試論P(yáng)C控制與現(xiàn)場總線

1、 HYPERLINK / 漫談PC操縱與現(xiàn)場總線德國倍福電氣有限公司北京代表處梁 力 強(qiáng) 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速進(jìn)展，PC機(jī)（工業(yè)PC和一般微機(jī)）已被越來越多地應(yīng)用于自動(dòng)化操縱。但目前看來，PC機(jī)在工業(yè)操縱中要緊被用作上位機(jī)進(jìn)行集中監(jiān)控，完成可視化人機(jī)操作界面、過程圖形顯示、數(shù)據(jù)庫、通信、聯(lián)網(wǎng)等功能。本文所要介紹的是一種嶄新的PC操縱方案，它以現(xiàn)場總線為基礎(chǔ)，用PC機(jī)直接代替PLC和NC/CNC操縱設(shè)備；它充分利用當(dāng)今軟件技術(shù)的進(jìn)展成果，對傳統(tǒng)的操縱系統(tǒng)提出了新的挑戰(zhàn)。 現(xiàn)場總線與PC操縱的關(guān)系 現(xiàn)場總線集操縱技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)于一體，是自動(dòng)化領(lǐng)域的一種新的進(jìn)展趨勢。近十年來，世界上出現(xiàn)

2、了多種有阻礙的現(xiàn)場總線，并得到廣泛的應(yīng)用。比如已成為德國和歐洲標(biāo)準(zhǔn)的Profibus現(xiàn)場總線，截止98年6月，在全球已擁有20萬個(gè)成功的應(yīng)用實(shí)例?？梢姡F(xiàn)場總線進(jìn)展到今天，已成為一種成熟的數(shù)字式通信和操縱網(wǎng)絡(luò)。 現(xiàn)場總線在PLC操縱方面的應(yīng)用能夠有以下兩種方案： 1. PLC + 主站接口卡 + 遠(yuǎn)程I/O子站 + PC機(jī)（用于監(jiān)控） 2. PC機(jī) + 主站接口卡 + 遠(yuǎn)程I/O子站 + PLC操縱軟件 本文要緊討論第2種方案，即利用現(xiàn)場總線技術(shù)，在PC機(jī)上完成PLC操縱。 PC操縱技術(shù)把操縱、可視化、通信和網(wǎng)絡(luò)等多種功能集成在一臺(tái)機(jī)器上來完成，運(yùn)算速度快，軟件資源豐富，具有傳統(tǒng)的PLC系統(tǒng)無

3、法比擬的強(qiáng)大功能。能夠講，PC操縱極好地體現(xiàn)了現(xiàn)場總線集操縱技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)于一體這一差不多特點(diǎn)，采納PC操縱有利于促進(jìn)現(xiàn)場總線的推廣和應(yīng)用。 反過來，現(xiàn)場總線也為充分發(fā)揮PC機(jī)的潛在功能制造了條件，提供了用武之地。只要在PC機(jī)上插一塊主站通信卡，從通信卡引出一根雙絞線，即可連接上百個(gè)子站、成千上萬個(gè)輸入/輸出點(diǎn)。現(xiàn)場總線技術(shù)作為PC操縱的輸入/輸出層面顯示出專門好的性能?，F(xiàn)場總線與PC操縱技術(shù)的緊密結(jié)合，使PC操縱成為越來越有吸引力的操縱手段。 PC操縱的特點(diǎn)和優(yōu)勢一、傳統(tǒng)的操縱方法與基于現(xiàn)場總線的PC操縱相比較：1. 采納傳統(tǒng)的操縱方法，對現(xiàn)場信號(hào)需要進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)的連接，同時(shí)I/O

4、端子與PLC 在一起，被放在操縱柜中，而不是放在現(xiàn)場。這就需要鋪設(shè)大量的信號(hào)輸送電纜，不僅費(fèi)料而且費(fèi)時(shí)。而采納現(xiàn)場總線技術(shù)后，接線特不合理，所有的I/O模塊均放在工業(yè)現(xiàn)場，同時(shí)所有信號(hào)通過分布式智能I/O模塊在現(xiàn)場即被轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)。它只需一根電纜就可把所有的現(xiàn)場子站連接起來，進(jìn)而把現(xiàn)場信號(hào)特不簡捷地傳送到操縱設(shè)備上。2. 傳統(tǒng)的PLC設(shè)備沒有可視化功能，而PC機(jī)帶有高清晰度顯示器和現(xiàn)代化人機(jī)界面，能連接掃描儀和打印機(jī)等標(biāo)準(zhǔn)外圍設(shè)備，并能通過調(diào)置解調(diào)器進(jìn)行電話遠(yuǎn)程監(jiān)測。二、PC操縱與現(xiàn)場總線相結(jié)合所帶來的優(yōu)勢1. 開放性好，獨(dú)立于生產(chǎn)廠家 大多數(shù)PLC生產(chǎn)廠家自成一體，有自己的專用開發(fā)系統(tǒng)

5、和編程語言，比如西門子公司的Step 5. 因此，更換PLC供應(yīng)商就意味著要學(xué)習(xí)一種新的編程語言，這往往給用戶帶來一些不便。而且一旦選用了某家產(chǎn)品，從硬件到軟件就勢必對它產(chǎn)生依靠性，用戶選擇產(chǎn)品的自由度因此受到限制。 而PC操縱采納標(biāo)準(zhǔn)軟/硬件，互換性好，更新?lián)Q代容易。它采納IEC 1131-3五種國際標(biāo)準(zhǔn)編程語言，編程和開發(fā)工具是完全開放的。另外，Windows操作系統(tǒng)不僅帶給你友好的操作環(huán)境，而且能夠在世界范圍內(nèi)獲得開放性標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)系統(tǒng)的支持。2. 傳輸速率高。 以Profibus 為例，最高速率可達(dá)到12M bit/秒3. 能夠不受干擾地傳輸數(shù)據(jù)。 采納現(xiàn)場總線技術(shù)后，各種模擬信號(hào)在現(xiàn)場就

6、被轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字信號(hào)，因此在往操縱室傳送時(shí)不易受周圍環(huán)境的干擾，同時(shí)能夠克服4-20毫安模擬信號(hào)在傳輸過程中衰減的問題。為了提高抗干擾能力，在某些場合還可采納光纖電纜作傳輸介質(zhì)。4. PC系統(tǒng)在數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和備份方面顯示出明顯的優(yōu)越性。利用工業(yè)PC或微機(jī)上的硬盤和軟盤能夠讀入或輸出生產(chǎn)數(shù)據(jù)，能將加工程序、加工記錄、運(yùn)行數(shù)據(jù)儲(chǔ)存到磁盤中作備份處理。 5. PC操縱具有傳統(tǒng)的PLC系統(tǒng)無法比擬的通信和網(wǎng)絡(luò)功能，它能夠連接現(xiàn)場總線，也能夠和Ethernet等網(wǎng)絡(luò)相連，形成現(xiàn)場操縱、工序?qū)颉④囬g治理、廠級治理四個(gè)數(shù)據(jù)治理層次。6. 由于采納多任務(wù)的Windows NT 操作系統(tǒng)，PC機(jī)中的軟PLC可

7、同時(shí)執(zhí)行16個(gè)PLC任務(wù)，如此就大大提高了PC機(jī)資源的利用率。此外，PC機(jī)上的PLC有在線調(diào)試和在線仿真功能，大大改善了編程環(huán)境。7. PC機(jī)的CPU效率高于PLC系統(tǒng)： 推斷一種機(jī)械操縱可用性的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)是運(yùn)行速度。目前一臺(tái)中速PLC處理1K命令的時(shí)刻設(shè)定為2毫秒，折算成CPU的計(jì)算速度是0.5MIPS，而一臺(tái)486PC機(jī)的CPU計(jì)算能力即可達(dá)到6-10MIPS。因此能夠講，PC操縱技術(shù)是一種最快的PLC操縱。隨著CPU處理器的計(jì)算能力不斷提高、主頻速度不斷加快，PC操縱所帶來的功效是令人信服的。8. 現(xiàn)場總線與DCS系統(tǒng)相比 - DCS采納一對一的模擬信號(hào)傳輸，布線復(fù)雜，信號(hào)容易衰減并容

8、易 受干擾。 - DCS不是開放系統(tǒng)，互操作性差 - DCS一般由操作站、操縱站等組成，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高 為了適應(yīng)現(xiàn)場總線的進(jìn)展趨勢，許多知名的PLC生產(chǎn)廠家紛紛推出了與其PLC配套的現(xiàn)場總線接口卡，比如西門子、AB公司、三菱、OMRON等，以便使他們生產(chǎn)的PLC或其他操縱設(shè)備能夠被融入現(xiàn)場總線系統(tǒng)。 現(xiàn)場總線輸入/輸出系統(tǒng) 現(xiàn)場總線輸入/輸出系統(tǒng)是現(xiàn)場總線系統(tǒng)中現(xiàn)場設(shè)備與操縱系統(tǒng)之間不可缺少的通信系統(tǒng)，也是PC機(jī)對現(xiàn)場設(shè)備實(shí)施操縱的重要環(huán)節(jié)。其中現(xiàn)場總線智能I/O模塊又是該系統(tǒng)的重要部件，尤其在對舊設(shè)備的改造中大顯身手，因?yàn)樵谂f設(shè)備上一般沒有智能化儀表（如同F(xiàn)F總線所要求的那些智能變送器、智

9、能執(zhí)行器、智能操縱儀表）。而現(xiàn)場總線智能I/O模塊能夠采集來自非智能變送器的4-20毫安模擬信號(hào)并在當(dāng)?shù)赝瓿赡?shù)轉(zhuǎn)換。從某種意義上來講，現(xiàn)場總線智能I/O模塊取代了智能現(xiàn)場儀表的某些功能，使老的操縱系統(tǒng)也能被改造成現(xiàn)場總線操縱系統(tǒng)。本文在此要緊介紹德國倍福電氣公司( Beckhoff ) 生產(chǎn)的現(xiàn)場總線輸入/輸出模塊。 自八十年代末開始，隨著歐洲幾種有阻礙力的現(xiàn)場總線（Profibus, Interbus-S, CANBus等）相繼問世，急需要解決的問題是，如何把來自現(xiàn)場的各種信號(hào)通過現(xiàn)場總線傳送給主站操縱器，也確實(shí)是講要解決工業(yè)信號(hào)的數(shù)字化傳輸問題。德國倍福公司及時(shí)看到了市場的這一需求，從1

10、995年起研制開發(fā)了基于現(xiàn)場總線的遠(yuǎn)程I/O模塊。由于這種新的I/O模塊結(jié)構(gòu)小巧、功能齊全、使用方便，產(chǎn)品一問世就受到市場的普遍歡迎。 一、倍福公司I/O模塊的要緊功能和特點(diǎn)：應(yīng)用范圍廣適用于Profibus-DP/FMS, InterBus, CANopen, DeviceNet,ControlNet,Modbus,SERCOS,RS232,RS485,Ethernet TCP/IP,USB, Lightbus等多種現(xiàn)場總線(目前正在開發(fā)支持Lon Works的模塊)。可用于各種工業(yè)場合，如生產(chǎn)流水線、機(jī)械加工、樓宇自動(dòng)化、數(shù)據(jù)采集等。不僅可用于PC操縱，也可與傳統(tǒng)的PLC和CNC設(shè)備配套，

11、或單獨(dú)用于數(shù)據(jù)采集。2. 體積小，安裝、維修方便模塊的外形尺寸為：厚12x高68x長100mm，拆裝采納插拔式操作，不需要專門工具。模塊間連接采納彈簧片結(jié)構(gòu)，連接可靠。各種模塊能夠自由組合。每個(gè)模塊處理2路信號(hào)，配置靈活、經(jīng)濟(jì)，組態(tài)方便。擴(kuò)展時(shí)如想增加I/O操縱點(diǎn)，只需要在某個(gè)子站上增加幾個(gè)輸入/輸出模塊即可。品種全、功能強(qiáng)能夠滿足從傳感器到執(zhí)行部件的各種I/O的要求，可處理數(shù)字、模擬及各種專門信號(hào)，包括熱電耦、熱電阻、位移編碼器、記數(shù)器、RS 232/RS485和各種編碼器產(chǎn)生的信號(hào)等。數(shù)據(jù)傳輸安全可靠按照防電磁干擾的要求設(shè)計(jì)制造，模塊內(nèi)部采取三級隔離，模塊之間有電位隔離，從而保證信息在電隔

12、離狀態(tài)下進(jìn)行傳遞。接線端子和信號(hào)處理電路（含模/數(shù)轉(zhuǎn)換）集成在一個(gè)端子模塊中?，F(xiàn)場的4-20毫安信號(hào)在當(dāng)?shù)乇晦D(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)后，采納高速率、全數(shù)字式傳輸，使數(shù)據(jù)傳輸有專門好的完整性、可靠性和抗干擾性。 帶有自動(dòng)尋址、自我診斷、容錯(cuò)記錄和模塊型號(hào)識(shí)不系統(tǒng)。二、倍福I/O模塊的差不多用法 I/O端子和現(xiàn)場總線之間用一個(gè)總線耦合器來連接，總線耦合器是I/O模塊與現(xiàn)場總線之間的接口。不同類型的現(xiàn)場總線選用不同的耦合器。從耦合器能夠最多可引出64個(gè)模塊，每個(gè)模塊能夠是兩通道，也能夠是四通道或八八通道，即每個(gè)耦合器能夠引出256個(gè)I/O點(diǎn)。上述模塊和耦合器被安裝在DIN標(biāo)準(zhǔn)的35毫米寬的C型導(dǎo)軌上，組成一個(gè)

13、I/O子站，也叫現(xiàn)場總線從站。實(shí)際配置時(shí)，可把相對集中的I/O點(diǎn)放在一個(gè)子站上，并依照點(diǎn)數(shù)多少和分布情況建立多個(gè)子站。 德國倍?，F(xiàn)場總線還能夠?qū)⒉煌妷航M在一個(gè)總線子站中實(shí)現(xiàn)，即該子站中前一部分為24VDC的電壓采集信號(hào)，后一部分為交流220V的電壓等級，或相反。如此使你靈活配置。TWinCAT 工控軟件概要 如上所述，要想用PC操縱代替PLC，還必須在PC機(jī)上裝一個(gè)軟件形式的PLC。為此，德國倍福公司利用當(dāng)今軟件進(jìn)展的最新成果，在Windows NT 平臺(tái)上開發(fā)了一套集PLC 和NC一體的工控軟件，并把它命名為TWinCAT. 其要緊特點(diǎn)是：1. 采納標(biāo)準(zhǔn)的軟、硬件，有專門好的開放性可在任何

14、兼容的Intel結(jié)構(gòu)上運(yùn)行(工業(yè)PC，一般微機(jī))Windows NT 4.0操作系統(tǒng)IEC 11313 PLC國際標(biāo)準(zhǔn)編程語言：順序功能圖、功能塊圖、梯形圖、指令表和結(jié)構(gòu)文本。不必購買專用編程軟件即可實(shí)現(xiàn)在PC機(jī)上操作PLC的夢想操縱分布式I/O，支持各種現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)可通過OCX，DLL等接口與Fix,Intouch等公司的監(jiān)控軟件組成強(qiáng)大的工業(yè)操縱系統(tǒng)。也可用VB、VC等軟件工具自行開發(fā)上層治理軟件，產(chǎn)生友好的人機(jī)界面。2. 采納多任務(wù)實(shí)時(shí)操縱，有專門強(qiáng)的功能 TWinCAT把PC機(jī)的CPU資源分成實(shí)時(shí)部分和非實(shí)時(shí)部分，可對PLC，PID，I/O，NC軸位操縱及用戶需要完成的專門任務(wù)進(jìn)行多任

15、務(wù)的時(shí)刻安排。同時(shí)在一臺(tái)PC機(jī)上最多可同時(shí)運(yùn)行16個(gè)PLC，每個(gè)任務(wù)獨(dú)立運(yùn)行，互不干擾。TWinCAT系統(tǒng)的分辯率為100微秒。 TWinCAT系統(tǒng)由實(shí)時(shí)服務(wù)器、系統(tǒng)操縱器、系統(tǒng)OCX接口、系統(tǒng)工具箱、PLC系統(tǒng)，CNC系統(tǒng)，輸入輸出系統(tǒng)、用戶應(yīng)用軟件開發(fā)系統(tǒng)、自動(dòng)化設(shè)備規(guī)范接口及自動(dòng)化信息路由器等組成。因篇幅關(guān)系，本文對TWinCAT軟件不作詳細(xì)介紹。PC操縱與現(xiàn)場總線相結(jié)合的應(yīng)用實(shí)例 倍福公司基于現(xiàn)場總線的PC操縱技術(shù)在國內(nèi)的應(yīng)用實(shí)例：用戶單位： 湖北二汽裝備設(shè)計(jì)研究院項(xiàng)目概要： 采納PC機(jī)操縱方案和PROFIBUS現(xiàn)場總線，用于汽車工業(yè)生產(chǎn)車間的 流水線治理和刀具質(zhì)量監(jiān)控。用戶還利用TW

16、inCAT開發(fā)環(huán)境及OCX接口，開發(fā)了適合于汽車行業(yè)的動(dòng)態(tài)顯示監(jiān)控軟件。用戶單位：鞍山鋼鐵公司自動(dòng)化研究所項(xiàng)目概要：采納PC操縱方案和倍福公司的Lightbus現(xiàn)場總線，用于熱/冷軋機(jī)鋼板 厚度測量和操縱系統(tǒng)。除了PLC操縱以外，還用VB專門開發(fā)了人機(jī)操作界面。該系統(tǒng)在98國際機(jī)電一體化展覽會(huì)上作了演示。 倍福公司基于現(xiàn)場總線的PC操縱技術(shù)在國外有專門多成功的應(yīng)用實(shí)例，比如德國克虜伯公司鼓風(fēng)高爐車間的舊操縱系統(tǒng)改造，瑞典Volvo汽車公司自動(dòng)焊接生產(chǎn)線，德國Mueller Weingarten公司對大噸位壓力機(jī)的改造等等，因篇幅所限，恕不一一介紹。 PC操縱技術(shù)的進(jìn)展前景 工業(yè)PC在以后有可能取代現(xiàn)有的PLC和NC系統(tǒng)，成為一種新的操縱方案。目前除了倍福公司的TWinCAT 以外，法國的CJ International，美國的Intellution，PCSoftInternational公司以及臺(tái)灣研華公司也相繼推出了自己的軟件 PL