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自动化专业英语教程翻译3.3

自动化专业英语教程翻译3.3

A PLC概述
许多不同的过程控制系统的自动化,如控制生产机械或工厂生产线,由被称为可编程逻辑控制器(PLC)的小型计算机完成。1968年,通用汽车公司首创PLC并应用于汽车工业,并开发第一个PLC工程,用电子控制器替代硬接线的继电器系统。
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随着PLC的出现,工厂过程控制的集中化,尤其在汽车工业中,得到了大幅提高。
PLC 的架构
PLC是一个无盘的紧凑计算机,包含所有过程控制必需的软硬件。他们通常用于自动化控制应用(如闭环控制),可以独立存在,也可以连到分布I/O,其他PLC或者监控计算机。这些连接通过现场总线建立,如WorldFIP, PROFIBUS 或者 Ethernet.
典型的PLC包含:
电源
程序运行的CPU
输入输出模块
可选通信模块
可用IO模块支持很多电气接口:
模拟模块 (+/- 10V, +/- 1V, 4-20ma, 电阻,等)
温度测量 (pt100, Ni 100, 等).
数字模块 (+/- 24V, 220V, 等.)
TTL 模块 (Beckhoff I/O 模块, 等.)
RS 232 模块
其他
这些模块可以连接到PLC的内部总线上,也可以通过总线连接器和现场总线单元(如PROFIBUS, WorldFIP or CAN)连接,并于其他PLC共享总线。
用户的硬件很难和PLC内部总线直接连接。解决的方案是使用特定接口卡(如HMS的AnyBus卡)作为标准现场总线接口(如PROFIBUS, CAN, and WorldFIP)集成用户硬件。
现在,PLC提供基于以太网的通信。尽管基于TCP/IP 和 IEEE 8
02.
2,每个厂商的PLC协议都不同。因此,默认情况下,不同厂商的PLC不能通过以太网交换数据。但是,施耐德的的PLC拥有接口库,可以用西门子PLC实现RFC10
00,也可以使用OPC DX服务器,SCADA应用,或者特定通信接口卡,如APPLICOM one,作为网关。
基于PLC的方案可以很好用于两层控制体系架构中,前端层独立于监控层。过程控制(输入输出,读出,闭环控制等)既不依赖于网络,也不依赖于远程电脑,它更为安全。
PLC具有长期可用性,并得到支持:通常情况下,老的软硬件可以得到各自制造商的至少10年的支持。
PLC 操作
PLC使用制造商提供的特定操作系统。操作系统处理:
CPU状态 (开始,停止,初始化, 等);
用户程序的调用
中断
内存
和编程设备和其他通信设备通信
PLC采用轮询的方式执行精确的循环。循环包括连续执行的三部分(如图3-3A-2所示):
读输入状态。PLC内核读取所有输入模块,并把数值复制到内部输入内存区域
执行用户程序状态。PLC内核访问所有PLC内存区域,执行用户程序。并把执行结果存贮在内部输出内存中。
写输出状态。PLC内核复制内部输出内存内容到输出模块。
源代码由供应商特定的集成开发环境生成。通常

他们由一系列工具组成:
设置管理应用
设置分配硬件参数
设置总线和连接设备
设置通信链路
为PLC创建用户程序
下载程序并测试
用户程序可以用国际电工委员会的IEC 1131-3推荐的五
种语言中任何一种完成。IEC 1131-3是一个试图在一个国际标
准之下涵盖PLC编程语言的世界标准。它通过对编程接口的标准
化,协调人们看待工业控制的方式。包括用来构建程序内部组
织的顺序功能图定义和其他四种内部操作语言:梯形图、功能
框图、结构文本和指令表。前三种语言是图形化的,后两种是
文本的。每个生产商都有自己的专用语言。
通过模块化和变量的定义,每个程序都得以结构化和简化,增强了可用性。此外,IEC 1131-3定义了控制系统的组态方式。但是,在语言方面有些不同。源代码并非100%兼容。主要问题在于硬件寻址和PLC 内核(操作方式,如何处理中断,如何调用用户程序等)
大多数PLC 供应商属于PLCopen 组织,它是一个独立于生产商和产品的世界协会,致力于通过寻求IEC 1131-3开放软件开发标准,为PLC用户带来更多的价值。
今天的 PLC
随着PLC 技术的发展,编程语言,通信能力和其他很多性能都进一步提高。现在的PLC 提供了更快的扫描时间,更高效的利用内存空间,高密度的I/O系统和非传统设备直接连接到PLC的特殊接口。它们不但可以和其他控制系统进行通信,还具有执行报告功能,诊断自身、机器或过程的故障。
通常用大小来对现在的PLC进行分类,它标志着适用的具体应用的特点和类型。小型化的,非模块化的PLC,也被称为固定IO的PLC,通常内存更小,适合I/O数量不多的固定场合中。模块化PLC拥有背板或导轨,可以用来安装多个I/O模块,适用于更复杂的应用中。
PLC具有如此多的优点,显而易见,它们已经成为一个工业标准,并将在未来继续它们的辉煌。
面,从I/O读写速率到控制器上各个线程的优先级。
B PAC?新一代工业控制系统, 可编程自动化控制的未来
随着许多厂商已生产出能结合PC功能和PLC可靠性的可编程自动化控制器(PAC),目前控制系统已逐渐开始采用PAC。本白皮书介绍PAC的起源以及它与PLC和PC的区别,并指出了使用PAC的工业控制未来发展方向。
PAC将成为未来的工业控制方式
和基于PC控制系统相比,有关PLC(可编程逻辑控制器)优势和劣势的激烈争论已经持续了十年。由于PC和PLC在技术上的差别越来越小,并且随着PLC采用了商业化(COTS)硬件以及PC能采用实时操作系统,从而出现了一种新类型的控制器??PAC。PAC的概念是由自动化研究机构 (ARC) 提出的,它表示可编程自动化控制器,用于描述结合了PLC和

PC功能的新一代工业控制器。传统的PLC厂商使用PAC的概念来描述他们的高端系统,而PC控制厂商则用来描述他们的工业化控制平台。
在PLC被开发出来的三十年里,它经过不断地发展,已经能结合模拟I/O,网络通信以及采用新的编程标准如IEC 61131-
3。然而,工程师们只需利用数字I/O和少量的模拟I/O数以及简单的编程技巧就可开发出80%的工业应用 。来自ARC、联合开发公司(VDC)以及网上PLC培训资源http://www.doczj.com/doc/dd28fba3f524ccbff1218433.html的专家估计:
77%的PLC被用于小型应用(低于128 I/O)
72%的PLC I/O是数字的
80%的PLC应用可利用20条的梯形逻辑指令集来解决
由于采用传统的工具可以解决80%的工业应用,这样就强烈地需要有低成本简单的PLC;从而促进了低成本微型PLC的增长,它带有用梯形逻辑编程的数字I/O。然而,这也在控制技术上造成了不连续性,一方面80%的应用需要使用简单的低成本控制器,而另一方面其它的20%应用则超出了传统控制系统所能提供的功能。工程师在开发这些20%的应用需要有更高的循环速率,高级控制算法,更多模拟功能以及能更好地和企业网络集成。
在八十和九十年代,那些要开发“20%应用”的工程师们已考虑在工业控制中使用PC。PC所提供的软件功能可以执行高级任务,提供丰富的图形化编程和用户环境,并且PC的COTS部件使控制工程师能把不断发展的技术用于其它应用。这些技术包括浮点处理器;高速I/O总线,如PCI和以太网;固定数据存储器;图形化软件开发工具。而且PC还能提供无比的灵活性,高效的软件以及高级的低成本硬件。
然而,PC还不是非常适合用于控制应用。尽管许多工程师在集成高级功能时使用PC,这些功能包括模拟控制和仿真、连接数据库、网络功能以及和第三方设备通信,但是PLC仍然在控制领域中处于统治地位。基于PC控制的主要问题是标准PC并不是为严格的工业环境而设计的。
PC主要面临三大问题:
稳定性:通常PC的通用操作系统不能提供用于控制足够的稳定性。安装基于PC控制的设备会迫使处理系统崩溃和未预料到的重启。
可靠性:由于PC带有旋转的磁性硬盘和非工业性牢固的部件,如电源,这使得它更容易出现故障。
不熟悉的编程环境:工厂操作人员需要具备在维护和排除故障时恢复系统的能力。使用梯形逻辑,他们可以手动迫使线圈恢复到理想状态,并能快速修补受影响的代码以快速恢复系统。然而,PC系统需要操作人员学习新的更高级的工具。
尽管某些工程师采用具有坚固硬件和专门操作系统的专用工业计算机,但是由于PC可靠性方面的问题绝大多数工程师还是避免在控制中使用PC。此外,在PC中的用于

各种自动化任务的设备,如I/O、通信、或运动可能需要不同的开发环境。
因此那些要开发“20%应用”的工程师们要么使用一个PLC无法轻松实现系统所需的功能,要么采用既包含PLC又包含PC的混合系统,他们利用PLC来执行代码的控制部分,用PC来实现更高级的功能。因而现在许多工厂车间使用PLC和PC相结合的系统,利用系统中的PC进行数据记录,连接条码扫描仪,在数据库中插入信息以及把数据发布到网上。采用这种方式建立系统的主要问题是该系统常常难以构建,排除故障和维护。系统工程师常常被要结合来自多个厂商软硬件的工作所困扰,这是因为这些设备并不是为了能协同工作而设计的。
构建更好的控制器
由于没有适合的PC或PLC解决方案,那些需要开发复杂应用的工程师就和控制厂商密切合作开发新的产品。他们需要新产品能结合PC的高级软件功能和PLC的可靠性。这些重要用户为PLC和基于PC控制的公司提供了产品开发指导。
实现软件的功能不仅需要有高级的软件,而且控制器的硬件功能也需要有所提高。由于世界范围内对PC部件的需求在下降,所以许多半导体厂商开始为工业应用重新设计他们的产品。目前控制领域的厂商已开始在工业控制产品中使用工业化浮点处理器、DRAM、固态存储器如CompactFlash以及快速Ethernet芯片。这使得厂商能利用基于PC控制系统的灵活性和可用性来开发更为强大的软件,而且该PC控制系统还可运行实时操作系统以保证可靠性。
这种新的控制器是为解决“20%”的应用问题而设计的,它结合了PLC和PC两者的优点。ARC的工业分析家把这种设备称为可编程自动化控制器,即PAC。在ARC的“可编程逻辑控制器世界概览”研究中,他们给出了PAC的五个主要特性。这些控制器特性是通过定义软件的能力来实现其功能的。

1.“多功能性,在一个平台上有逻辑、运动、PID控制、驱动和处理中的至少两种以上功能。”除了为了实现特殊的协议如SERCOS要对I/O做一些改进;而且软件还能提供逻辑、运动、处理和PID的功能。例如,运动控制作为软件控制循环,它能从正交编码器上读取数字输入,执行模拟控制循环并输出控制设备的模拟信号。

2.“单一的多规程开发平台使用通用标签和单一的数据库来访问所有的参数和功能。”由于PAC是为更为高级的应用如多功能而设计的,他们需要更为高级的软件。为了能高效地设计系统,软件必须是单一的集成化软件包,而不是多种分离的软件工具,这些软件工具在工程上不能无缝地协同工作。

3.“通过结合IEC61131-
3,用户向导和数据管理,软件工具能设计出在跨越多个

机器和处理单元的处理流程。”简化系统设计的另一方面是具有高级的图形化开发工具,利用该工具可以使工程师很轻松地把处理的概念转变为能实际控制机器的代码。

4.“开放的模块化构架能解决的工业应用可从控制分布于工厂机器到加工车间的操作单元。”由于所有的工业应用都需要有高度的定制特性,所以硬件必须是模块化的以便工程师们可以选择合适的部件。而且,软件也必须能让工程师增加和拆除模块以设计出所需的系统。

5.“采用已有的网络接口标准,语言等,如TCP/IP,OPC&XML和SQL查询语言。”能和企业的网络通信对于现代化控制系统是非常关键的。尽管PAC包含有以太网接口,但是为了要把设备和工厂其它系统无问题地集成在一起,通信软件是至关重要的。
两种不同的软件解决方案
一方面软件是PAC和PLC主要的区别,而另一方面厂商在提供高级软件的方式上也有所不同。通常他们以目前已有的控制软件作为起点,不断增加PAC编程所需的功能、可靠性和易用性。一般说来,有两种提供PAC软件的方式:基于PLC控制的软件和基于PC控制的软件
基于PLC概念的软件方案 传统的PLC软件厂商以可靠且易用的扫描式架构软件为起点,并逐渐增加新的功能。PLC软件根据通用模型而建立:输入扫描,控制代码运行,输入更新,以及常规功能执行。由于输入循环,输出循环和常规循环都是隐藏的,所以控制工程师只需关注控制代码的设计。由于厂商已完成了大部分工作,这种严格的控制架构使得建立控制系统更为容易和快速。这些系统的严格性也能让控制工程师在开发可靠的程序时无需深入了解PLC的底层操作。然而,作为PLC主要优势的这种严格的扫描式构架也导致其灵活性的欠缺。
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绝大多数PLC厂商通过在已有的扫描式架构中增加新的功能来建立PAC软件,这些新功能包括以太网通信,运动控制和高级算法。然而,通常他们会保留PLC熟悉的编程方式以及其在逻辑和控制方面固有的特点。因此这种PAC软件通常是为了适合特殊类型应用而设计的,如逻辑,运动和PID,但是对于定制的应用则缺乏灵活性,如通信、数据记录或定制的控制算法。
基于PC概念的软件方案 传统PC软件厂商以非常灵活的通用编程语言为起点,能提供对硬件的深层次访问。该种软件也具有可靠性、确定性以及预设的控制架构。尽管工程师能为PLC编程人员建立起扫描式构架,但是它并不是基于PC的软件所固有的。这些使得PC软件极为灵活,非常适合那些需要高级的架构、编程技巧或者系统级控制的复杂应用,但却使本应简单的应用复杂化。
这些厂商首先要能提

供通用操作系统如Windows所不具备的可靠性和确定性。它们可以通过采用实时操作系统(RTOS)如来自Ardence的Phar Lap或Wind River的VxWorks来实现。这些RTOS能控制系统的各个层面,从I/O读写速率到控制器上各个线程的优先级。然后为了使工程师能更为容易地开发出可靠的控制程序,厂商增加了抽象层和I/O读写架构。因而这种灵活软件非常适合于定制控制,数据记录和通信,但舍弃PLC编程架构的代价是使程序的开发难度增加。