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PLC和工控機在工業自動化領域中的運用

編輯:杭州東田工控   日期:2019-05-05 14:57:29

 在工業自動化領域,PLC和工控機是人們不得不提的兩類控制設備。PLC就是一種利用計算機原理為順序控制專門設計的、通用的、使用方便的裝置。它采用了專用設計的硬件,而使用性能都是通過控制程序來確定的。工控機則是利用了個人計算機的PCI總線和PC/104總線、采用功能板卡擴展控制I/O點來實現計算機控制的一種方便的控制設備。它具有工業現場應用特性,同時又極大地利用了PC機的軟件環境,用戶可以方便地選擇各制造商提供的產品。

    PLC適合低成本自動化項目和作為大型DCS系統的I/O站,工控機在中規模小范圍自動化工程中有很好的性能價格比,當然這種定位也不是絕對的。據預測,2000年我國工業自動化的市場規模達170億至207億人民幣,其中工控機占40億左右、PLC占30億左右,再加上DCS系統、FCS系統和NCC系統(占60億)中使用的PLC和工控機,可以看出其在工業自動化領域中舉足輕重的作用。以下將重點介紹PLC和工控機在硬件、軟件和網絡方面技術應用現狀和發展趨勢。

    PLC和工控機的硬件技術發展

    PLC和工控機的最終用戶為冶金、采礦、水泥、石油、化工、電力、機械制造、汽車、裝卸、造紙、紡織、環保等行業,其主要的用途為:

    1、順序控制

    順序控制是應用最廣泛的領域,它包括單機控制、多機群控制、自動生產線控制,如注塑機、印刷機械、訂書機械、切紙機械、組合機床、磨床、裝配機械、包裝生產、電鍍流水線和電梯控制等。

    2、運動控制

    應用在電力拖動系統或伺服電機的單軸或多軸位置控制。

    3、過程控制

    采用模擬量模塊能控制物理參數,例如溫度、壓力、速度和流量等,并提供PID等閉環控制的功能。

    4、數據處理

    可以支持數控機床的控制和管理、多軸控制等。

    由于自動化系統的要求日益提高,傳統的提供I/O點服務的PLC和工控機已經無法滿足復雜的工藝要求。因此,PLC和工控機在硬件系統上有了根本的變化。

    PLC系統在模塊上的技術發展

    1、處理器模塊

    配備大容量內存,為滿足實時控制的要求而優化設計,除了一般的I/O掃描和控制、遠程數據交換外,支持大型的集成控制、通訊、并行運算、處理器獨立后臺程序和處理器輸入中斷等功能。如A-B公司的ControlLogix處理器模塊在它的內核中設計有通信功能,借助于它的無源數據總線,系統的瓶頸得以消除。這種靈活的結構允許多個處理器、網絡以及I/O在一個機架中搭配使用而沒有限制。

    2、信息協處理器模塊

    讀取主處理器的數據表和狀態文件,或通過高級語言程序將數據寫入主處理器,程序可以在實時多任務環境下以及獨立于PLC處理器的方法,單獨在協處理器中運行。

    3、高級語言協處理器

    通過C和Basic的接口來進行復雜的計算和算法實現。

    4、網絡適配模塊

    在現場總線與處理器之間提供通訊接口,以便PLC處理器和I/O模塊進行遠程的數據交換。

    5、具有特殊功能的I/O模塊

    如A-B公司在其產品中提供了智能變送器模塊、溫度控制模塊、稱重模塊、開環速度控制模塊、塑料制造模塊、力矩控制模塊、絕對編碼模塊、可組態流量計模塊、電流同步模塊等。這些模塊的設計考慮了特殊行業的需要,使得復雜的控制功能以模塊化的方式得以解決,提高了可靠性和專業水平。

    同樣,工控機也從I/O板卡的基礎上飛速向前發展,大規模集成電路和計算機本身的革命性發展給工控機提供了舞臺。

    工控機系列產品除了全系列的I/O板卡外,還發展了一體化工作站、帶電子盤的工控機、遠程RTU、適用于儀表行業的微型工控機、適用于視頻和多媒體行業的工控機、適用于通訊行業的帶監控液晶屏的工控機、與PLC合一的特殊工控機以及防爆型工控機。

    工業現場的應用環境要求PLC和工控機具有很高的可靠性,而可靠性是靠電磁兼容特性(EMC)和容錯技術來保證的。PLC和工控機要經過嚴格的電磁兼容檢測,如輻射敏感度檢測、諧波/電壓波動/電壓驟降檢測、靜電/快速脈沖/雷擊檢測、電磁干擾檢測等。

    PLC和工控機的軟件特性

    PLC、工控機和現場總線為工業自動化提供了很好的底層控制硬件基礎。隨著軟件技術的迅猛發展,控制軟件不再是單調的數字和菜單操作界面,而是圖形化的人機交互工具。好的工控軟件包括了從底層的數據采集、數據庫、控制邏輯運算到高層的人機圖形界面(MMI)。

    微軟為制造業的分布式網絡結構提出了一個功能強大的概念,它包括了企業資源規劃(ERP)和制造資源規劃(MRP)的主要功能、控制、人機界面與數據采集和監控(SCADA)、制造執行系統(MES)、批量控制與設備界面等,但它們同時增加了用戶成本以及共享數據的難度。

    以RNA結構為例,它包括了:

    1、操作系統平臺

    包括了從最早的Win3.1環境的人機界面和編程軟件到WindowsNT開發全功能人機界面。隨著WindowsCE的到來,一些公司正計劃提供基于CE的全套的PLC編程、人機界面和控制軟件。

    2、COM和DCOM

    建立COM(組件對象模型)和DCOM(分布式組件對象模型)使得產品具有互操作性、擴展性和靈活性。COM與其它工控軟件產品的結合增加了提供集成套裝軟件(ProcessPak和ControlPak)的能力,還增加了各獨立軟件的模塊化程度和促進某公司產品與其它廠家產品的集成能力。例如,羅克韋爾軟件RSSQL是一個數據登入和傳送處理的系統,采用COM技術提供連接控制系統和企業數據庫系統的雙向聯系,是支持制造業DNA數據庫環境的版本。

    3、VisualBasic的應用

    VBA為DNA結構提供了三大益處,首先,它為最終用戶提供不需要學習特定語言而能編制自己的實際應用程序的標準方法;其次,VBA提供了多個應用間共享數據或集成功能的方法,例如,它允許人機界面軟件可以利用微軟的Excel表格的功能,這是一個系統模型公司的產品,具有計算功能和生產計劃功能;最后,最終用戶如將內嵌VBA產品集成到基于DNA的制造信息系統,它能夠使目前工業界眾多使用VB作為系統快速開發工具的工程師們提升其軟件產品。

    PLC和工控機的網絡特性

    PLC和工控機采用現場總線后可方便地作為I/O站和監控站連接在DCS系統中。現場總線是一種取代4~20mA標準,用于連接智能現場設備和控制設備的雙向數字通訊技術,現場總線具有開放性和互操作性,它使得一些控制功能下移到現場設備中。這樣的操作有什么益處呢?

    1、互相操作性

    互相操作性定義為在沒有任何功能損失的條件下,不同廠家的多個設備可以工作在一個系統中,允許工廠工程師可在相同的現場總線中集成不同廠家的設備,也允許工程師用別的廠家的設備來替換一臺現場總線設備。

    2、更低的安裝費用

    現場總線將極大地降低工廠最初的費用,包括簡化接線、更少的接線端子排和簡化了的儀表選型。此外,減少的費用還有:簡化了圖紙、簡化了控制系統的工程實施、減少了用于連線、接線柜和接線盒的費用。通過把控制功能轉移到現場,控制系統的費用也降低了:減少了DCS所需的空間,減少了控制系統的I/O點數,減少了機柜的空間和I/O接線端子排。現場總線將能提供在線的遠方數字通訊,可用來實現更快的調試、更快的診斷,降低安裝和調試設備的人工費用。

    3、更低的維護費用

    現場總線將擴大操作人員觀察整個過程的視角,這樣,可以方便和有效地進行維護和過程管理,加快查找和消除故障的速度。現場總線可以實現在線診斷,更方便的標定和預測維護性。

    4、改進性能

    隨著控制功能從DCS轉移到單獨的控制回路,由于就地控制更快,更準確,系統的集成度和可靠性也增加了。現場總線還能充分利用具有多傳感器設備的優點,因為在一對導線上允許多個信息流動。

    由于現場總線使得更容易從現場獲取設備信息,工廠操作員和管理人員能夠對其過程進行更嚴格的控制,從而改進性能、增加過程的可用性和一致性。

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