试论PC控制与现场总线

1、 HYPERLINK / 漫谈PC操纵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进展，PC机（工业PC和一般微机）已被越来越多地应用于自动化操纵。但目前看来，PC机在工业操纵中要紧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操纵方案，它以现场总线为基础，用PC机直接代替PLC和NC/CNC操纵设备；它充分利用当今软件技术的进展成果，对传统的操纵系统提出了新的挑战。 现场总线与PC操纵的关系 现场总线集操纵技术、计算机技术、通信技术于一体，是自动化领域的一种新的进展趋势。近十年来，世界上出现

2、了多种有阻碍的现场总线，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，现场总线进展到今天，已成为一种成熟的数字式通信和操纵网络。 现场总线在PLC操纵方面的应用能够有以下两种方案： 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操纵软件 本文要紧讨论第2种方案，即利用现场总线技术，在PC机上完成PLC操纵。 PC操纵技术把操纵、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

3、法比拟的强大功能。能够讲，PC操纵极好地体现了现场总线集操纵技术、计算机技术、通信技术于一体这一差不多特点，采纳PC操纵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机的潜在功能制造了条件，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操纵的输入/输出层面显示出专门好的性能。现场总线与PC操纵技术的紧密结合，使PC操纵成为越来越有吸引力的操纵手段。 PC操纵的特点和优势一、传统的操纵方法与基于现场总线的PC操纵相比较：1. 采纳传统的操纵方法，对现场信号需要进行点对点的连接，同时I/O

4、端子与PLC 在一起，被放在操纵柜中，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。而采纳现场总线技术后，接线特不合理，所有的I/O模块均放在工业现场，同时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，进而把现场信号特不简捷地传送到操纵设备上。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操纵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

5、和编程语言，比如西门子公司的Step 5. 因此，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靠性，用户选择产品的自由度因此受到限制。 而PC操纵采纳标准软/硬件，互换性好，更新换代容易。它采纳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，而且能够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. 能够不受干扰地传输数据。 采纳现场总线技术后，各种模拟信号在现场就

6、被转换成标准的数字信号，因此在往操纵室传送时不易受周围环境的干扰，同时能够克服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，在某些场合还可采纳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能够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操纵具有传统的PLC系统无法比拟的通信和网络功能，它能够连接现场总线，也能够和Ethernet等网络相连，形成现场操纵、工序导向、车间治理、厂级治理四个数据治理层次。6. 由于采纳多任务的Windows NT 操作系统，PC机中的软PLC可

7、同时执行16个PLC任务，如此就大大提高了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： 推断一种机械操纵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命令的时刻设定为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。因此能够讲，PC操纵技术是一种最快的PLC操纵。随着CPU处理器的计算能力不断提高、主频速度不断加快，PC操纵所带来的功效是令人信服的。8. 现场总线与DCS系统相比 - DCS采纳一对一的模拟信号传输，布线复杂，信号容易衰减并容

8、易 受干扰。 - DCS不是开放系统，互操作性差 - DCS一般由操作站、操纵站等组成，结构复杂，成本高 为了适应现场总线的进展趋势，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或其他操纵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操纵系统之间不可缺少的通信系统，也是PC机对现场设备实施操纵的重要环节。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

9、能执行器、智能操纵仪表）。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。从某种意义上来讲，现场总线智能I/O模块取代了智能现场仪表的某些功能，使老的操纵系统也能被改造成现场总线操纵系统。本文在此要紧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，随着欧洲几种有阻碍力的现场总线（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操纵器，也确实是讲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1

10、995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模块的要紧功能和特点：应用范围广适用于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)。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。不仅可用于PC操纵，也可与传统的PLC和CNC设备配套，

11、或单独用于数据采集。2. 体积小，安装、维修方便模块的外形尺寸为：厚12x高68x长100mm，拆装采纳插拔式操作，不需要专门工具。模块间连接采纳弹簧片结构，连接可靠。各种模块能够自由组合。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操纵点，只需要在某个子站上增加几个输入/输出模块即可。品种全、功能强能够满足从传感器到执行部件的各种I/O的要求，可处理数字、模拟及各种专门信号，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。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

12、离状态下进行传递。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，采纳高速率、全数字式传输，使数据传输有专门好的完整性、可靠性和抗干扰性。 带有自动寻址、自我诊断、容错记录和模块型号识不系统。二、倍福I/O模块的差不多用法 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。从耦合器能够最多可引出64个模块，每个模块能够是两通道，也能够是四通道或八八通道，即每个耦合器能够引出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

13、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，并依照点数多少和分布情况建立多个子站。 德国倍福现场总线还能够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。如此使你灵活配置。TWinCAT 工控软件概要 如上所述，要想用PC操纵代替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进展的最新成果，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. 其要紧特点是：1. 采纳标准的软、硬件，有专门好的开放性可在任何

14、兼容的Intel结构上运行(工业PC，一般微机)Windows NT 4.0操作系统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的梦想操纵分布式I/O，支持各种现场总线标准可通过OCX，DLL等接口与Fix,Intouch等公司的监控软件组成强大的工业操纵系统。也可用VB、VC等软件工具自行开发上层治理软件，产生友好的人机界面。2. 采纳多任务实时操纵，有专门强的功能 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轴位操纵及用户需要完成的专门任务进行多任

15、务的时刻安排。同时在一台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、系统操纵器、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操纵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操纵技术在国内的应用实例：用户单位： 湖北二汽装备设计研究院项目概要： 采纳PC机操纵方案和PROFIBUS现场总线，用于汽车工业生产车间的 流水线治理和刀具质量监控。用户还利用TW

16、inCAT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。用户单位：鞍山钢铁公司自动化研究所项目概要：采纳PC操纵方案和倍福公司的Lightbus现场总线，用于热/冷轧机钢板 厚度测量和操纵系统。除了PLC操纵以外，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操纵技术在国外有专门多成功的应用实例，比如德国克虏伯公司鼓风高炉车间的旧操纵系统改造，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操纵技术的进展前景 工业PC在以后有可能取代现有的PLC和NC系统，成为一种新的操纵方案。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 PL