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PLC和PAC的较量 谁会是最后的王者?

发布时间:2019-06-10 18:22 来源:未知 编辑:admin

  全球化正在从根本上改变行业领导者如何制定商业目标。这些目标包括,提升工厂和设备利用率,产量,产品质量,可用性,安全性,以及带来绩效,极大地影响自动化的资本投资。自动化供应商,特别是供应商在这样的环境中发展形势看好,这些产品被广泛地应用于工业领域,帮助企业面对提高生产力,降低产品成本,降低工厂运营费用以及提高投资回报率。

  目前很多现代化的工业应用需要更多的功能要求,如网络连接、设备互用、企业数据集成等,这些都远远超过了传统的、基于离散-逻辑控制的PLC所能提供的功能。想要基于PLC的系统实现这些功能,必须用单独的处理器、网关或转换器、运行于独立PC的软件中间件以及企业系统级的专用软件进行综合系统集成。

  然而,随着工业用机器和工厂系统的复杂性的增加,PLC已经很难而且也不可能成为完成所有自动化任务。现在的自动化系统已经超越了PLC的功能范围,使得工业机器领域的工程师必须在自动化系统中集成更多更先进的I/O、处理和控制策略。

  新的可编程自动化控制器(PAC)硬件系统就是这样一个非凡的PLC系统扩展方案,能够很容易整合到PLC系统中,给工业机器增加更多的先进功能,并提高机器的效率。

  不过PLC历史已久,在1969年就已问世,当时PC技术尚未成形,制造现场的整合概念也不多,因此自动化系统多为单独运作(StandAlone),1980年PC技术开始起飞,PCBased在20世纪末期开始跨入自动化领域,由于PC已是企业作业的标准平台,利用PC的高相容性来将作业现场与企业e化系统整合,已成制造业系统建置重点之一。

  PCBased在自动化应用初期被PLC阵营高度质疑,至今市场上仍有相关疑虑,主要问题有三点:

  3.程式设计环境不熟悉-工厂操作员必须有能力掌控系统,以便进行维护或故障排除。使用阶梯逻辑时,他们可以手动强迫1个线圈到达需要的状态,并迅速修补受影响的程式码,以便迅速控制系统,但是PC系统要求操作员学习更新、更高阶的工具。

  不过在整合层面的考量下,也有工程师将PLC配合PC使用,以进行资料记录、连接至条码扫瞄器、将资料加入资料库,以及将资料公布至网站之故。这种架构最大的问题在于,这些系统往往难以组装、故障排除及维护。系统工程师往往必须处理整合不同厂商间的软硬体,然而这些设备在设计时并未考量到整合面,因此在系统整合时会遇到相当大的问题。

  为解决PLC与PCBased的整合问题,美国研究机构ARC提出了PAC架构,PAC英文全名是AutomationResearchCorporation,中文则是可程式自动化控制器,美国国家仪器(NI)指出在ARC透过软体功能的定义,来列出PAC的五大控制特性,包括:

  1.多领域的功能性。在1个平台上至少有2种功能,包括逻辑、运动、PID控制、磁碟以及处理,除了部份在I/O上做变动以配合特殊协定之需要外,逻辑、运动、处理,以及PID,都只是软体的1个函数。

  2.单一的多元化开发平台,结合一般标签及单一资料库,以存取所有的参数及功能。由于PAC是为了高阶应用而设计的,因此它们需要更先进的软体。为了让系统设计更有效率,软体必须是一款单一整合软体套件,而不是未经处理、无法合作无间的分散式软体工具。

  3.透过处理跨越多部机器或处理元件之资料流,并配合IEC61131-3、使用者导引,以及资料管理,使之能够完成设计的软体工具。另外一个简化系统设计的元件是高阶图形化开发工具,它能够轻易将工程师对于过程的概念转变成实际控制机器的程式码。

  4.反应出工业应用环境的开放、模组化架构,从工厂中的机器配置到处理厂中的元件操作皆含括在内。由于所有工业应用都需要大量的自订功能,因此硬体必须提供模组化功能,工程师可以选择适用的元件。软体必须让工程师能够增加及移除模组,以设计所需的系统。

  5.采用实质标准做为网路界面、语言等,例如TCPIP、OPC&XML以及SQL查询。对于现代控制系统而言,和企业网路的通讯是非常重要的。虽然PAC含有乙太网路连接埠,但是通讯用软体是与机构其它部份顺利进行整合的关键。

  PAC融合PLC与PCBased两种技术,在PC层面,会大量应用嵌入式技术,拥有使用软体来定义硬体的能力就是其一,PAC将采用FPGA作为控制元件,FPGA是消费性电子厂商用来制作客制晶片常用的电子元件,可使设备中重设组态逻辑电路,执行多种功能,用于连接功能区块的可程式接点,以及将资料输入及输出晶片的I/O区块。只要定义可重设组态逻辑电路的功能,以及彼此之间和I/O间的连接方式,电子设计者就可以创造客制晶片,而不需要生产客制的ASIC。FPGA就像拥有1部可以重新布署内部电路以执行特定应用程式的电脑。

  过去只有熟悉低阶程式设计语言(如VHDL)的硬体设计师才能运用FPGA技术。但之后系统控制工程师可以利用PC软体撰写程式如NI的LabVIEWFPGA来建立客制控制运算法,将下载至FPGA晶片。此功能让工程师得以将执行上对时间极度要求的功能结合至硬体中,例如极限开关及邻近感测器的侦测以及健康状态监视的应用等。由于控制程式直接在晶片中执行,因此工程师可以迅速建立具备客制通讯协定或高速控制回路的应用程式。

  有业内人士在谈到价值时表示,PAC的所有部件均按软件和硬件集成最灵活、最方便、成本最低为出发点,因此它是跨机械自动化、电气自动化、仪表自动化、计算机等专业的。这些特点使最终用户获得以下收益:设备的生命周期成本较低,资产的投资回报率提高,资产所有者总成本下降。

  虽然部份PLC厂商认为,PAC仍属于PCBased产品,只是换了另一种包装,但就市场整体面来看,PAC的确已逐渐成形,包括西门子在内的大厂,均已纷纷推出产品,未来嵌入式技术将会被大量应用在PAC,成为自动化系统的重要技术之一。

  PAC与PLC广泛应用于工业自动化中,两者孰优孰劣,下面从成本,高级功能,外形结构,控制器,I/O和软件等几个方面的特征作分析。

  采用了单一的控制器节省了成本。它具有单一的控制器和机箱,可用于处理数字和模拟I/O,具有运动、视觉功能和模块化仪器,因此不再需要花钱购买多个控制器。正因为如此,如果需要控制系统具有多种功能,如视觉或模块化仪器,那么采用PAC将是最为经济的选择。

  由于能源或材料的成本很高的,对过程控制来说,工程师往往要对PID控制算法要进行优化,以最大程度地减少浪费。这些算法常常采用如模糊逻辑或神经网络等控制设计技术,从而可以最大限度地降低过程控制的稳定时间。传统的PLC所能实现的PID控制算法并没有为特定的过程控制进行优化,若采用高级的控制算法不仅需要强大的浮点处理器,而且还要占用大量的内存,但若使用PAC平台则可以满足过程控制进行优化的要求。

  对机器运行进行监控的系统中,需要实时采集来自模拟或数字I/O通道的数据,从而能有效地检测故障状态。则可能需要进行实时的阶次跟踪和振动分析等复杂工作才能有效地检测机器的状况。然而对于这些应用,则可以使用PAC的高效平台来进行实时地分析工作。

  利用来自厂房内的实时数据,操作人员可以在控制室内根据所得的信息制定决策。然而,要使控制系统具有输出现场数据的功能是很困难的。企业系统一般采用标准的ODBC,ADO和XML以获得来自自动化系统的数据。PLC只能通过标准的OPC进行通信,这意味着需要增加一台PC来采用OPC获取数据并使用如ODBC(开放数据厍互连)、ADO(数据自动化设计)和XML(可扩充描述语言)这样的标准把数据传送给企业。为了能有效地把现场数据传送到ERP系统中,控制系统必须能直接和外部数据库通信,据此,完全可以使用PAC来完成这些工作。

  在把控制系统与数据库和网络连接时,是需要考虑安全问题的。出于安全的利益,许多厂商选择不把自动化系统和企业数据库相连,但是对于大多数厂商而言,连接所带来的好处要远大于安全方面的顾虑。尽管可以对PLC加锁来防止他人入侵工厂的网络,但是由于PLC通过以太网发送非加密包,所以它并不适合用于防止黑客入侵。PAC在通过网络传送数据时,可以对数据加密。尽管目前这还不是需要考虑的第一因素,但是在将来它将是厂房内分布式系统采用PAC的主要原因。

  PLC只能以固定的速度运行,而且它并不是为能以不同循环速率独立进行处理所设计的。但如今,复杂的控制系统中常需要多种速率的确定性应用,它需要有多个循环,每个循环以不同的速率运行。这就要求能进行并行处理,而只有在PAC上运行的操作系统才具有这样的特性。

  选择PLC的一个常见原因是它能在工厂的环境下正常工作。然而,绝大部分PLC是安装在向列箱内。然而在这样的环境里,PXI平台附加的冷却装置,坚固的外表面和增强的抗冲击和振动指标都使系统具有和PLC相同的可靠性。

  工程师很希望使用柔性的自动化系统来满足不断更新的要求,所以他们需要控制系统具有模块化、灵活性和伸缩性。PLC系统由于受到了I/O的限制,只能在数字和运动方面具有伸缩性,而PAC不仅具有PLC的伸缩性,而且您还可以在系统上增加视觉,模块化仪器或高速模拟I/O。也可以通过以太网来使用多个PC并根据需要增加或减少PC的数目。

  对于现场工程师而言,最大限度地减小故障时间是非常重要的。在对控制系统进行更新或更换I/O模块时,需要能最大程度地减少更换或增加模块的工作量。PAC的模块化特性满足这方面的要求。

  由于采用了现有的硬件来构建基于PAC的系统,所以PAC控制器可使用Pentium4处理器并具备G字节容量的RAM,这样可满足对机器高速状态进行监控时需要高速的处理器和大容量内存的要求。

  PAC则可以根据指定的时间、方式和数据格式来记录数据。如果无法保存和查看历史信息,那么信息还有什么用呢?而PLC传统上就缺乏数据记录的功能。

  传统上,PLC平台的数字I/O只能为工业传感器和激励器提供标准的电压驱动电流。然而,新的如N1651x系列模块的数字I/O则可以提供24V的电压,高达500mA的驱动电流和光学隔离,并且它还具有看门狗定时器,可编程电源启动状态,用于提高安全性和可靠性的输入滤波器等特性,而成本只有每通道5美元。

  目前某些PLC也具有模拟I/O模块,但是它们的编程十分复杂而且不适合用于高分辨率和大数据量的应用。而PAC所提供的模拟输入速率可高达每秒200M并具有24位的分辨率,这主要由于PCI总线技术速度快的原因,故可采用基于PC平台来提供模拟I/O。

  在各种平台中,特别是当您需要高于两轴运动方式时,软件起着主要的作用。在PXI平台上的运动控制器可以提供高达8轴的运动方式,而且可以使用NI运动助手对系统进行轻松地配置。

  数据传输速率是在PLC平台上提供视觉功能的最大障碍。目前,无论是要自动监测零件还是检验药品的包装,都可以在PXI平台上使用用于视觉应用的模拟、数字和FireWire摄像机。可以在控制程序中集成多种视觉算法,如模式匹配,光学字符识别,颜色匹配,规格和颜色检测。

  PAC不仅能作为分布式I/O模块的主控设备,而且也可以作为从属设备添加到已有系统中。

  在PAC平台上可以使用如RTLinux,PharlapETS,QNX和VxWorks这些实时的操作系统(RTOS)。一般来讲,实时系统的编程很困难,但是使用如LabVIEWRT这样的软件可以改变工程师开发实时系统的方式。现在工程师可以把Windows上开发的程序下载到实时运载平台上,如PXl控制器。

  特别是在混杂和过程控制工业中,大多数控制系统需要一个能连接控制系统的人机界面。一个HMI(人机接口)由一个触摸屏组成,它可以包含一个嵌入式控制器也可以没有。由于基于PAC的系统考虑到了用于I/O的相同控制器的使用,所以也就不需要添加额外的嵌入式控制器来实现HMI的图像显示。

  虽然传统的梯形逻辑编程非常适合于数字I/O的编程,然而对于处理模拟I/O、运动或视觉这种编程方式则十分麻烦。PAC可以用通用的语言编写控制程序,为您提供了很大的灵活性,这些通用语言包括C,C,VisuaIBasic,LabVIEW甚至是传统的梯形逻辑。

  由于PAC能为您增加所需的PC功能以用于高级控制,实时分析或连接企业数据库,而且同时保持了PLC的可靠性。如果您不只是需要集成数字I/O和运动控制,或者需要更快的计算机处理能力的话,PAC可能是非常好的选择。为此,当今的工程师除了PLC控制外,其PAC不失为是一种最佳选择,它正占领自动化领域,而PAC概念将在当今和未来的工厂自动化中发挥重要的作用。

  在用户和系统集成商之间,对于PAC的批评声也不绝于耳。有人说,PAC相对于PLC来说价格高、可靠性低、可扩展能力差;还有人认为,PAC并没有真正针对某种迫切的或潜在的市场需求,因此不免曲高和寡。许多工业用户认为PLC简单适用、价格低廉、稳定可靠,大概可以满足80%的工业控制要求。

  其实早在20世纪90年代中期,PLC技术就曾面临软PLC/PC控制技术的挑战,因此曾有人预言它将逐步退出工业自动化的历史舞台。而事实恰恰与之相反,过去10年内,超小型和小型PLC的性能获得了极大的提高,产量也大幅增长。

  由于纯逻辑控制和顺序控制还有很大的市场,因此有专家认为,PAC很难取PLC而代之。高端PLC尽管受到PC和最近几年出现的PAC的频频挑战,但根据自身技术和产品的发展需要,通过全面引入计算机新技术和信息技术,PLC在工业控制中的核心地位依然不可动摇。PLC、PC和PAC会在很长一段时间内,都共处于自动化市场,各有各的市场定向,PLC仍居主要地位。

  但对于PAC的出现对于工业自动化领域的积极意义,业内人士也表示,PAC的技术发展趋向,如统一的多专业开发平台、通信技术等也会对PLC的技术发展施加有益的影响。

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