一、概述

在工业主动化范畴，PLC和工控机是人们不得不提的两类操控设备，它们是大多数主动化体系的根底设备。PLC和工控机的最新技能开展是工程师对设备运用功用要求的完美体现：操控器的硬件规范化，以及用户的各种操控要求经过软件来进行改变。

PLC就是一种运用核算机原理为次序操控专门规划的、通用的、运用便利的设备。它选用了专用规划的硬件，而运用功用都是经过操控程序来断定的。

工控机则是运用了个人核算机的PCI总线和PC/104总线、选用功用板卡扩展操控I/O点来完结核算机操控的一种便利的操控设备。它具有工业现场运用特性，一起又极大地运用了PC机的软件环境，用户能够便利地挑选各制作商供给的产品。

PLC和工控机现在的技能开展水平已大大超越其出现时技能水平，并各自定位在不同的层面。PLC合适低本钱主动化项目和作为大型DCS体系的I/O站，工控机在中规划小范围主动化工程中有很好的功用价格比，当然这种定位也不是肯定的。据猜测，2000年我国工业主动化的市场规划达170亿至207亿人民币，其间工控机占40亿左右、PLC占30亿左右，再加上DCS体系、FCS体系和NCC体系（占60亿）中运用的PLC和工控机，能够看出其在工业主动化范畴中举足轻重的效果。这两类操控设备在各范畴的主动化中扮演了不行短少的角色。图1给出了某自来水厂工业操控体系的典型结构图，其间选用了PLC作为I/O操控站、工控机作为监控机。

图1 工业操控体系的典型结构图

现在，PLC的干流厂商有A-B、Siemens和Modicon等。工控机的干流厂商有上海康泰克、北京康拓和研华、艾讯等。

PLC和工控机在其技能开展的进程中，为了合适工业现场运用的需求和用户二次开发的需求，都积极地开展高牢靠性、网络化和高功用的用户开发软件方面的技能功用。以下将要点介绍PLC和工控机在硬件、软件和网络方面技能运用现状和开展趋势。

二、PLC和工控机的硬件技能现状和开展

PLC和工控机的最终用户为冶金、采矿、水泥、石油、化工、电力、机械制作、轿车、装卸、造纸、纺织、环保等职业，其首要的用处为：

1、次序操控

次序操控是运用最广泛的范畴，它包含单机操控、多机群操控、主动出产线操控，如注塑机、印刷机械、订书机械、切纸机械、组合机床、磨床、装置机械、包装出产、电镀流水线和电梯操控等。

2、运动操控

运用在电力拖动体系或伺服电机的单轴或多轴方位操控。

3、进程操控

选用模拟量模块能操控物理参数，例如温度、压力、速度和流量等，并供给PID等闭环操控的功用。

4、数据处理

能够支撑数控机床的操控和办理、多轴操控等。

因为主动化体系的要求日益进步，传统的供给I/O点效劳的PLC和工控机现已无法满意杂乱的工艺要求。因而，PLC和工控机在硬件体系上有了底子的改变。

PLC体系在模块上的技能开展有：

1、处理器模块

装备大容量内存，为满意实时操控的要求而优化规划，除了一般的I/O扫描和操控、长途数据交换外，支撑大型的集成操控、通讯、并行运算、处理器独立后台程序和处理器输入中断等功用。如A-B公司的ControlLogix处理器模块在它的内核中规划有通讯功用，借助于它的无源数据总线，体系的瓶颈得以消除。这种灵敏的结构答应多个处理器、网络以及I/O在一个机架中调配运用而没有限制。

2、信息协处理器模块

读取主处理器的数据表和情况文件，或经过高档言语程序将数据写入主处理器，程序能够在实时多使命环境下以及独立于PLC处理器的办法，单独在协处理器中运转。

3、高档言语协处理器

经过C和Basic的接口来进行杂乱的核算和算法完结。

4、网络适配模块

在现场总线与处理器之间供给通讯接口，以便PLC处理器和I/O模块进行长途的数据交换。

5、具有特别功用的I/O模块

如A-B公司在其产品中供给了智能变送器模块、温度操控模块、称重模块、开环速度操控模块、塑料制作模块、力矩操控模块、肯定编码模块、可组态流量计模块、电流同步模块等。这些模块的规划考虑了特别职业的需求，使得杂乱的操控功用以模块化的方法得以处理，进步了牢靠性和专业水平。

相同，工控机也从I/O板卡的根底上飞速向前开展，大规划集成电路和核算机自身的革命性开展给工控机供给了舞台。工控机系列产品除了全系列的I/O板卡外，还开展了一体化作业站、带电子盘的工控机、长途RTU、适用于外表职业的微型工控机、适用于视频和多媒体职业的工控机、适用于通讯职业的带监控液晶屏的工控机、与PLC合一的特别工控机以及防爆型工控机。

工业现场的运用环境要求PLC和工控机具有很高的牢靠性，而牢靠性是靠电磁兼容特性（EMC）和容错技能来确保的。PLC和工控机要经过严厉的电磁兼容检测，如辐射敏感度检测、谐波/电压动摇/电压骤降检测、静电/快速脉冲/雷击检测、电磁搅扰检测等。EMC确保了设备在实质上的抗搅扰特性。可是，要确保操控设备不出毛病是不行能的。因而，选用容错规划的体系对要求不能停机、不能失控的高牢靠体系是十分重要的。现在重要的容错规划技能有Watchdog和双机热备（包含主机、模块和通讯介质的热备）。热备体系的工刁难用户来说是透明的：即当毛病发作时，一切对毛病点的切除和数据的备份都是在最短的操控周期内主动完结的。此项技能的完结包含了设备硬件和软件二个方面。图2给出了PLC双机冗余体系的结构。

图2 PLC双机冗余体系结构

三、PLC和工控机的软件特性

PLC、工控机和现场总线为工业主动化供给了很好的底层操控硬件根底。跟着软件技能的迅猛开展，操控软件不再是单调的数字和菜单操作界面，而是图形化的人机交互东西。好的工控软件包含了从底层的数据收集、数据库、操控逻辑运算到高层的人机图形界面(MMI)。这儿，我们从工控软件体系结构而不是单个软件功用的视点介绍PLC和工控机的运用软件应该具备的特性。

微软为制作业的分布式网络结构提出了一个功用强大的概念，它包含了企业资源规划（ERP）和制作资源规划（MRP）的首要功用、操控、人机界面与数据收集和监控（SCADA）、制作履行体系（MES）、批量操控与设备界面等，但它们一起添加了用户本钱以及同享数据的难度。

因而，在1998年，微软公司引进了Windows分布式互连网络运用的概念，简称Windows DNA。它是在企业界将各种商业运用软件进行无缝衔接的一种结构。这种结构能够使制作业的软件开发商开宣布健壮的、具有多种特性的产品，并使最终用户将其各自独立的制作和商业软件运用集成到一个数字神经体系中去。

各个操控设备出产厂家如罗克韦尔主动化公司，经过其产品和与微软的协作，正在将Windows DNA结构引进制作业。这些公司在制作业软件开发进程中具有自己的战略结构，如罗克韦尔互联网运用结构，或称RNA，就是与微软提出的为企业界说的DNA结构严密平行的一种。

树立在微软的Windows NT和Windows 9X操作体系和用户承受的微软Office套件、微软BackOffice东西的根底上，微软公司于1998年引进了DNA结构。Windows DNA马上被选用为衔接在一个单独的企业分布式大体系中多种产品的战略结构。

DNA包含了传统的核算机体系并答应组成可变结构的Client/Sever体系，该体系能够进步技能等级以及进行运用改造。Windows DNA的关键元素包含东西、集成存储、商务进程、用户界面和导航。
更详细地说，DNA具有如下特征：

• 公共的操作体系和网络；

• 公共数据拜访；

• BackOffice东西和效劳；

• 公共的运用底层结构；

• 与微软的Office运用集成；

• 强有力的开发东西；

• 可遗传的体系集成东西；

正如微软界说的那样，制作业的Windows DNA包含了企业资源规划/制作资源规划，操控(不论其为分布式、依据PC的或PLC)、人机接口和SCADA，制作履行体系、批处理和设备接口。没有制作业的DNA，那么在这些运用功用之间的鸿沟只能由用户界面和驱动设备来添补。这将会使业主体系的本钱添加，而且因为数据格式问题而很难同享数据。

早在80年代中期，罗克韦尔主动化在其CIM版别中首要断定了将工厂底层与上位核算机体系衔接的需求。可是，直到现在完结以上概念的软件和硬件的中心技能才老练，它们包含商业方面的运用如数据收集和监控、人机界面（HMI）、批量操控（Batch）、MES、ERP接口、依据PC总线的操控和通讯。

以RNA结构为例，它包含了：

1、操作体系途径

包含了从最早的Win3.1环境的人机界面和编程软件到Windows NT开发全功用人机界面。跟着Windows CE的到来，一些公司正方案供给依据CE的全套的PLC编程、人机界面和操控软件。

2、COM和DCOM

树立COM（组件方针模型）和DCOM（分布式组件方针模型）使得产品具有互操作性、扩展性和灵敏性。COM与其它工控软件产品的结合添加了供给集成套装软件（ProcessPak和ControlPak）的才干，还添加了各独立软件的模块化程度和促进某公司产品与其它厂家产品的集成才干。例如，罗克韦尔软件RS SQL是一个数据登入和传送处理的体系，选用COM技能供给衔接操控体系和企业数据库体系的双向联络，是支撑制作业DNA数据库环境的版别。

3、Visual Basic的运用

微软以为VB是在DNA结构内完结内部集成的关键技能。VBA为DNA结构供给了三大好处，首要，它为最终用户供给不需求学习特定言语而能编制自己的实践运用程序的规范办法；其次，VBA供给了多个运用间同享数据或集成功用的办法，例如，它答应人机界面软件能够运用微软的Excel表格的功用，这是一个体系模型公司的产品，具有核算功用和出产方案功用；最终，最终用户如将内嵌VBA产品集成到依据DNA的制作信息体系，它能够使现在工业界许多运用VB作为体系快速开发东西的工程师们进步其软件产品。

4、ActiveX

ActiveX技能的运用日益广泛，许多厂商推出的产品都支撑ActiveX。罗克韦尔软件公司首要为制作工业的运用软件引进了ActiveX技能，而且是第一个授权的软件开发商，一起能将VBA嵌入到中心产品中去。

5、OPC－进程操控OLE

DDE是微软为front-office运用开发的同享小量相对不变的数据的技能。与DDE不同，进程操控OLE技能面向制作环境的操控功用、结构和牢靠性而规划。微软的制作业DNA断定了设备、操控运用和商业运用间应该具有敞开性和互操作性接口特征（OPC）。罗克韦尔是OPC安排拟定者和首要开发者。OPC担任树立依据COM技能的运用规范，它答应一切的运用程序选用相同的依据COM技能的接口去拜访数据，简化了数据的收集和同享办法。

依据以上要求选用了制作业DNA的许多技能后，罗克韦尔还供给面向企业和工业的集成软件包，如用于批量操控的RSBatch、RSView32、RSLogix等可用于对功用框图进行编程。它们也运用COM集成、VBA和OPC为运用间供给互操作性和与企业的其它层衔接。操控软件包还为衔接I/O、PC总线的操控、编程、VBA和COM方针供给相同的互操作性。
制作业信息技能的最高境地是选用无缝衔接、出资有用、规划灵敏和统筹未来的开展的思维并在企业界同享从工厂底层收集的数据。RNA的技能确保了其用户用他们的现有软件去完结依据DNA的环境。只要当企业能够得到满意的信息以拟定更好的决议方案、将其供给途径和运作结合起来，才干使其整个体系更挨近用户。尽管核算机硬件和网络技能已有很大开展，在软件范畴仍还有许多的作业要做。

四、PLC和工控机的网络特性

现场总线技能是工业主动化最深化改造之一。PLC和工控机选用现场总线后可便利地作为I/O站和监控站衔接在DCS体系中。现场总线是一种替代4～20mA规范，用于衔接智能现场设备和操控设备的双向数字通讯技能，现场总线具有敞开性和互操作性，它使得一些操控功用下移到现场设备中。

现场总线还能够处理杂乱的事情：实质安全、风险场合、多变量的进程以及法规要求严厉的环境。PLC和工控机选用现场总线有以下好处：

1、互操作性

互操作性界说为在没有任何功用丢失的条件下，不同厂家的多个设备能够作业在一个体系中，互操作性答应工厂工程师可在相同的现场总线中集成不同厂家的设备，也答应工程师用其他厂家的设备来替换一台现场总线设备。

2、更低的装置费用

现场总线将极大地下降工厂开始的费用，包含简化接线、更少的接线端子排和简化了的外表选型。此外，削减的费用还有：简化了图纸、简化了操控体系的工程实施、削减了用于连线、接线柜和接线盒的费用。经过把操控功用转移到现场，操控体系的费用也下降了：削减了DCS所需的空间，削减了操控体系的I/O点数，削减了机柜的空间和I/O接线端子排。现场总线将能供给在线的远方数字通讯，可用来完结更快的调试、更快的确诊，下降装置和调试设备的人工费用。

3、更低的保护费用

现场总线将扩展操作人员调查整个进程的视角，这样，能够便利和有用地进行保护和进程办理，加速查找和消除毛病的速度。现场总线能够完结在线确诊，更便利的标定和猜测保护性。

4、改善功用

跟着操控功用从DCS转移到单独的操控回路，因为就地操控更快，更准确，体系的集成度和牢靠性也添加了。现场总线还能充分运用具有多传感器设备的长处，因为在一对导线上答应多个信息流动。

因为现场总线使得更简单从现场获取设备信息，工厂操作员和办理人员能够对其进程进行更严厉的操控，然后改善功用、添加进程的可用性和一致性。

现场总线不仅是一种信号通讯协议，还是一种全新的操控进程的办法。现在，在PLC和工控中运用的干流现场总线协议有西门子的ProfiBus，罗克韦尔主动化的ControlNet和DeviceNet以及基金会现场总线FF等。以下以ControlNet和DeviceNet为例介绍工业主动化中的网络体系结构和通讯技能。

操控网（ControlNet）是近年来推出的一种新的面向操控层的实时性现场总线网络，在同一物理介质链路上供给时刻关键性I/O数据和报文数据，包含程序的上载/下载，组态数据和点对点的报文传递等通讯支撑，是具有高度断定性、可重复的高速操控和数据收集的网络，I/O功用和端到端通讯功用都较传统网络有较大进步。

ControlNet是依据出产者/消费者（Producer/ Consumer）形式的网络，答应在同一链路上有多个主操控器共存，支撑输入数据或点对点信息的多路发送，大大削减了网络上的交通量，进步了网络功率和网络功用。

ControlNet 是高度断定性、可重复的网络。所谓断定性就是预见数据何时能够牢靠传输到方针的才干，而可重复性则是指数据的传输时刻不受网络节点添加/删除情况或网络繁忙情况影响而坚持稳定的才干。在实践运用中，经过网络组态时挑选性设定有方案I/O分组或互锁时刻，这些要求能得到更进一步的确保。因而，ControlNet十分适用于一些操控联系有杂乱关联，要求操控信息同步、和谐实时操控、数据传输速度要求较高的运用场合。如协同作业的驱动体系，焊接操控，运动操控，视觉体系，杂乱的批次操控，有许多数据传送要求的进程操控体系，有多个操控器和人机界面共存的体系等。关于有多个依据PC的操控器之间，不同PLC之间或PLC和DCS之间存在通讯要求的场合， ControlNet十分适用。 ControlNet答应多个各自具有自己独立或同享的I/O的操控器之间彼此通讯或以灵敏的互锁方法安排。因为其杰出的实时性、断定性、可选的本征安全等特性，越来越多地运用于进程操控等要求较高的运用场合。

ControlNet是敞开的现场总线，截止1999年末在全世界范围内现已具有包含Rockwell Autom-ation、ABB、Honeywell等近70家闻名厂商组成的成员单位，由独立世界安排——操控网世界（ControlNet International）担任办理，该安排旨在保护和发行ControlNet技能规范，办理成员单位的一起的市场推行作业。一起供给各个厂商产品之间的一致性和互操作性测验效劳，确保 ControlNet的敞开性。

操控网的通讯是依据一种全新的通讯形式：出产者/消费者通讯形式。工业操控要求操控网络供给越来越高的出产率、更高的体系功用，一起又供给断定性的、可重复的、可估量的设备间通讯。单纯进步波特率或单纯进步协议功率，都不能从底子上处理问题。传统的网络通讯模型是源/意图型或许称点到点的通讯方法，这种方法的长处是通讯的内容和形式都十分清晰，在传送的报文中都包含了清晰的源和地址信息，可是在源/意图网络形式下，当同一数据源上的数据向网络上其它多个节点发送数据时，有必要经过屡次才干完结，这就大大添加了网络的担负，下降了通讯的功率。别的，因为数据抵达不同网络节点的时刻可能因网络上节点数意图不同而改变，不同节点之间的同步就变得困难，通讯的实时性不能得到保障。

不同于以往的通讯形式，出产者/消费者形式答应网络上的不同节点一起存取同一个源的数据。在出产者/消费者形式下，数据被分配一个仅有的标识，依据详细的标识，网络上多个不同的节点能够接纳到来自同一发送者的数据，其结果是，数据的传输更为经济，每个数据源一次性把数据发送到网络，其它节点挑选性的收取这些数据，不浪费带宽，进步了体系出产率，通讯功率进步，数据只须发生一次，不论有多少个节点需求接纳这个数据。数据经过相同的时刻传送到不同的节点，能够完结通讯的准确同步。

DeviceNet是一种用于衔接工业设备(如限位开关、光电传感器、阀门、电动机启动器、进程传感器、条型码读入器、变频器、屏幕显现和操作界面等)与网络的现场总线，其特点是本钱低、开发简单、支撑的厂家多而且不需求贵重的衔接线路。

DeviceNet是一个敞开式的协议，它开始是由美国罗克韦尔主动化公司开发运用。现在，DeviceNet技能属“敞开DeviceNet厂商协会”归ODVA安排(Open DeviceNet Vendor Associaiton)一切和推行。ODVA在世界范围具有300多家闻名主动化设备厂商的会员（如罗克韦尔主动化、ABB、欧姆龙）。我国的ODVA安排由上海电器科学研究所牵头成立，现在正积极推行该技能。设备厂商只需参加ODVA安排，就能够得到有关DeviceNet协议规范，还能够参加产品讨论组来得到产品开发的协助。DeviceNet产品的开发并不杂乱。设备DeviceNet是依据CAN的技能。作为一种串行通讯技能，CAN是80年代中后期习惯轿车操控网络化要求而发生并迅速开展起来的，并已成为敞开的世界规范通讯协议（ISO 11898），在包含工业主动化在内的许多范畴得到了广泛的运用。

DeviceNet在1994年面世，1995年成为敞开协议，并由ODVA担任推行，在北美及亚太地区都有日益广泛的运用。DeviceNet网络介质可选用五线制电缆，它包含了二条信号线，二条24V电源线和一条屏蔽线。DeviceNet设备能够从网络上直接取得电源，并能在线地从网络上衔接和切下设备。

DeviceNet的运用长处有：

• 它是一种支撑多方厂家产品互操作的敞开式通讯规范；

• 能快速便利地装置；

• 是一种考虑未来的规划，能依据扩展和改变需求来便利地添加功用；

• 由设备内部的智能机制进步运转功率；

• 经过数据生成源/消费源通讯结构供给高效的带宽；

• 可不断电地在线对设备组态和添加设备。

现场总线网、智能化设备外表的开展，不行避免地影响着DCS的体系结构，现在能够看到的一个显着的趋势是DCS的进一步分散化。传统的DCS，在I/O操控站这一层仍然是一个集中式的结构，有些体系出于本钱或其它方面的考虑，将I/O操控站的规划做得很大。这种考虑包含：高功用CPU的价格己降得很低，为了充分发挥CPU的才干，能够将一个I/O操控站的点数、回路数扩充，以下降本钱。可是这种规划进步了风险性的集中度，如果为了进步牢靠性添加冗余办法，体系本钱仍然会上升，因而并不是一个抱负的处理方案。从当时的开展趋势看，运用现场总线网和智能化设备、智能化外表，加上通用的工控机完全能够组成一个小型的DCS，这就对传统的DCS提出了应战，因为依据现场总线网的DCS具有许多优越性，不管从体系的本钱上、牢靠性上，装置运用、保护的便利性及可扩充性上都有很大的优势。那么，传统的DCS将怎么开展才干承受这个应战呢？

答案是清晰的，只要在I/O操控站这一层进一步分散化，选用现场总线网技能，构成以现场总线网根底的、以智能I/O模块构成的分布式操控站。也就是说，将过去DCS中集中式的I/O操控站变成分布式的操控站，在传统DCS网络的下一层再引进一层现场网络，构成设备级网络、操控级网络和办理级网络这样三层网络结构，以此来满意不断进步的运用需求。

DCS在构成了三层网络结构以后，根本操控单元深化到了设备操控这一级，向上，DCS的功用延伸到办理操控级，逐步构成了一个较完好的操控、办理一体化的体系结构。

图3给出了一个典型的工业主动化体系的三层网络结构，其低层是以DeviceNet现场总线将设备、PLC的长途I/O点衔接在一起的设备层、中心是以ControlNet（或DH+、DH485等）将PLC、工控机以及操作员界面衔接在一起的操控层网络，而上层的Ethernet以PC或作业站为主完结办理和信息效劳使命。三层网络各司其职，代表了工业操控的典型结构。

图3 典型工业主动化体系的网络结构

五、定论

随者微机的软硬件技能和网络通讯技能的飞速开展，工业主动化范畴发作了革命性的技能进步。而PLC及工控机作为工业操控的设备根底，经过技能的不断改造，在工业操控中的地位日益加强，而且成为完结工业操控技能进步的首要东西。