大佬帶你認識可編程控制器，可編程控制器發(fā)展趨勢介紹(中篇)

可編程控制器也即PLC，上文中，小編對可編程控制器的發(fā)展趨勢做了部分介紹。本文為可編程控制器發(fā)展趨勢中篇，主要在于介紹開放式可編程控制器的概念以及如何使可編程控制器更為開放。如果你對可編程控制器具有興趣，不妨繼續(xù)往下閱讀哦。此外，剩余內(nèi)容請參閱下篇。

一、開放式PLC的概念

1.應用中產(chǎn)生的開放性需求

長期以來，制造與生產(chǎn)企業(yè)所采用控制系統(tǒng)大多是專用的、封閉的體系結(jié)構，其構成系統(tǒng)的硬件是按照各自的標準量身定制的。無論是DCS，PLC還是FCS，雖然它們具有結(jié)構簡單、技術成熟、產(chǎn)品批量大等優(yōu)點，但相對日新月異的生產(chǎn)要求，也越來越暴露出其固有的缺點。在許多情況下，當用戶要想進行功能上的擴展或變化時，都必須求助于系統(tǒng)的提供商，如想把特殊要求融入到控制系統(tǒng)中去時，由于它們的封閉特性那是不可能的。再者，由于采用了專用的控制系統(tǒng)，如制造廠家想轉(zhuǎn)化一種控制系統(tǒng)也將變得極為困難。諸如此類，無形中不僅提高了制造企業(yè)的成本，也成為控制系統(tǒng)升級換代的"瓶頸"。

市場全球化的后果是競爭空前劇烈，從而要求制造商具有較強的市場適應能力，因而市場對適合中小批量加工，具有良好柔性和多功能性的制造系統(tǒng)的需求已逐步超過對大型單一功能的制造系統(tǒng)的需求。這一趨勢促成了一個新概念的產(chǎn)生，即模塊化、可重構、可擴充的軟硬件系統(tǒng)，這就是開放式控制系統(tǒng)。這一系統(tǒng)不僅能夠快速、經(jīng)濟地適應新的加工需求，而且為制造廠提供了將其技術與任何第三方的技術或產(chǎn)品進行集成的可能性。

開放式控制系統(tǒng)的概念在80年代就已出現(xiàn)。早在1981年，美國國防部為了減少軍備制造對日本控制系統(tǒng)的依賴性，開始了名為“下一代控制器(NGC)”的計劃，并成立了“美國國家制造科學中心(NCMS)”，其主要目的是擬訂并推進關于新一代開放式控制系統(tǒng)的詳細分析與規(guī)范。作為NGC的后續(xù)工作，美國國防部啟動了OASYS項目，其目的是建立并安裝8套控制器，并在6種不同場所對其進行測試。其后有許多相關的研究計劃在世界各國相繼啟動，其中影響較大的有美國的OMAC、歐洲的OSACA和日本的OSEC等計劃。但因為這些計劃的發(fā)起者是用戶而不是制造商，因此，進程比較緩慢。

2.國際大型PLC制造商的開放路線

2003年，全球自動化行業(yè)的控制系統(tǒng)市場大約為每年100億美元左右，其中99%被傳統(tǒng)的不開放系統(tǒng)所占據(jù)。據(jù)國際權威機構美國自動化市場研究公司ARC(AUTOMATIONRESEARCHCORP)調(diào)查預計，在亞洲，基于PC的控制系統(tǒng)、以太網(wǎng)的I/O模塊等開放式系統(tǒng)的銷售額預計近兩年的增幅達到145%，可見在控制系統(tǒng)市場中，開放系統(tǒng)的增長率遠遠高于傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)。

資金永遠是向高利潤的方向流動的，那么，國際的大型PLC制造商當然不會對這么大的市場坐視不理。但是，分析這些PLC的制造商面對開放性的大趨勢所采取的策略，卻是微妙而饒有趣味的。

首先，國際大型控制系統(tǒng)雖然絕對有能力推出自己的開放式控制系統(tǒng)，但是卻都遲遲按兵不動。什么原因呢?

幾乎所有的制造商都已認識到了開放系統(tǒng)必將是自動化系統(tǒng)的未來。無論是SIEMENS，GE，還是ROCKWELL，還是SCHNEIDR，在他們的新產(chǎn)品樣本中，都可以看到“開放性”的字樣。但是，他們的開放性通常都是在原有的系統(tǒng)上層加上一些接口實現(xiàn)局部的互連和通信，并非真正意義上的開放。不要說控制器的底層，就是在操作站這一層，他們在實現(xiàn)與外界通信方面還存在著重重困難。這種狀況的產(chǎn)生并不是由于他們無法開發(fā)出全開放的系統(tǒng)，而是出于其產(chǎn)品戰(zhàn)略考慮，不愿也不能這樣做。以西門子為例，目前，主推的是西門子用了15年時間才開發(fā)出來的S7系統(tǒng)，2002年的工業(yè)控制產(chǎn)品的銷售額約為140億馬克，如果西門子要推廣新的開放式系統(tǒng)，必然要爭奪現(xiàn)有的S7系統(tǒng)的市場，而新的系統(tǒng)能否為現(xiàn)有的西門子的用戶所接受，還是一個未知數(shù)，況且目前其它開放式系統(tǒng)的市場總額才幾億美元，盡管這個市場的增長率較高，但西門子絕對不可能為了總共幾千萬美元且風險極大、競爭能力不強的少量市場而放棄已經(jīng)現(xiàn)成的數(shù)十倍的市場。西門子是這樣，GE、AB都是這樣。

那么，這些公司對于開放式系統(tǒng)市場是否只能坐視不理、無能為力呢?也不是。目前，各個公司均在考慮用現(xiàn)有的產(chǎn)品組合出形式上的“開放式”系統(tǒng)。如西門子的PCS7和TIA概念，實際上就是用工控機下掛S7的PLC而組成的概念性的系統(tǒng)，宣傳口號是“不僅僅是基于PC的PC控制”，典型地表示了其一方面不想在開放式系統(tǒng)領域落后于他人，同時又不想失去老用戶的復雜情結(jié)。GE-FANUC在2000年底推出了HCS，實際上就是用原來的產(chǎn)品FANUC90-30和90-70加上工控機和軟件而組成的概念性的產(chǎn)品，才用了“為用戶量身定做(TAILORED)”的概念，口號是“把DCS和PLC的優(yōu)點結(jié)合起來”;也具有同樣的心理。類似的還有ROCKWELL-AB的CONTROL-LOGIX，都是將原有的專用系統(tǒng)加上“開放”的標簽，半推半就地走上開放式系統(tǒng)市場競爭的舞臺。這些控制系統(tǒng)巨頭的目的都是相同的，那就是既不錯過開放式系統(tǒng)這班航船，又可以將原有的系統(tǒng)盡量多地銷售出去。

以上分析可以得出結(jié)論，在開放式系統(tǒng)的市場競爭的初級階段，國外各大控制系統(tǒng)制造商會迎合發(fā)展趨勢推出自己的開放式系統(tǒng)，但是均會以其目前的產(chǎn)品為基礎，在軟件平臺、通訊方面做些裝飾性的工作，而不會真正推出全方位的真正的開放式系統(tǒng)。因為這樣做，對他們現(xiàn)有系統(tǒng)的市場所帶來的損失是他們不愿承受的。

3.目前開放式系統(tǒng)開發(fā)存在的問題

目前國際上已有的開放性控制系統(tǒng)從嚴格的角度來看，它們還不具備開放性控制系統(tǒng)的本質(zhì)特征，仍有許多需要改進之處。

首先，開放式控制系統(tǒng)的概念不清晰，沒有解決開放控制系統(tǒng)的平臺問題。各系統(tǒng)所采用的體系結(jié)構和通信協(xié)議并不一致，仍是自成體系，相互之間缺乏兼容性和互換性，而且對體系結(jié)構的闡述都只限于具體實現(xiàn)層，沒有提高到理論的、抽象的層次上來，因而各系統(tǒng)軟硬件不具備可移植性和互操作性。

其次，沒有充分利用像Windows、UNIX、OS/2等新型操作系統(tǒng)。軟件開發(fā)思想與技術落后，始終處于甚至低于結(jié)構化程序設計的水平。沒有充分利用面向?qū)ο蟆④浖赜玫溶浖こ讨械男吕碚?、新技術，而這些正是實現(xiàn)開放性控制系統(tǒng)的關鍵所在。

此外，產(chǎn)品的升級、更新、修改和維修仍然依賴于生產(chǎn)廠家，沒有提供相應的開發(fā)工具和環(huán)境，用戶無法把自己的或任何第三方的思想或產(chǎn)品融入到系統(tǒng)中去。

問題是，目前各大控制系統(tǒng)制造商并非不了解這些問題現(xiàn)狀，而是不愿意進行實質(zhì)的改進來真正滿足用戶的要求，用戶要求開放式系統(tǒng)的目的是為了實現(xiàn)企業(yè)內(nèi)部的信息流動的無縫化和軟件、硬件的標準化和通用化，目前各廠家所采取的措施充其量是幫助用戶向前邁了一小步，而且用戶必須為此付出高昂的費用，如西門子的S7400僅通信模件所花的費用就占整個系統(tǒng)的1/3以上，開放式系統(tǒng)應有的性能價格比的提高用戶無法享受到。這種表面的開放性并不能代表真正的開放性，不少專家已毫不客氣地指出了這一點，許多明眼的用戶也認識到了這個問題。

目前，全力致力于真正開放式系統(tǒng)開發(fā)的反而是一些新興的相對較小的公司，如美國的OPTO22，SOFTPLC，CONTROLSOFT以及英國的TRANSMITTON等等。這些公司沒有過去的包袱，所開發(fā)的產(chǎn)品的市場目標也不存在搶自己飯碗的問題，所以他們可以沒有后顧之憂地宣傳。由于他們的產(chǎn)品是充分考慮了開放性的，今后將成為開放性控制系統(tǒng)的新的生力軍。但目前，這些公司普遍沒有信心對目前的市場領導者所占據(jù)的傳統(tǒng)控制系統(tǒng)市場進行全面進攻，一般還是在鉆一些大公司不愿或忽視做的空白市場，在國際上沒有對現(xiàn)有的市場領導者構成威脅，因此，大公司對這些公司也沒有采取什么對策。

值得認真分析的是，經(jīng)過兩年到三年的時間，開放式系統(tǒng)在目前被市場領導者壟斷的市場中打開了一個缺口后，如占到了10%或20%左右的份額時，那些目前的市場領導者一定會加以重視，因為即使他們自己不去取代老產(chǎn)品，可能別的新興公司也要取而代之了。這時，他們一定會全力反撲，紛紛推出自己的新一代開放式產(chǎn)品。這些大公司的轉(zhuǎn)向，可以加速用戶對開放性系統(tǒng)的接受進程，更快地推進開放式系統(tǒng)的市場步伐。這時，大公司和小公司在開放性控制系統(tǒng)方面將站在同一個起跑線上，相對公平地從價格、服務、系統(tǒng)集成經(jīng)驗等各方面來進行競爭，控制系統(tǒng)長期被數(shù)家巨頭所壟斷的局面可望在開放式系統(tǒng)普及后被打破。

二、PLC如何能夠更加開放

1.PLC在競爭中的興起

從控制系統(tǒng)的角度看，各類控制系統(tǒng)的相互融合的情況已經(jīng)出現(xiàn)了。但認真分析就會發(fā)現(xiàn)，PLC在這些控制系統(tǒng)中是比較獨特的一類。在現(xiàn)代各類控制系統(tǒng)中，PLC是誕生最早的工業(yè)控制器，每個新的控制器出來都揚言要取代PLC，從DCS，到工控機，到現(xiàn)場總線，到嵌入式控制系統(tǒng)。這種情況的產(chǎn)生，一方面是由于早期的PLC的不開放造成的，但另一方面，也是由于PLC在工業(yè)控制領域所占的比重份額太大引起的。但技術和應用發(fā)展的結(jié)果是，隨著新的技術越來越多，PLC不僅沒有逐漸被任何一種新的系統(tǒng)取代，反而在逐漸蠶食其它控制系統(tǒng)的市場。

比如，在流程工業(yè)，過去DCS占了絕對的統(tǒng)治地位，但現(xiàn)在，在中小型的工業(yè)裝置方面，已經(jīng)有相當大的控制系統(tǒng)被PLC系統(tǒng)所取代。即便在大型系統(tǒng)中，現(xiàn)在各類DCS也面臨著高端PLC的威脅。這種現(xiàn)象的原因，一方面是由于PLC的技術不斷發(fā)展，DCS過去所獨有的一些復雜控制功能現(xiàn)在PLC基本上全部具備;第二是由于PLC的操作的簡單性所決定的;第三，也是最重要的一點，就是，PLC的價格和成本是DCS系統(tǒng)所無法比擬的。

在低端設備，比如許多工業(yè)設備的控制器，過去是由單片機開發(fā)系統(tǒng)所控制的，現(xiàn)在也越來越多地被PLC所取代。從材料成本上來說，PLC的成本比單片機要高，但是，由于PLC所具有的編程的靈活性，使得用戶在開發(fā)新機型的時候，不必為新機型開發(fā)一個新的單片機控制器，而只要簡單地在一個PLC的軟件上進行程序更改即可，這大大降低了用戶的開發(fā)成本。因此，越來越多的機械逐步放棄了原來的專用控制器的方式，而改用PLC作為機械設備的主要控制器。

在原來大量采用工控機系統(tǒng)的場合，工控機也越來越多被PLC取代，而工控機則逐漸從實時控制退到只負責操作站的層面。而且，大家漸漸發(fā)現(xiàn)，這種工控機加PLC的結(jié)構，提供了最優(yōu)良的控制性能、最方便的操作、最低的成本。因此，逐漸開始在越來越多的地方采用?？梢哉f，工控機的誕生不僅沒有削減PLC的份額，卻因為工控機的運算功能、圖形處理能力和數(shù)據(jù)存儲能力彌補了PLC的不足，而PLC的可靠性則大大彌補了工控機的弱點，因此，工控機的誕生反而大大促進了PLC在更多場合的應用。

同樣，在離散制造業(yè)，PLC作為一種設備控制和數(shù)據(jù)采集的方便器件，在企業(yè)實施ERP和CIMS系統(tǒng)時，為實時數(shù)據(jù)的采集、處理和傳輸提供了無與倫比的方便性。目前，無論是數(shù)控、機械還是傳動、物流等行業(yè)，都把PLC作為控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的首選。

因此，至少從現(xiàn)在來看，PLC在各類控制系統(tǒng)的競爭中逐漸占了上風。但是，隨著競爭的白熱化，PLC也面臨著一個發(fā)展瓶頸，那就是各類系統(tǒng)的不開放，或者說假開放。

2.工業(yè)以太網(wǎng)——真正開放的現(xiàn)場控制網(wǎng)絡

從根本上來說，開放式控制系統(tǒng)要具備：采用從操作系統(tǒng)到通訊協(xié)議都是通用的系統(tǒng)。目前，操作系統(tǒng)其實只有WINDOWS、UNIX等少數(shù)幾種，而通訊總線問題，則沒有什么疑義。在工控界爭論不休的問題，在計算機界早就停息了。事實上，用戶們早已作出了選擇，那就是：以太網(wǎng)總線，它占了全球所有計算機通訊總線的96%!而其余所有的總線只占了不到4%。因此，工業(yè)界所有的總線向以太網(wǎng)的方向靠攏，是不以人們的意志為轉(zhuǎn)移的。

眾所周知，以太網(wǎng)最初是為辦公自動化設計的，因此沒有考慮到工業(yè)自動化應用的一些要求。特別是，它采用的CSMA/CD介質(zhì)訪問控制機制，具有通訊延時不確定的缺點，不能滿足工業(yè)自動化控制的實時通信需求。因此，在20世紀90年代以前，很少有人將以太網(wǎng)應用于工業(yè)自動化領域。

近幾年來，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術的普及與推廣，以太網(wǎng)也得到了飛速發(fā)展，特別是以太網(wǎng)通訊速率的提高、以太網(wǎng)交換技術的發(fā)展，給解決以太網(wǎng)的非確定性問題帶來了新的契機：首先，以太網(wǎng)的通信速率一再提高，從10Mbps，到100Mbps甚至到10Gbps，在相同通信量的情況下，通信速率的提高意味著網(wǎng)絡負荷的減輕和碰撞的減少，也就意味著提高確定性;其次，以太網(wǎng)交換機為連接在其端口上的每個網(wǎng)絡節(jié)點提供了獨立的帶寬，連接在同一個交換機上的不同的設備不存在資源的爭奪，這就相當于每個設備獨占一個網(wǎng)段;第三，全雙工技術又為每個設備與交換機端口之間提供了發(fā)送與接收的專用通道，因此使不同的以太網(wǎng)設備之間的沖突大大降低(半雙工交換式)或完全避免(全雙工交換式)。因此，以太網(wǎng)成了確定的網(wǎng)絡，從而為它應用于工業(yè)自動化控制消除了主要的障礙。

與其它現(xiàn)場總線或工業(yè)通信網(wǎng)絡相比，以太網(wǎng)具有應用廣泛、成本低廉、通信速率高、軟硬件資源豐富、易于與INTERNET連接、可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Υ蟮葍?yōu)點，因此，不僅壟斷了工廠綜合自動化的信息管理層網(wǎng)絡，而且在過程監(jiān)控層網(wǎng)絡也得到了廣泛應用，并有直接向下延伸，應用于工業(yè)現(xiàn)場設備層網(wǎng)絡的趨勢。

從通訊網(wǎng)絡的角度來看，采用扁平式和樹型的網(wǎng)絡結(jié)構是以太網(wǎng)的主要結(jié)構。在這種結(jié)構下，如果能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)通信，其實，要求上下所有的硬件采用同樣的操作系統(tǒng)是不經(jīng)濟的。比如，在上位機，用于顯示和數(shù)據(jù)存儲的功能是主要的功能。這時，采用WINDOWS的操作系統(tǒng)是沒有什么問題。而在底層控制端，則只要采用類似RTOS或VXWORKS這樣的操作系統(tǒng)會更好，不僅是價格便宜，而且還能夠更可靠地執(zhí)行實時控制任務。

目前，PLC之所以能夠在越來越多的場合取得應用，同前面所提到的PLC的特點是分不開的。這些特點就是：可靠性，易操作性，和靈活性。這些特點是PLC必須要保留的。這些特點的形成，是由PLC的結(jié)構、內(nèi)部軟件和硬件的構成特點決定的，同時也是PLC之所以是PLC是不是其它控制系統(tǒng)的標志。而PLC的缺點，則是在處理大量數(shù)據(jù)包括圖形等方面的運算能力不足的方面。實際上，在工業(yè)應用中，需要實時控制而同時又需要處理大量信息的場合雖然存在，但并不多見。因此，只要能解決PLC的通訊問題，可以讓PLC來擔負現(xiàn)場的實時控制任務，而將數(shù)據(jù)的處理、存儲、顯示等任務通過通訊網(wǎng)絡，傳到其它系統(tǒng)中，由計算機系統(tǒng)來完成，這是解決開放式控制系統(tǒng)的根本方式。也是開放式PLC的設計的思想基礎。

開放式PLC將最常見也是今后控制系統(tǒng)最常用的通訊接口------以太網(wǎng)和串口內(nèi)置進了PLC的CPU單元，使PLC在保持傳統(tǒng)各種可靠功能的同時，可以低成本地具備通訊的功能。而且，專門開發(fā)了靈活而方便的通訊模塊，用這些通訊模塊，只要簡單地輸入各類協(xié)議，就可以將這些模塊作為一種專用協(xié)議的控制模塊來使用，而價格十分低廉。同時，更令人驚異的是，在OpenPLC內(nèi)部，還具有JAVA功能，和WebServer功能，也就是說，即使不用上位機，OpenPLC可以將PLC的狀態(tài)，包括故障報警信息和事件處理信息通過通訊模塊自動傳送到互聯(lián)網(wǎng)上，用戶可以通過電子郵件的方式來接收這些信息，也可以通過移動通信系統(tǒng)，利用手機的短信方式來接收這些信息，甚至可以通過GPRS、CDMA等先進的通訊方式來進行控制信息的跨越時空的通信。這些通訊，使用戶可以最及時地了解到設備的運行狀況，可以進行遠程診斷和遠程監(jiān)控，對于生產(chǎn)過程控制、制造過程的信息化、生產(chǎn)過程和管理的優(yōu)化等都有極大的幫助。

同時，在傳統(tǒng)的控制功能方面，開放式PLC盡量保留了傳統(tǒng)PLC的優(yōu)點，如模塊式結(jié)構，多種編程語言，嚴格的可靠性設計，甚至是與PLC完全相同的生產(chǎn)工業(yè)，這樣，使得原來的PLC用戶在使用開放式PLC的時候并不會產(chǎn)生任何不適應的感覺，除了上面所提到的一些新的功能外，其它的方面，如選型、編程、組態(tài)等，完全與傳統(tǒng)的PLC一樣。

可以預見的是，OpenPLC的出現(xiàn)，必將改變控制系統(tǒng)的格局，尤其是對于現(xiàn)有PLC的制造商來說，將在市場和應用方面產(chǎn)生巨大的沖擊。

以上便是此次小編帶來的“可編程控制器”相關內(nèi)容，通過本文，希望大家對開放式可編程控制器的概念以及如何使可編程控制器更為開放的方法具備一定的了解。如果你喜歡本文，不妨持續(xù)關注我們網(wǎng)站哦，小編將于后期帶來更多精彩內(nèi)容。最后，十分感謝大家的閱讀，have a nice day!