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干货丨如何选择正确的自动化控制器 ?

发布时间:2018-11-09 18:14   类型:行业知道   人浏览

与可编程逻辑控制器(PLC)的最初使命相比,自动化控制器的功能已经要远远多于代替继电器。现在,控制器能够集成逻辑、运动、机器人,以及与其它机器和管理系统进行通信。性能可以从简单设备到多核处理器不等。


传统的PLC、可编程自动化控制器(PAC)和工业控制计算机(IPC)之间的区别主要与处理能力和性能相关,不过现在它们彼此之间的界线正在逐渐模糊。由于遵循国际电工委员会(IEC)61131-3编程规范,控制软件取得了一定程度的标准化。在后台运行的强大的实时操作系统,避免了对基于MicrosoftWindows操作系统的依赖。因此“基于IPC的控制”一词,如果改为“基于Intel或基于AMD”可能更精确,可以反映所使用的强大的主流处理器。


由于现在的自动化控制器除了进行逻辑处理外,还可以做更多其它事情,PLC可能是一个过时的术语。因为所有的自动化控制器都是可编程的,PAC中的“P”也似乎是多余的。控制器基本上是计算机,可以在同一个处理器上运行多个操作系统(实时、MicrosoftWindows和Linux)。IPC可用于控制、数据采集以及不断出现的新任务,比如边缘计算。

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传统的PLCI/O通信响应时间,取决于网络性能、节点数、通信量、CPU性能和CPU负载;采用更严格的集成和开放IEC61131技术的设计,集中软件管理和分散的程序执行,可以提高性能。


控制器功能的考量

在相同的软件环境、相同的程序中,运行在同一个处理器上,协调所有机器的功能,正在变成一种流行趋势。这需要机器功能同步,并且采用模块化代码结构,使得有组织的、有凝聚力的方法成为可能。尽管如此,有些领域却并不需要那么多集成控制,例如简单的应用程序,就没有扩展计划。应用的复杂性和性能需求决定了控制器的规格。选择控制器的时候有很多因素需要考虑,根据应用的不同,您可能需要对下面的注意事项进行考量。



●逻辑

对逻辑控制的基本需求,是为什么我们继续将自动化控制器称为PLC的原因。PLCopen是一个组织,它负责维护和扩展IEC61131-3编程标准的范围,并管理大量的知识、培训和库。该组织的活动,远远超出逻辑控制的范围,包括运动、安全、OPC统一体系架构(UA)、XML等。


●多轴运动

根据应用的复杂度和运动的同步性等需求的不同,自动化控制器可以控制数十甚至数百个运动轴。随着摩尔定律和行业标准的发展,不再需要有专用运动网络的独立运动或机器人控制器。


●网络安全

在北美,硬接线网络安全仍然是首选。网络安全设施与控制机器的设备运行在同一个网络上,已被证明为一个行之有效的控制功能。

网络安全的实现,可以从控制处理器上的冗余内核,到单独的安全控制器,再到小型系统中的安全输入/输出(I/O)来实现。网络安全还延伸到运动安全和机器人功能,允许机器以安全模式运行,而不是直接关闭,从而可以提供卓越的运行效率。


●机器人集成

同一自动化控制器可以集成多个Delta机器人、SCARA机器人、铰接式和龙门式机器人,以及其它机器功能。此外,还可以在IEC61131-3兼容环境中执行运动功能。由于内置了堆垛算法到装配模式,专用机器人控制器可以持续提供有价值的功能。


●机器监控

监视机器的运行状况,是预测维护计划和减少计划外停机的关键一环。控制器可以与各种现有的传感器(如温度探头和加速度计)相结合,以监测实际情况。在发生灾难性故障之前,机器监控还有助于检测异常。能量监测也可应用于压缩空气的使用,加热器和烘干机中的天然气使用,以及用于工艺过程中水的使用等。


●数据处理

自动化控制器可以是网络、OPCUA服务器和客户端。它们具有收集工业物联网(IIoT)数据的功能,并可以从云端或终端接收指令以优化过程。自动化控制器通常将数据发送到制造执行系统(MES)、企业资源规划(ERP)、整体设备效率(OEE)、可信平台模块(TPM)和产品生命周期管理(PLM)软件。在IIoT环境中,接受有用的分析数据也非常重要。


●自动配置

以前,更换新组件(如驱动器)必须手动为设备确定和加载正确的固件版本。现在,自动化控制器可以在无需人工干预的情况下,自动读取设备并提醒技术人员进行必要的调整。


●通信能力

如今,即使是低成本的控制器也有一个或多个以太网通信端口,可与HMI、管理系统、编程和其它非时间关键任务进行通信。对于控制器来讲,支持某种特定类型的工业以太网协议,如EtherNet/IP、EtherCAT、Powerlink、Profinet等,以便组建确定性网络,已经是很常见的。遗憾的是,目前还没有一个获得普遍认可的工业以太网标准,可以提供适合机器控制的高速、确定性的通信。



不过,时间敏感网络(TSN)的发展带来了很大的期望。TSN与OPCUA和OPCUA发布订阅(Pub-Sub)一起,将给IEEE802系列以太网标准带来更多的确定性。工业互联网联盟为其搭建了一个试验台,已经有多个工业自动化供应商参与其中,以证明TSN在机器到机器通信方面的可行性。


TSN是很重要的,这主要是因为要使IIoT能够运作,需要在工厂、企业范围内和云端上实现不同控制平台之间通信的互操作性。如果需要串行接口,则应专门定义,因为目前串行通讯使用的较少。


●安装形式

以下是3种最常见的自动化控制器的安装形式。

1)IP20,机柜安装:这是传统PLC常用的安装形式,有一个单独的HMI,通常使用整体、背板/轨道安装I/O,或远程安装的I/O模块。


2)IP65/67/69K密封,基座或前面板安装:这种形式集成了HMI和控制器,并采用摇臂型安装,可以充分发挥器人体工程学优势,因此变得越来越流行。

除了控制,这种形式还可以集成PC功能,以运行各种MicrosoftWindows应用程序,比如HMI,尽管基于Web的HMI的趋势越来越明显。与类似的控制器相比,基座安装的控制器往往比面板安装更昂贵,需要不锈钢挡板,以及更高的密封要求。

有些人喜欢将面板安装PLC和HMI分开,以避免在其中一个损坏时需要同时更换两个组件。但是现在已经无需担心,因为已经有了可自由拆卸HMI的集成装置。这样,更换较大的屏幕就更容易,或者升级到更强的控制硬件也不需要更换屏幕。


3)IP20,机柜式工控机,配置独立的HMI:就像集成形式一样,这种形式还可以作为一个具有实时操作系统、各种计算机操作系统和网络服务的控制器。控制器可以是独立的,工业计算机专门用于非控制任务,如边缘、雾或云计算。历史库、序列化和视觉检查也是常见的应用。


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先进的自动化供应商可以为用户提供满足不同需求的PLC产品范围,例如从配置固定I/O的微型PLC,到中档PLC,再到能够处理数以千计的I/O的模块化PLC系统。



●可扩展性

虽然软件开发环境通常与硬件(超小、微型、中型和大型PLC)相关,但它也有可能在独立于硬件的开发环境中工作。这意味着首先可以为项目编程,然后再去选择或更改控制硬件。这种灵活性可扩展到马达和驱动器类型。低端的步进或变频器可与高端伺服共享相同的程序。当一系列设备的设计旨在允许复用关键软件元素时,可扩展性的要求就尤为关键。


●CPU性能

从低端到多核处理器有多种类型可供选择,但它们的性能彼此会有重叠。因此,建议与技术提供商的技术支持和销售工程师团队合作,为预期的应用需求选择最佳的性价比方案,因为他们更了解自己的产品。

理想情况下,处理器应具有可扩展性,控制软件才能兼容控制器产品线上的所有产品。自动化技术供应商会对重要组件准备充足库存,以确保产品的可用性,并为替代品提供迁移服务。

此外,还要确定是否需要静音操作,以及安装控制器的预期环境温度。其它散热选项包括风扇、空调、散热器和水冷等。


●内存

固态内存在自动化控制器、可移动介质(如C-Fast卡)以及对成本更敏感的永久安装的应用中已经非常流行。可移动内存的优点是可以轻松地替换它,便于制作和存储备份,并且很容易扩展内存容量。

但是,在使用工业存储卡时需要小心,并确保媒介符合应用所需的规格。不同的存储类型,具有不同的使用寿命,这取决于读写周期。这也是一个需要和自动化供应商讨论的话题。



不同类型控制器的区别

为工厂自动化选择控制器,不仅和是否应该使用PLC、PAC、或IPC有关,它还应该涉及应用要求的定义,包括基本的控制需求以及未来的可扩展性。尤其是可编程软件平台的选择,与选择合适的硬件一样重要,需要在决策过程中发挥重要作用。


无论是机器还是过程控制,典型的控制器系列都包括PLC、PAC和IPC。尽管不同的控制器之间存在诸多差异,但它们的特性与功能正在不断的融合。


虽然PLC是第一个用于替代继电器的控制设备,但到目前为止,PLC仍然是中小型应用的最佳选择。随着对新技术接受程度的提高,PLC的功能也在不断扩展。很多低端PLC使用梯形图逻辑编程,因为这对于大多数应用场合来讲已经足够了。更高端的PLC,则可使用功能块和其它IEC61131-3编程语言。


PAC扩展了PLC功能,包括改进的运动、安全和视觉功能。基于PLC的PAC,作为这类控制器的分支,使PAC功能像PLC一样简单易用,但功能更强大。由于具有更先进的功能,并且可以使用其它高级语言(诸如C语言的变体等),IPC对于更复杂的应用来说是一种理想的选择。

在每个控制器类型中,自动化供应商都可以提供很多配置选项,以及内置和远程输入/输出(I/O)的不同组合。还有从简单串行到以太网等各种通信方式可供选择。硬件配置还可能包括内置I/O(通常称为模块)的独立控制器,可以使用可堆叠的I/O和机架式选项进行扩展。

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控制器选择的注意事项

尽管了解和评估控制器的规格是关键的应用需求,但是工厂人员的能力和未来的连接需求,也是决策过程中的重要考量因素。


控制器选择时,需要考虑的关键注意事项还包括:

●工厂人员的自动化经验;

●I/O的数量和类型;

●所需的控制功能,如闭环比例、积分、微分(PID),运动和速度;

●通信选项;

●数据收集要求;

●特殊功能要求。



    有些设施高度自动化,可以处理各种控制器和设备,而另外一些设备则可能对新技术的熟悉程度有限。PLC是许多行业和应用的主要自动化工具,主要因为它们提供了准确、可靠和可修改的控制,同时由于它们的广泛使用,大家对它都非常熟悉,因此易于工作。

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