控制器三十年和未来十年控制器的发展方向

控制器三十年和未来十年控制器的发展方向控制器三十年和未来十年控制器的发展方向 一 历史 1 1 PLC DCS 控制器在七十年代开始从传统使用仪表和继电器组对应的两个不同应用领域派生出来 DCS 和 PLC 两类产品 这两类产品在初期确有相当多的不同 DCS 对于回路控制这一块更为重 视 而 PLC 对于离散的逻辑控制更为重视 当时的 DCS 使用通用 CPU 采用软解释方式处 理程序 而 PLC 依靠类拟于 AMD2910 的位块处理器处理逻辑 相对而言在系统结构上 DCS 更偏向软件 而 PLC 更像传统的硬件继电器组 艾驰商城 在经过数十年的发展后 突然大家对于 DCS 和 PLC 的概念含糊不清了 因为 PLC 也在体系 中加入了通用型的 CPU 特别软逻辑 PLC 在指令处理原理方面与 DCS 并无二样 只是上位 机软件的用户指令不同 不过 DCS 也不是原地不动 DCS 在网络方面 多 DPU 协同工作方 面 冗余方面都有了长足的发展 并大多数采用了 X86 的体系架构 充分利用了 PC 的技 术成果 那么现在的 DCS 与 PLC 的差别是相当小 从具体的技术而言 DCS 有基于令牌网络的分布 式实时数据库 可以通过全量通信来保证每个 DPU 内的映象数据都是最新的 而 PLC 在这 一块更多的注重单机工作 就算是联网 也假定两台 PLC 之间只需要很少量的数据交换 所以采用的主从结构的请求应答方式通信 在发展过程中 PLC 与 DCS 都受到 PC 技术发展的深远影响 特别是 DCS 目前的 DCS 大多 采用 PC BASE 结构 对 PC 技术的吸收也相当彻底 而 PLC 则是在 80 年代未 90 年代的软 PLC 开发浪潮中大力吸收了 DCS PC 的技术 特别是在 IEC61131 3 标准制定出来后 产生 了一系列的以开发软 PLC 软件的公司 这些公司以欧洲公司居多 这与欧洲公司的开放软 件组织成熟有一定关系 同时 IEC61131 3 对于日式 PLC 的编程方式基本是排斥的 所以相 当多的欧洲企业有兴趣进军这个行业 这方面以 KW 一方梯队 ISAGRAF 3S 等尤为突出 这些公司对于工控软件化和标准化起到了相当重要的作用 目前的各大工控公司在开发新 的软件时都会对这几家公司的产品进行深入的研究 最初软 PLC 的开发大多是以 PC BASE 为蓝图的 只是在后来才慢慢的加入 ARM 51 AVR 等 CPU 的支持 并一直强调开发的模块化结构 使移植变得更为容易 目前的情况是 PLC 按点数和价格分成了大中小微几种不同的档次 同时按实现分成了硬 PLC 软编译型 PLC 软解释型 PLC 三种 按结构分成了背板式 模块式 分布式几种 其 中大中型 PLC 更是在功能上加入了 DCS 和 PC 的许多功能 使其可以向上吞并一些 DCS 的 市场 如现在很多自备电厂和化工行业都不再使用 DCS 而改用 PLC 去完成 横向来说 PLC 发展出了许多专用的 PLC 包括数控专用 车用 设备专用等 同时 DCS 也向下发展了许多有个性的产品 使其可以代替一部分 PLC 的产品 如淅大中控 淅大中自的某系列产品就做得比较小 只有几个回路 带显示屏 可以满足一些行业的需 要 1 2 现场总线和 FCS 在软 PLC 出现后不久 一场新的技术浪潮冲进了工控市场 这就是现场总线 同时现场总 线派生出来 FCS 的理念 在当初 我也是 FCS 的拥护者和开发者 深信在芯片能力越来越 强 价格越来越低的今天 FCS 才是未来的控制系统 可是在实际的开发和应用过程中 我 们发现全分散之后不光成本升高了 维护也变得更困难 因为所有的节点都依赖网络 而 网络的可靠性就变成了一个瓶颈 这么长的网线 有任何一段出现短路或者开路都会有致 命的损伤 如果采用冗余的网络和系统 则在成本方面大增 并且分散后的逻辑 会因为 一个中间节点的故障导致整个系统的重大错误 当然如果用户对分布式控制理念有很深的 理解当然没有太大的问题 但事实上让用户工程师理解这么复杂的拓朴结构和考虑这么复 杂的现场结构是不现实的 除非是在未来的神经元网络芯片研发方面有新的发展 可以在某一个逻辑运算节点损坏后 自动由另一个逻辑节点替代 同时需要更好的基于网络的逻辑编程软件 这个软件可以对 于分布式的控制器进行合理的逻辑切分 并且对任一个节点损坏后出现的状况能有合理的 处理方式 或是保护或是不理 FCS 发展的理想地步是只有传感器和执行器而没有单独的 控制器 所有的传感器将自己的参数传给需要的执行器 各个执行器根据网络得到的参数 运算并进行控制 同时将自己运算得到的中间值传给其它的执行器 因为有了中间值的问 题 所以整个控制网络将变得相当复杂 每个有中间值的点都必需有合理的处理策略 理 想的情况下 是当中间逻辑点出现问题后 能由任一个逻辑点进行替代 或者进行合理的 保护策略 在可以预见的时间内我们将看到能满足所有要求的全新的 FCS 出现 在通信方 面也会变得更灵活和更可靠 目前在经过若干年的研究后 大家都形成了一个暂时的共识 那就是 根据现场的实际情 况选择分布还是集中 很多情况下是一种整体分散局部集中的方式是最适合的 比方在冶 金行业 很多现场使用 S7 400 做为主站 用 S7 300 做为子站 把子站分布在现场 每个 子站负责一个具体的任务可者一个工段 这样一方面当网络出现问题时 各个子站可以很 好的处理自己的任务 同时每个子站到设备的距离减至了 100 米以内 使布线和维护变得 相对简单了 现场总线的技术浪潮中有一个很有意思的情况 那就是 IEC61158 的制定过程 这个过程充 分的反应的各大利益集团的冲突 大家为了保护自己的利益在长达 15 年的时间内竟然未能 达成一个真正有意义的协议 最后的结果是变成了 8 种标准并存 后来又扩到了 13 种 有 14 种标准 但有一种退出了 标准的范围也从最初的涵盖过程 楼宇 电力等退到了只 包含过程控制 这次争论的结果是当时的制定委员会的负责人在标准通过的当天宣布辞职 他说 太多的标准意味着没有标准 其实我个人认为做一个统一的标准包含所有行业目 前来看不太现实 各个行业的关注点也不同 像一般过程控制大家可能选 PROFIBUS 等 楼控可以选 LONWORKS 数采和单一设备间通信可以选 MODBUS 等 但同一行业内实在应 该制定一个统一的标准 我就常常为了联西门子或者 AB 的控制系统而伤脑筋 我个人对 PROFIBUS 比较有感情 因为在前几年用了两个人年做了一块 PROFIBUS 的主站芯 片 用 FPGA 做的 把整个 PROFIBUS DP 的数据链路层的状态机完整实现了 PROFIBUS 可 以说是一个很好的块通信协议 对于可靠性方面处理是相当完备的 完全是德国人的思维 方式 相当严谨 诊断 参数化 配置 诊断 数据交换 PROFIBUS 最大的优点是状态机 与通用处理器之间的多缓存结构 使通信的实时性和可靠性得到了保护 1 3 PC BASE PC BASE 刚出现时也是在工控界引起了很大的反响 那个时代的控制器都是相当贵的 我 记得当时一块西屋公司 WDPF 控制系统的 250M 硬盘卖 5 万块 而 PC 硬件的低成本对于大 家来说是相当大的吸引力 当时的工程师分为两派 一派认为 PC 是为商用开发的 控制界 只能吸收其有用的技术 而另一派认为 PC 技术的广泛应用 有如此之多的软件和硬件资源 可供利用 对于控制器的标准化和降低成本有很大的好处 在这个过程中 国内的工控厂商包括 DCS PLC 和各种专用控制器都广泛的采用了 PC BASE 结构来开发新产品 当时大多使用 386 和 486 其中 ICOP 的 386X M6117D 是其中最好的 工业级 386 CPU 可惜我只能买到 M6117C 只好改用了 MAPLE 的 486DX4 100M PC BASE 在近些年的发展之中遇到了一个很大的问题 当初大家之所以选用 PC BASE 是因 为开发方便 特别是 DOS 年代和 WIN98 年代 大家可以在一周的时间编写出一个很复杂的 控制类程序 在刚有网络的时候 大家通过 BBS 互通有无 当时感觉有一种一切均在掌握 之中的感觉 现在 DOS 使用者越来越少 于是很多的厂商在引导工程师走 WIN 的平台 而 WIN 对于底 层的屏蔽使广大底层软件开发工程师感到郁闷 因为 WINNT 体系的 WDM 驱动程序开发需 要用到 DDK 工具 就算是使用 XTOOLS 之类的简易开发工具又让人有一种隔鞋搔痒的感觉 让 PC BASE 的开放性和方便性大大的被抵消了 同时 WINNT 体系的低可靠性让大多数工程 师望而止步 2 0 以前的 WINCE 也是一个让人发狂的软件 不光可靠性差 实时性也相当差劲 让人怀 疑这玩意只能用来做做显示屏 后来 wince2 0 出来后还好一点 但个人对 WINCE 还是有抵 触 可能是当初吃苦头吃多了 总认为一个工控产品不适合选用 WINCE 做操作系统 因为 WINCE 的系统结构包括兼容性 开放性 图形方面的优点都是针对手持消费类产品的 如 PDA 之类 对于工控需要的高实时性和高可靠性实在有点不及格 这一方面 linux 要更差一 些 因为 linux 是为商用电脑开发的 很多公司都在为 linux 进行减肥并把抢占式的调度机 制强行加入 linux 从而可以使嵌入式 linux 可以用在嵌入式的环境 但 WINCE 有的缺点它 也都有 同时还要更严重 所以也不是一个好的选择 在操作系统方面 其实像 VXWORKS 和 NECLUES 之类的可能是一个不错的选择 因为用户类多是工业方面的 对系统的可控制 性比较强 如果是高要求的开发者还可以买源码 这样如果操作系统内有问题就可以自己 调试 我们就发现 NECLUES 操作系统的 8019 驱动方面有问题 主要是实时高速通信会有 堵塞的问题 后来发现这一部分代码是从 linux 的源码中拷过来的 所以 linux 也有类似的 问题 对于 PC BASE 更要命的是低档 X86 的配套芯片都已停产 包括 DRAM 等 使大家想接着使 用 386 486 586 都不可能了 我一直很喜欢 ICOP 的 M6117 可惜现在 DRAM 真是买不 到新货 全吃库存了 除非使用旧芯片 当时我们花了三年多的时间试用过多种不同类 型的中高档 CPU 想选一款理想的处理器而不可得 那个时侯民品方面的工程师都将目光转 向 ARM 因为大多数情况下在 WINCE 和 linux 上开发 X86 的软硬件比在 ARM 或者 AVR 处 理器上开发类似的程序难度差别不大 而且 ARM 的成本比 X86 要低很多 我们试用了几种 ARM 后 当时 AD 公司的工业用 ARM 还没出来 感觉 ARM 用在工业上面不特理想 大把 显示 音频 VGA 以太网 MAC 之类的功能都在工控常规平台内用不上 而且 ARM 的抗 电磁兼容方面也是一个头痛的问题 对于一般要求的 2000V 快速脉冲还可以满足 但再向 上走就很难做到 在 PC BASE 发展过程中大多数厂商都遇到了 PC BASE 单体成本高 需要用户有较强的开发 能力的问题 使 PC BASE 的量很难做大 对公司的技术支持的能力和要求也很高 为此很 多工控机的厂商都找到了像 KW infoteam ISAGRAF 3S 这样的软逻辑开发商 利用工控 机或者 PC104 IO 板卡来组成一个控制平台 这种控制平台最大的优点在于可以支持现有 PC 的各种资源 使监 控可以做在一体 缺点主要是从小 PLC 来说 从本太高 从中大型 PLC 来说点数又太少 同时抗干扰和抗振动方面存在许多架构性问题 1 4 PLC DCS PC 的交叉点 在各种现有技术的发展过程中 因为 IC 技术 通信技术 软件技术的高速发展 PLC DCS IPC 在近几年出现了相当多的交叉和重复 基本上变成了有一部分 PLC 看起来 更像 DCS 而一部分 IPC 改头换面之后其实与大多数的软 PLC 并无二样 也采用模块化结 构 也使用 IEC61131 3 的五种语言 在使用上面比大多数的 PLC 更加容易更加偏软件 这些年经常见到一些朋友问倒底 DCS 与 PLC 的区别是什么 IPC 软逻辑之后是不是 PLC 这个问题真是一个很模糊的问题 因为差别实在是太小了 我曾经研发了五年的 DCS 又研 发了四年的 PLC 其中更多次使用 IPC 软逻辑开发过 PLC 的产品 所以从我们做研发时的 定义来分别这几种产品吧 DCS DCS 原来设计主要是为顺序控制开发的 一般循环的速度要求不高 大多数在 50ms 1 秒 以上可以设 但 DCS 应用的场合主要是电厂的主控 化工 造纸等 这些场合是一些比较 复杂的模型 需要很强的模拟量运算能力 同时大多数 DCS 都会针对不同的行业开发不同 的功能块 使用户在使用时不需要自己用 PID 之类的算法做控制 而是更抽象到了模型或 者回路这一层 另外 DCS 的用途中点数通常比较多 很多大系统加上中间点可以达到 20 万点以上 硬 IO 点数也在数万点之多 如果用一台控制器当然是很困难的 所以大多数 DCS 在多 DPU 协同 工作方面有很强的能力 每一个 DPU 内均有一块实时数据库 实时数据库按站数和内外分成多块 每个站都用广播 方式将自己的变量全量发送出去 同时每个站都会接收和更新其它站广播过来的全局变量 这样使每个站都可以实时的得到其它站的数据 从而使 DCS 可以很好的控制一个大系统 PLC 小型微型 PLC 倒没什么冲突 因为结构和低成本的原因与其它两类产品完全不同 而中大 型因为大量使用 PC BASE 技术使其与 DCS 和 IPC 软逻辑基本上没有差别 只是因为这些厂 商大多之前就是 PLC 厂商而且客户群都是 PLC 的客户 所以他的产品也叫 PLC IPC 软逻辑 在十几年前美欧的几个专家在这个问题有过一段很长时间的争论 围绕了一个问题是 IPC 软逻辑如何实现才是合理的 因为当时主要有几种声音 一种是完全反对 IPC 在控制中的 使用 因为显而易见的可靠性问题 和操作系统的兼容性与可靠性如何并重 另一种是完 全支持 IPC 在工控中的应用 并认为要完完全全的使用标准的 PC 软硬件 这样才可以使兼 容性和开放性的优点充分体现 最后一种是一种折中的方案 把 PLC 插入 IPC 内 做为 IPC 的一个板卡 在实现上面也有这么几种方案 方案一 标准操作系统 包括 WINNT 含 XP 2000 NT 等 linux DOS 加软逻辑软件 方案二 标准操作系统加 PLC 卡 这样当电脑死机时控制不会受影响 重启电脑并不影响 PLC 同时 PLC 与 PC 之间通过共享内存或者双口 RAM 进行数据交互 使其可以有 PC 的开 放性和各种资源同时可以保证控制部分的可靠性 方案三 重新设计的硬件系统如模块化结构再加上软逻辑软件 使其硬可靠性与 PLC 完全 相同 从上面的方案一看 在一些特殊的应用场合有一部分市场 主要是在运控 图像 显示方 面有其很大的优点 方案二是一个很保守的做法 但成本方面比较高 方案三其实已经是 一个 PLC 了 1 5 数控系统 数控系统的实现目前也有好几种方案 方案一 通用 PLC 带数控功能 这对于需要逻辑控制又需要相对简单的位置控制的用户来说是一个很好的选择 无论是成 本和开发都有很多优势 不过通用型的 PLC 大多没有联动和插补指令 部分产品有 并且 不支持 G 代码 无法与 CAD 软件进行接口 方案二 专用的数控系统 这种系统有很多使用 PLC 的平台加 DSP 加 FPGA 实现 高档的这种系统可以与 CAD 软件无 缝联接 从 CAD 导出来的 G 代码在经过编缉或者不需要编缉下载到控制器内就可以做出各 种对应的动作出来 该种系统对于多轴联动控制和插补 G 代码均有很强的支撑能力 同时 一般带有显示 可以在运行时同步在显示屏上显示运动的轨迹 方案三 IPC 数控板卡 这是国内数控厂商的主要形态 有灵活性高的优点 但很多系统不支持标准的 G 代码 而 是要用户使用 C C 语言或者 VC 去编写对应的控制程序 由板卡厂商提供函数库 当然 目前大多数情况下是由数控厂商代用户完成这一部分的编程 这种开发方式的优点是显而易见的 厂商的开发成本低 灵活度高 但是需要厂商提供相 当多的技术支持 如果客户数量大后很难有足够的支持能力 所以这类厂商大多都在开发 通用的数控平台 并仍然使用 IPC 平台在上面开发通用型的数控系统 1 6 楼控 楼宇控制可以说是一个很好玩的行业 价格奇高 但功能却不并复杂 所以现在有很多工 程商在使用小点数的 PLC 组网代替 DDC 但在易开发方面相对要差一些 主要是楼宇本身 是高利润行业 大家对一个点近千元的价格并不感到无法承受 只有当楼市价格下降竞争 大了才会有可能重视成本方面 我个人认为未来楼控很难做为一个单独的控制器种类存在 而会被其它产品给吞并 1 7 数采 数采行业因为受到了 GPRS GSM 等业务的影响 正出现一次比较大的变革 特别是在远 距离方面 传统的 MODEM RTU 方式正受到很大的冲击 在我们经手的很多环境监控 管道监控 路灯节能 水文监控方面很少有客户能经受 GPRS DTU 的诱惑 DTU 的基于网 络和透明通信方式深受大家的喜爱 只是目前 DTU 的价格相对而言还是比较高 如果能掉 到 GSM MODEM 的价格就比较合适了 2 未来的控制系统 前面讲了这么多历史 下面我们来看看我心目中的未来控制器 在经过 FCS 和现场总线的浪潮过后 各大公司好像都累了 这几年大家都在底头为下一代 的控制器做各种研发和准备 在这个过程中 我们与东芝 AB 思博等公司进行了比较深 入的合作和交流同时也有了一些自己的想法 将来的控制器将会分为以下三类 第一类 单芯片控制器 单点价格在 10 元左右 支持可编程 可以带现场总线或者网络 把位块处理器 通用处理 器 存储器 均合成在一块芯片内 只需要加上很少的外部电路就可以实现一个可编程控 制器的功能 西门子的 LOGO 无疑是这种方案的一个实验者 不需要太多复杂功能 成本要相当低 并 一定要可以联网 这样单点的 PLC 将是一种比较现实的产品 艾驰商城 这一部分的产品目前已经有很多国内外的厂商在做这一方面的研发工作 最大的一个问题 在于取舍 那一部分功能是不需要的 那一部分成本是可以减下来的 是否能很清晰的定 义和标准化这类产品 使其变成一个和低压电器类似的常规电器 并可以结合 FCS 的思想 把这类产品做到未来的智能家居中去 这样一方面量可以足够支撑成本的下降 也可以加 速这种小控制器的标准化 很多朋友可能会想到万可和智国的产品 万可的产品现在价格并不存在这种优势 同时过 份的分离使其成本很难达到要求 而智国的产品只是将 IO 接口 继电器 电源放到外部从 而使其成本显得比较低 实际上加上各种隔离接口后在同样可靠性要求下 其成本并不低 所以个人认为这一部分的产品需要一个比较长时间的标准化和一个大的市场的冲击 个人 认为可能是在下一代的智能家居方面 很多朋友都找我谈过可不可能做一个很低成本的带 无线通信的很少点数的可编程控制器 用于智能家居和智能楼宇方面 但我一直忙于现有 产品的研发和市场推广工作 无力再去开辟一个新战场 当然我相信在国内控制器研发日 益成熟的今天很快就会有人把这种产品开发出来 未来每个灯或每一组灯带一个可编程控制器将不是梦想 我想在未来的三五年之内将可以 看到这一类产品的大放异彩 第二类 多控制系统的通用平台 在一个小体积的前提下 有 PLC DCS IPC 数控等多种控制器 各种控制器之间可以通 过光纤或者超高速的串行总线也可以是背板进行互通 大家可以共享数据和信息 IO 模块 通过串行总线或者背板与 CPU 进行交互 这种结构必需是一种积木式的结构 大家可以在一个统一的结构和平台上按自己的需要选 择不同价格的控制器 IO 模块 比方说你使用的环境是设备控制 不需要复杂的运算 你 就可以只选用 PLC 单元 而半年后 如果用户需要增加历史数据库和监控 那么用户可以 买一个 PC 单元加入现有的控制系统 并通过一些设置和编程从而可以实现他需要的功能 而不需要在边上加一个电脑 当然这个 PC 单元是模块化结构的而不时通常的 IPC 这种控制系统最核心的是一个数据的交互和共享 这包括编程环境的整合和开发工具的完 备 同一个变量必需在不同的控制器内是同样的数据结构 比方说变量 A 是由 PLC 产生的 但 DCS 和 PC 端也需要使用 那么应该可以在同一个集成的开发环境内可以从 DCS 的程序 中看到同样的变量 A 同时在 PC 端的数据库和 HMI 软件上可以使用到变量 A 同时 PC 上 的分析软件和优化软件也可以在同一个开发环境内对控制系统的工艺和算法进行寻优 PAC 是当前这种发展的一个子集 我个人更希望 PAC 按 NI 的方式发展 因为那样才能显示 出一个新品种的特点来 否则与传统的软 PLC 并无二样 就变成了一个纯口号了 这个地方一定要强调 这种多控制系统的通用平台这是一场软件的革命 从硬件角度来说 目前已有相当多的控制系统是带有这些特性的 比方说东芝公司的未世代综合控制器等 他们在同一个背板总线上可以插入三种不同的控制器 分别是 PLC DCS PC 在软件方面 他们也做了相当多的工作 使其可以很方便的进行跨控制器交互 软件方面的交互和工具 的完备需要一个较长的发展时间 大家可以拭目以待 说到东芝公司 日本人的团结使我感到吃惊 目前三菱 横河 东芝 日立有一个共同的 控制系统研究所 这个研究所开发出来的平台和软件可以供这几家公司共同使用 东芝的 负责控系统开发的苋总工也是一位相当有远见的专家 与其多次交流均很受益 使我也相 信了大多数日本人个人并不坏 另外苋先生与德国 infoteam 的布兰德博士和 KW 的老总都 是白发苍苍的长者 让人感到敬佩的是这几位长者对于技术的执着和深入 而国内我见到 很多小伙子二十几岁就开始担心三十岁了能不能还干技术是不