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PLC的最新發(fā)展趨勢
一、前 言
長期以來，PLC始終處于工業(yè)自動化控制領域的主戰(zhàn)場，為各種各樣的自動化控制設備提供了非?？煽康目刂茟谩Ｆ渲饕?，在于它能夠為自動化控制應用提供安全可靠和比較完善的解決方案，適合于當前工業(yè)企業(yè)對自動化的需要。另一方面，PLC還必須依靠其他新技術來面對市場份額逐漸縮小所帶來的沖擊，尤其是工業(yè)PC所帶來的沖擊。PLC需要解決的問題依然是新技術的采用、系統(tǒng)開放性和價格。
PLC技術展的最終趨勢仍然是人們所爭論的焦點之一。大多數(shù)人認為，PLC將會繼續(xù)失去市場份額；更有甚者認為，在工業(yè)PC面前，PLC將會一步一步走向死亡；但也有一部分人相信，一些特殊工業(yè)應用領域仍將為PLC提供一定的市場份額。
在全球工業(yè)計算機控制領域，圍繞開放與再開放過程控制系統(tǒng)、開放式過程控制軟件、開放性數(shù)據(jù)通信協(xié)議，已經發(fā)生巨大變革，幾乎到處都有PLC，但這種趨勢也許不會繼續(xù)發(fā)展下去。隨著軟PLC(SoftPLC)控制組態(tài)軟件技術的誕生與進一步完善和發(fā)展，安裝有SoftPLC組態(tài)軟件和基于工業(yè)PC控制系統(tǒng)的市場份額正在逐步得到增長，這些事實使傳統(tǒng)PLC供應商在思想上已經發(fā)生了戲劇性的變化，他們必須面對現(xiàn)實，在傳統(tǒng)PLC的技術發(fā)展與提高方面作出更加開放的高姿態(tài)。對于控制軟件來講，這是PLC控制器的核心，PLC供應商正在向工業(yè)用戶提供開放式的編程組態(tài)工具軟件，而且對于工業(yè)用戶表現(xiàn)得非常積極。此外，開放式通信網絡技術也得到了突破，其結果是將PLC融入更加開放的工業(yè)控制行業(yè)。
二、開放和基于工業(yè)PC控制
PLC制造商已經開始注視基于工業(yè)PC控制技術所帶來的強大沖擊。有專家甚至認為，新商務活動所帶來的新技術和開放技術規(guī)范將會埋葬傳統(tǒng)PLC。PLC制造商認為，雖然在工業(yè)現(xiàn)場安裝有大量的PLC控制設備，但他們仍然需要聯(lián)合工控軟件公司，以便開發(fā)他們自己的基于工業(yè)PC的過程控制軟件。
誠然，幾年前在工業(yè)現(xiàn)場明顯存在著新舊PLC混合使用的情況，工業(yè)用戶不得不同時學習相關的新舊知識，甚至彼此借鑒學習。大多數(shù)PLC制造商為工業(yè)用戶僅僅提供了軟邏輯和一種操作平臺。
在高端應用方面，很難進一步區(qū)分PLC控制系統(tǒng)和工業(yè)PC控制系統(tǒng)之間的差異，因為這兩者均采用了同樣類型的微處理器和內存芯片。形象地打個比喻，如果你忘掉工業(yè)PC和PLC這些詞語字面上的含義，那么在箱子里所能夠觀察到的恰恰是一些基本計算機硬件技術，我們更多觀察到的卻是那些基本技術的復雜化和混合體，這些技術被有效地組合到控制系統(tǒng)中去。
另外，采用開放控制的原因一方面是系統(tǒng)功能集成的需要，另一方面也是由于一些工業(yè)用 戶對功能過分苛求所致。如果能夠給予高度的重視，就能夠獲得更多的基本技術知識。PLC制造商專注于系統(tǒng)功能化，而工業(yè)用戶則專注于系統(tǒng)應用。人們可以看到，將來的發(fā)展趨勢是將更多的功能進一步集成到一個控制箱內。因而像順序控制和過程控制這樣的事件將會采用功能化方式進行處理，其他像運動控制等也能夠共享到相同的控制結構體系中。
可以相信，PLC技術將繼續(xù)向開放式控制系統(tǒng)方向轉移，尤其是基于工業(yè)PC的控制系統(tǒng)。后者除了在靈活性方面比傳統(tǒng)PLC具有截然不同的優(yōu)勢外，還具有其他優(yōu)點，如能夠縮短系統(tǒng)投放到市場的周期，降低系統(tǒng)投資費用，提高從工廠底層到企業(yè)辦公自動化的數(shù)據(jù)信息流動效率等。
關于工業(yè)PC控制系統(tǒng)的實時響應問題已經得到很好的解決，也許其主要的東西仍然隱藏在技術背后，但缺乏相應的跟蹤記錄。對于PLC來講，堅固性是其主要特點之一，這已經有相當多的跟蹤記錄來驗證。工業(yè)用戶仍然非常小心地對待PLC，他們正在對PLC作不同的技術測試工作。在利用一種新技術時，工業(yè)用戶需要考慮的問題是要冒多大的風險，同時需要考慮對其商務活動能夠帶來多少機會和收益。
但工業(yè)用戶不完全相信開放式控制系統(tǒng)所帶來的好處。隨著技術的進一步發(fā)展，他們開始逐漸淡化這些思想觀念。工業(yè)用戶正在平衡采用新技術所存在的風險和給他們的商務活動所帶來的收益，以便為今后的決策提供有效的保障。
工業(yè)PC技術提供了許多功能，能夠增強PLC的功能特性，包括內藏視頻和高速浮點數(shù)字協(xié)處理器。盡管Microsoft公司沒有進一步提升該項功能特性的計劃，但新的Windows CE 3.0完全能夠更好地滿足過程控制的需要。
不久前，Siemens公司公布了一套新的基于開放式控制系統(tǒng)的軟件產品，即3.0版本的SIMATIC WinAC(Windows自動化中心)。WinAC是基于Windows NT，與SIMATIC S7 PLC兼容的適合于工業(yè)PC的控制系統(tǒng)解決方案。WinAC 3.0提供了具有較高集成度的Profibus現(xiàn)場總線局域網的連接性能，以及遠程程序設計。此外，它還為現(xiàn)場控制設備本地化集成提供了一種新的DeviceNet I/O設備驅動程序，用于連接所安裝的DeviceNet I/O設備。
Steeplechase軟件公司也已推出了一套支持硬實時過程控制的嵌入式Windows NT操作系統(tǒng)接口部件。該部件進一步結合了Steeplechase公司采用SBS技術并運行于Windows NT環(huán)境的工業(yè)Compact PCI的硬實時控制軟件?，F(xiàn)在，Steeplechase公司的可視化邏輯控制器已經升級到5.0版。該控制器適合于Windows NT 4.0和Windows 2000兩種操作系統(tǒng)，它的實時引擎能夠直接與普通的Ethernet和TCP/IP集成在一起。5.0版本的控制器利用了一種增強型OPC服務器驅動程序，因而比以前的版本具有更快的運行速度。其他一些特點還包括新OI網絡特性，以及能夠讓工業(yè)用戶自己設計出豐富多彩的動態(tài)圖形畫面等。
Transysoft公司最近推出了新版本的ISaGRAF系列工業(yè)控制組態(tài)軟件包，即ISaGRAF PRO，它是基于IEC 61131-3國際標準，并獨立于任何硬件平臺的軟邏輯自動化控制軟件包。在一個網絡化過程控制系統(tǒng)環(huán)境中，該軟件包能夠應用于多種組態(tài)和分布式控制系統(tǒng)的開發(fā)，它包含了一套開發(fā)工具、應用程序工作平臺，以及相應的“虛擬機器”運行時目標。該運行時目標能夠運行于各種各樣的硬件平臺。
CTC自動化工程公司已經發(fā)布了一套新的控制軟件包MachineLogic PCLC（工業(yè)PC邏輯控制器），該軟件可以讓工業(yè)PC扮演PLC的角色，且仍然保持著工業(yè)PC的功能特性。該軟件能夠完成一臺PLC所確定的控制任務，并且與程序執(zhí)行時間一樣快，均在1 ms以內；還能夠同時處理多任務工作，但不能同時超過16個控制任務。一種具有優(yōu)先級和多任務處理內核的機制保持著對每一件控制任務的跟蹤，確?？刂迫蝿漳軌蛉〉米罡叩膬?yōu)先權。該軟件能夠運行全部5種IEC 61131-3標準程序設計語言和PID控制程序，支持兩種類型的I/O控制設備。一種是像Profibus和DeviceNet等這樣的現(xiàn)場總線I/O設備；另一種是像ISA和PC/104這樣的工業(yè)PC I/O模板。另外，該軟件還提供了對控制系統(tǒng)的在線編輯組態(tài)功能。程序可以在Windows 95/98和Windows NT下開發(fā)并運行，但也能夠在RTXDOS下執(zhí)行。
SoftPLC公司也提供了一種工控軟件產品Tealware，有人非常形象地把這種軟件產品稱作穿著工業(yè)PC衣服的PLC。那些安裝在支架上的控制系統(tǒng)已經有了小型PLC的形狀系數(shù)，但SoftPLC公司的控制軟件已經被嵌入到CPU中。Tealware軟件能夠滿足各種類型工業(yè)用戶的需要，從小型、單機系統(tǒng)到大型、分散多控制工作站應用。其特點包括全系列I/O模件、內藏Ethernet和工業(yè)串行通信接口。
最近，Tealware軟件已經升級到2.3版本。其中，控制軟件提供了事實上無限的梯形圖邏輯控制步序，同時允許有超過百萬字的數(shù)據(jù)表；許多OI/SCADA應用接口；內藏Java引擎和FTP服務器用于遠程維護與管理；支持用戶自己編寫的C、C++、Java程序和設備驅動程序；適合于嵌入式Web服務器用；程序設計的在線運行模式；堅固的I/O模件支持能力和許多其他標準PLC功能；可以運行所輸入的，或者是經過轉換的A-B公司的PLC-5、PLC-2/PLC、PLC-3和SLC-500程序。
三、Ethernet的擴展與進一步容納Web技術
當前，在所有過程控制領域，最大的發(fā)展趨勢之一就是Ethernet技術的擴展。PLC也例外，現(xiàn)在，越來越多的PLC供應商開始提供Ethernet接口部件。在最近的幾年間，我們已經看到，發(fā)展比現(xiàn)有普通小快靈PLC更加強大的PLC是種趨勢。Ethernet將會成為PLC的通信標準嗎？也許最終結果是這樣的，但現(xiàn)在還為時尚早。對于在PLC上提供Ethernet接口將能夠解決所有通信問題，人們普遍存在著誤解。Ethernet僅僅定義了OSI參考模型底部的幾層協(xié)議標準，如果上層協(xié)議相互之間不能兼容，那么仍然不可能進行相互之間的通信處理。打個比方，這如同一個不懂英語的中國人與一個不懂漢語的美國人之間是不能夠通過電話進行對話一樣。因此，協(xié)議就是設備之間相互通信的語言。
另一方面，前進的步伐已經邁出，我們只有迎著困難而上，為了將Ethernet技術應用到工廠底層的現(xiàn)場過程控制設備中去，ODVA協(xié)會為此建立了一套全球性標準技術規(guī)范，即Ethernet/IP標準，以便能夠解決在實際工作中所遇到的困難。
向Ethernet靠近的一個目的在于通過Internet能夠連接到所希望的任何地方。實際上，在一些意想不到的地方，Web服務器正在顯露出其應有的威力。幾年前，有一些PLC系統(tǒng)已經內藏了Web服務器，這無疑又為PLC系統(tǒng)增加了更多的特點。其他類型的控制設備也正在準備進一步集成Web服務器。例如，Square D公司已經有一個具備Ethernet連接接口的發(fā)動機控制中心，并正在準備開發(fā)一種內藏Web服務器連接接口的變速裝置。
內藏Web服務器所體一風的益處包括開放網絡、商業(yè)工具的影響、客戶機/服務器關系。在過去，工業(yè)用戶可能會有代表性地詢問一些有關PLC方面的信息，但在現(xiàn)在，由于新技術的不斷誕生和發(fā)展，工業(yè)用戶很容易就可以得到有關這方面的信息。另一方面，隨著芯片和處理器大規(guī)模的生產，PLC生產制造商能夠生產并提供開放網絡的產品，讓工業(yè)用戶花較少的費用就能夠購買到功能非常完善的PLC產品。
在為將PLC連接到Ethernet和Web上提供技術支持方面，Schneider公司已經成了先驅者之一。最近，該公司推出了一種運行于Premium PLC平臺的新型快速Ethernet(100 Mb/s)模件。該模件為PLC能夠連接到TCP/IP的Ethernet提供了全雙工自適應10/100Mb/s的連接速度，現(xiàn)場過程控制器之間可以共享實時數(shù)據(jù)信息，自動掃描Momentum I/O模件和其他任何基于Modbus通信協(xié)議的現(xiàn)場控制設備，采用一個嵌入式Web服務器提供HTML通信服務，同時提供了SNMP用于標準網絡通信管理。在一次展覽會上，Schneider公司還向工業(yè)用戶展示了他們有關透明工廠的觀念。另外，Schneider公司最近還推出了基于Modicon公司的Momentum MIE系列處理器的適配器，該適配器提供了標準IEC程序控制性能，進一步為e-制造提供了完美的解決方案。該適配器還提供了將智能化I/O系統(tǒng)和其他現(xiàn)場過程控制設備連接到Internet和Ethernet的能力，現(xiàn)場過程控制設備包括所有功能化實時過程控制器。
幾年前，Rockwell自動化公司也在其PLC產品中提供了Ethernet接口，而且正在堅定不移地穩(wěn)步提高Ethernet的功能特性。該公司最近已經公布了一種柔性I/O模件解決方案，這種柔性I/O模件利用非專利版本的Ethernet技術能夠提供實時過程控制性能。A-B公司提供的1756型ControlLogix I/O也是基于標準Ethernet TCP/IP和UDP數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的組件，其應用層使用了一種開放式、面向對象、基于生產者/ 消費者的技術。這種技術在ControlNet、DeviceNet和FF現(xiàn)場總線H1網絡系統(tǒng)中也能夠找到。
同樣，其他許多公司也已經推出了Ethernet通信接口模件。例如，來自于IDEC公司的OpenNet PLC控制器所提供的通信接口，實現(xiàn)了與DeviceNet、LonWorks和Interbus等現(xiàn)場總線設備的兼容。該控制器利用一個Interbus遠程I/O主卡件能夠處理不超過480點本地I/O和512點遠程數(shù)字量I/O。
Sierra公司所提供的8051型工業(yè)通信橋路能夠讓彼此之間互不兼容的PLC、DCS、RTU和SCADA系統(tǒng)很好地集成在一起。這種工業(yè)通信橋路通過RS-232、422、485，或者Ethernet通信鏈路實現(xiàn)了高速網絡應用。該橋路控制器同時提供8個RS-232串行通信接口，2個RS-485/422隔離串行通信接口，2個10Base-T Ethernet接口，以及一個用于冗余熱備份橋路的連接器。
來自于ProSoft公司的多制造商接口套裝組件為A-B公司的PLC、SLC、ControlLogix和FLEX I/O（包括1771、1746、1765和1794）平臺提供了串行通信能力。每一個模件包含了一個80386處理器，并同時嵌入有DOS操作系統(tǒng)，因而，可以被看作是具有I/O能力的工業(yè)PC，另外，該控制器同樣具有“A>”磁盤操作提示符，以及Autoexec.bat和Config.sys文件。應用程序可以是從簡單的ASCII通信到復雜的32位控制算法。
另一家通常從事運動控制方面研究的公司Giddings & Lewis也為其PiC（可編程工業(yè)控制）和MMC（機械與運動控制）系列應用于運動控制方面的產品增加了Ethernet TCP/IP接口。這些單元部件提供了可以連接到工廠內部Intranet和Internet的能力，允許現(xiàn)場過程控制器之間共享數(shù)據(jù)信息?，F(xiàn)場過程控制器與工業(yè)PC之間通常采用OPC服務器設備驅動程序來連接實時數(shù)據(jù)信息，利用Ethernet網絡系統(tǒng)和Web技術可以進行遠程文件傳輸、程序設計和系統(tǒng)維護。
現(xiàn)在，越來越多的企業(yè)正在計劃將其所有自動化控制設備逐步連接到企業(yè)范圍內的信息系統(tǒng)中去。對于工業(yè)用戶來講，也許他們已經注意到有關Ethernet for Control系列控制解決方案，該技術更加依賴于Ethernet和Internet。幾乎所有PLC供應商在其部分系列化產品中均提供了Ethernet連接特性，而且有些公司已經確定將Web服務器徹底嵌入到他們的設備內部，以便充分展現(xiàn)PLC的性能特點。利用PLC的Web連接特性，工業(yè)用戶不但可以從任何地方監(jiān)控控制系統(tǒng)的運行狀況，而且還可以像利用系統(tǒng)手冊一樣獲取所需要的任何數(shù)據(jù)信息。
當然，如果工業(yè)用戶正在著手將其控制系統(tǒng)連接到Internet，則必須為此設置安全的信息發(fā)布地址。另外，為了防止黑客進入到控制系統(tǒng)中去，還必須安裝一套安全性能較好的防火墻軟件。
SoftPLC公司在網絡安全性方面投入了極大的熱情和興趣，他們將一個具有實時和確定性的Java虛擬機器嵌入到過程控制器中去。Java使其不僅能夠運行基于Web的Active X控件對象，同樣也能夠運行Servlets。Servlets是個運行于Web服務器任務高度集成在一起，能夠提供動態(tài)Web頁面內容。Servlets程序代碼清晰可見、面向對象設計、模件化，開發(fā)起來非常簡單明了，Servlets也提供了數(shù)據(jù)信息安全性能，允許進一步限制實時數(shù)據(jù)信息，如僅僅是所選定的工業(yè)用戶，或者是所選定的注冊數(shù)據(jù)信息。如果過程控制器被有效地連接到Internet，那么安全性對其是非常的重要。
黑客的入侵還不是唯一的煩惱，如果網絡系統(tǒng)癱瘓，我們首先需要干什么呢？黑客入侵的解決方案是采用冗余。在過程控制器中采用冗余IP地址、冗余網絡系統(tǒng)、冗余通信電纜，以及熱備份等方式，當突發(fā)事件發(fā)生時能夠很好地為過程控制系統(tǒng)提供服務。
許多PLC供應商在其產品的開發(fā)過程中仍然繼續(xù)不斷地改進和提高通信性能，其開發(fā)方向主要面向于Ethernet技術和基于Web技術。