基于IPC的控制-3编程规范,控制软件(IEC)

总结

应用程序的复杂性和性能要求决定了控制器的规格。用户在综合考虑硬件性能的同时,还应将控制器编程软件纳入评估过程。

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远不止取代继电器。现在,控制器可以集成逻辑、运动、机器人技术,并与其他机器和管理系统进行通信。性能范围可以从简单的设备到多核处理器。

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传统PLC、可编程自动化控制器(PAC)和工业控制计算机(IPC)的区别主要在于处理能力和性能,但它们之间的界限正在逐渐模糊。由于符合国际电工委员会(IEC)61131-3编程规范,控制软件已达到一定程度的标准化。后台运行的强大实时操作系统,避免了对操作系统的依赖。所以,如果把“IPC-based ”改成“Intel-based or AMD-based”,可能会更准确,更能体现使用的主流处理器的强大。

因为现在的自动化控制器除了逻辑处理之外还可以做更多其他的事情,所以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,所以 PAC 中的“P”似乎也是多余的。控制器基本上是一台可以在同一处理器上运行多个操作系统(实时、Linux 和 Linux)的计算机。 IPC 可用于控制、数据收集和不断出现的新任务,例如边缘计算。

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传统PLC I/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;它采用更严格的集成和开放的IEC 61131技术设计,集中的软件管理和分散的程序实施可以提高性能。图片来源:一带一路

控制器功能的考虑

在同一个软件环境下,同一个程序可编程自动化控制器,运行在同一个处理器上,协调所有机器的功能正在成为一种流行趋势。这需要机器功能的同步和模块化代码结构的使用,以使有组织和有凝聚力的方法成为可能。尽管如此,有些领域并不需要那么多的集成控制,比如简单的应用程序,没有扩展计划。应用程序的复杂性和性能要求决定了控制器的规格。选择控制器时需要考虑许多因素。根据应用程序,您可能需要考虑以下注意事项。

逻辑控制的基本需求是我们继续将自动化控制器称为 PLC 的原因。它是一个负责维护和扩展 IEC 61131-3 编程标准范围,并管理大量知识、培训和图书馆的组织。组织的活动远远超出了逻辑控制的范围,包括体育、安全、OPC 统一架构 (UA)、XML 等。

根据应用复杂度、运动同步等不同需求,自动化控制器可以控制数十个甚至数百个运动轴。随着摩尔定律和行业标准的发展,不再需要具有专用运动网络的独立运动或机器人控制器。

在北美,硬连线网络安全仍然是首选。网络安全设施和控制机器的设备运行在同一网络上,已被证明是一种有效的控制功能。

网络安全的实现可以从控制处理器上的冗余核心,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)。网络安全还延伸到运动安全和机器人功能,让机器在安全模式下运行,而不是直接关机,从而提供出色的运行效率。

同一个自动化控制器可以集成多个台达机器人、多关节机器人、多关节和龙门机器人等机器功能。此外,还可以在 -3 兼容环境中执行运动功能。由于内置了组装模式的堆叠算法,专用机器人控制器可以继续提供有价值的功能。

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贝加莱 X20 系统为每个应用程序提供远程 I/O、控制和简单的网络配置和灵活性。

监控机器的运行状况是预测维护计划和减少计划外停机时间的关键部分。控制器可以与现有的各种传感器(如温度探头和加速度计)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情况。能源监测还可应用于压缩空气的使用、天然气在加热器和干燥机中的使用以及过程中水的使用。

自动化控制器可以是网络、OPC UA 服务器和客户端。它们具有收集工业物联网(IIoT)数据的功能,可以接收来自云端或终端的指令来优化流程。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,接收有用的分析数据也非常重要。

以前,更换新组件(例如驱动器)必须手动确定并加载设备的正确固件版本。现在,自动化控制器可以自动读取设备并提醒技术人员进行必要的调整,无需人工干预。

如今,即使是低成本控制器也有一个或多个以太网通信端口,用于与 HMI、管理系统、编程和其他非时间关键任务进行通信。对于控制器来说,为了构建确定性网络,支持某种类型的工业以太网协议,如/IP、…等是很常见的。遗憾的是,目前还没有公认的工业以太网标准可以提供适用于机器控制的高速、确定性通信。

然而,时间敏感网络(TSN)的发展带来了很大的期望。 TSN 与 OPC UA 和 OPC UA Pub-Sub (Pub-Sub) 一起,将为 IEEE 802 系列以太网标准带来更多确定性。工业互联网联盟为其搭建了试验台,多家工业自动化供应商参与其中,证明了TSN在机器对机器通信中的可行性。

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TSN 非常重要,主要是因为要让 IIoT 发挥作用,需要在工厂、企业和云端实现不同控制平台之间通信的互操作性。如果需要串口,应该具体定义,因为串口通信目前使用较少。

以下是 3 种最常见的自动化控制器安装类型。

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,通常使用集成的、背板/导轨安装的 I/O,或远程安装的 I/O 模块。

2、IP65/67/69K密封,底座或前面板安装:这种形式将人机界面和控制器集成在一起,采用摇臂式安装,可以充分发挥设备的人体工程学优势,因此变化越来越流行。

这种形式除了控制之外,还可以集成PC功能来运行各种应用,比如HMI,虽然基于Web的HMI趋势越来越明显。与同类控制器相比,底座安装的控制器往往比面板安装的控制器更贵,需要不锈钢挡板,密封要求更高。

有些人喜欢将面板安装的PLC和HMI分开,以避免当其中一个损坏时需要同时更换两个组件。不过现在不用担心了,因为已经有了可以自由拆卸人机界面的集成设备。这样,更换更大的屏幕更容易,或者升级到更强大的控制硬件而无需更换屏幕。

3、IP20,柜式工控机,独立人机界面:与集成形式一样,该形式也可作为具有实时操作系统、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,工控机专用于边缘、雾或云计算等非控制任务。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一系列满足不同需求的PLC产品,例如从固定I/O的微型PLC,到中端PLC,再到可处理数千个I/O的模块化PLC系统图片来源:

虽然软件开发环境通常与硬件(超小型、微型、中型和大型PLC)相关,但也可能工作在独立于硬件的开发环境中。这意味着可以先对项目进行编程,然后才能选择或更改控制硬件。这种灵活性可以扩展到电机和驱动器类型。低端步进或变频器可与高端伺服共享同一个程序。当一系列设备被设计为允许重用关键软件元素时,可扩展性要求尤其重要。

从低端到多核处理器有多种类型可供选择,但它们的性能会相互重叠。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,针对预期的应用需求选择最佳性价比的解决方案,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,以便控制软件可以与控制器产品线上的所有产品兼容。自动化技术供应商将准备足够的重要组件库存,以确保产品的可用性并提供替代方案的迁移服务。

另外,确定是否需要静音操作以及安装控制器的预期环境温度。其他冷却选项包括风扇、空调、散热器和水冷。

固态存储器在自动化控制器、可移动介质(例如 C-Fast 卡)和对成本更加敏感的永久安装应用程序中变得非常流行。可移动内存的优点是易于更换,易于制作和存储备份,易于扩展内存容量。

但是,在使用工业存储卡时需要小心,并确保介质符合应用程序要求的规格。不同的存储类型有不同的使用寿命,这取决于读写周期。这也是需要与自动化供应商讨论的话题。

不同类型控制器的区别

工厂自动化控制器的选择不仅与是否使用 PLC、PAC 或 IPC 相关,还应涉及应用需求的定义,包括基本控制需求和未来可扩展性。尤其是可编程软件平台的选择与硬件的选择同样重要,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,典型的控制器系列包括PLC、PAC和IPC。虽然不同控制器之间存在诸多差异,但它们的特性和功能在不断融合。

虽然PLC是最早用来代替继电器的控制设备,但到目前为止,PLC仍然是中小型应用的最佳选择。随着新技术的日益普及,PLC 的功能也在不断扩展。许多低端 PLC 使用梯形逻辑编程,因为这对于大多数应用程序来说已经足够了。对于更高端的PLC,可以使用功能块和其他IEC 61131-3 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作为此类控制器的一个分支,使得PAC的功能与PLC一样简单易用,但功能更强大。由于具有更高级的功能,并且可以使用其他高级语言(如C语言的变种等),IPC是更复杂应用的理想选择。

在每种控制器类型中,自动化供应商可以提供许多配置选项,以及内置和远程输入/输出 (I/O) 的不同组合。还有从简单的串口到以太网的多种通讯方式可供选择。硬件配置还可能包括带有内置 I/O(通常称为模块)的独立控制器,可通过可堆叠 I/O 和机架安装选项进行扩展。

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控制器选择的注意事项

虽然了解和评估控制器的规格是一个关键的应用要求,但工厂人员的能力和未来的连接要求也是决策过程中的重要考虑因素。

选择控制器时,需要考虑的关键因素包括:

有些设施高度自动化,可以处理各种控制器和设备,而其他设施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,主要是因为它们提供准确、可靠和可修改的控制,并且由于其用途广泛,每个人都非常熟悉,因此易于使用。

如果工厂人员从未使用过PLC,请先考虑使用小型简单的PLC。这些小型控制器的设计易于扩展,同时功能众多,可用于大型PLC。

PLC的选择与应用

下一步是检查应用程序的要求。估计离散和模拟 I/O 的数量是一个好的开始。主要组件列表(连同位置和存在传感器)有助于确定确切数量。

除了离散控制和模拟过程功能之外,一些 PLC 已经逐渐发展到能够执行复杂的任务,例如运动和 PID 控制。该控制器可以处理复杂的应用,例如使用精确对齐的高速包装线。

用于某些运动控制功能的伺服和逆变器并不总是需要协调,但它们在通信和其他要求方面仍然相当复杂。许多控制器可能需要同时与多个驱动器通信以提供位置、速度或扭矩命令。 RS-232、RS-485 和以太网等其他方法都是与驱动器通信的有效选项。与分布式 I/O 相比,数字通信协议是更好的选择,因为它们简化了接线,可以监控更多的参数,向更多的参数发出指令,并且在需要更改时有更多的选择。灵活性。

数据收集要求也是应该考虑的因素。幸运的是,许多控制器,甚至是最新的小型 PLC,都具有内置的通信、数据记录、Web 服务器访问和电子邮件功能。将数据写入微型 SD 卡的能力是另一个值得拥有的功能。与网络服务器功能和远程访问同等重要。

某些应用程序需要一定的安全级别才能满足监管要求。虽然应用程序可能会推荐使用安全级 PLC,但使用非安全级 PLC 和一个或多个可编程安全继电器也可以在降低成本的同时提供所需的功能。

软件编程评估

在典型的自动化项目中,软件编程约占所有工作的一半,但对控制器进行编程所需的时间和所需的专业水平可能因控制器编程软件而异。有一个很大的不同。控制器编程软件需要考虑的事项包括:

具有有限编程指令(有时免费)的简单软件,涵盖适用于这些小型控制器的大多数应用程序。随着机器规格和复杂性的增加,大多数中大型PLC提供的软件平台需要比小型简单PLC更长的学习时间。

控制器编程软件的选择通常与用户的偏好和舒适区有关。虽然所需的硬件是由应用需求驱动和决定的,但软件选择通常是一个主观决定。大多数公司应该选择使用标准的控制器编程软件平台和统一的编程方法。

在选择编程软件时,用户还应考虑可用的培训资源。互联网上应该有大量的技术信息库和用户手册。一旦开发了软件程序,就需要对其进行测试。编程软件应包括查看 PID 回路响应和运动曲线以及模拟其他软件功能的能力。内置的项目模拟器可以在没有硬件或下载到现有系统之前测试代码,因此可以节省大量时间。

尽管在为控制器选择合适的硬件和编程软件时需要考虑很多因素可编程自动化控制器,但选择控制器的方法不太可能“一刀切”。为工厂选择控制器时,最好选择一系列能满足公司广泛需求的产品。

本文来自《控制工程中文》(中国)2018年7月号“封面故事”栏目。原标题是:如何为应用选择合适的自动化控制器?

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