全、功能强l 可以满足从传感器到执行部件的各种I/O的要求，可处理数字、模拟及各种特殊信号，包括热电耦、热电阻、位移编码器、记数器、RS 232/RS485和各种编码器产生的信号等。l 数据传输安全可靠按照防电磁干扰的要求设计制造，模块内部采取三级隔离，模块之间有电位隔离，从而保证信息在电隔离状态下进行传递。l 接线端子和信号处理电路（含模/数转换）集成在一个端子模块中。现场的4-20毫安信号在当地被转换成数字信号后，采用高速率、全数字式传输，使数据传输有很好的完整性、可靠性和抗干扰性。 l 带有自动寻址、自我诊断、容错记录和模块型号识别系统。二、倍福I/O模块的基本用法 I/O端子和现场总线之间用一个总线耦合器来连接，总线耦合器是I/O模块与现场总线之间的接口。不同类型的现场总线选用不同的耦合器。从耦合器可以最多可引出64个模块，每个模块可以是两通道，也可以是四通道或八八通道，即每个耦合器可以引出256个I/O点。上述模块和耦合器被安装在DIN标准的35毫米宽的C型导轨上，组成一个I/O子站，也叫现场总线从站。实际配置时，可把相对集中的I/O点放在一个子站上，并根据点数多少和分布情况建立多个子站。 德国倍福现场总线还可以将不同电压组在一个总线子站中实现，即该子站中前一部分为24VDC的电压采集信号，后一部分为交流220V的电压等级，或相反。这样使你灵活配置。TWinCAT 工控软件概要 如上所述，要想用PC控制代替PLC，还必须在PC机上装一个软件形式的PLC。为此，德国倍福公司利用当今软件发展的最新成果，在Windows NT 平台上开发了一套集PLC 和NC一体的工控软件，并把它命名为TWinCAT. 其主要特点是：1. 采用标准的软、硬件，有很好的开放性l 可在任何兼容的Intel结构上运行(工业PC，普通微机)l Windows NT 4.0操作系统l IEC 11313 PLC国际标准编程语言：顺序功能图、功能块图、梯形图、指令表和结构文本。不必购买专用编程软件即可实现在PC机上操作PLC的梦想l 控制分布式I/O，支持各种现场总线标准l 可通过OCX，DLL等接口与Fix,Intouch等公司的监控软件组成强大的工业控制系统。也可用VB、VC等软件工具自行开发上层管理软件，产生友好的人机界面。2. 采用多任务实时控制，有很强的功能 TWinCAT把PC机的CPU资源分成实时部分和非实时部分，可对PLC，PID，I/O，NC轴位控制及用户需要完成的特殊任务进行多任务的时间安排。并且在一台PC机上最多可同时运行16个PLC，每个任务独立运行，互不干扰。TWinCAT系统的分辩率为100微秒。 TWinCAT系统由实时服务器、系统控制器、系统OCX接口、系统工具箱、PLC系统，CNC系统，输入输出系统、用户应用软件开发系统、自动化设备规范接口及自动化信息路由器等组成。因篇幅关系，本文对TWinCAT软件不作详细介绍。PC控制与现场总线相结合的应用实例 倍福公司基于现场总线的PC控制技术在国内的应用实例：1. 用户单位： 湖北二汽装备设计研究院项目概要： 采用PC机控制方案和PROFIBUS现场总线，用于汽车工业生产车间的 流水线管理和刀具质量监控。用户还利用TWinCAT开发环境及OCX接口，开发了适合于汽车行业的动态显示监控软件。2. 用户单位：鞍山钢铁公司自动化研究所项目概要：采用PC控制方案和倍福公司的Lightbus现场总线，用于热/冷轧机钢板 厚度测量和控制系统。除了PLC控制以外，还用VB专门开发了人机操作界面。该系统在98国际机电一体化展览会上作了演示。 倍福公司基于现场总线的PC控制技术在国外有很多成功的应用实例，比如德国克虏伯公司鼓风高炉车间的旧控制系统改造，瑞典Volvo汽车公司自动焊接生产线，德国Mueller Weingarten公司对大吨位压力机的改造等等，因篇幅所限，恕不一一介绍。 PC控制技术的发展前景 工业PC在未来有可能取代现有的PLC和NC系统，成为一种新的控制方案。目前除了倍福公司的TWinCAT 以外，法国的CJ International，美国的Intellution，PCSoftInternational公司以及台湾研华公司也相继推出了自己的软件