PLC与控制系统的开放性[4:PLC如何能够更加开放？]-专业自动化论坛-中国工控网论坛

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发表于：2006-12-29 21:53:00

楼主

(接上期 3：开放式控制系统的形成）
4  PLC如何能够更加开放？
4.1  PLC在竞争中的兴起
    从控制系统的角度来看，各类控制系统的相互融合的情况已经出现了。但认真分析就会发现，PLC在这些控制系统中是比较独特的一类。在现代各类控制系统中，PLC是诞生的最早的工业控制器，每个新的控制器出来都扬言要取代PLC，从DCS，到工控机，到现场总线，到嵌入式控制系统。这种情况的产生，一方面是由于早期的PLC的不开放造成的，但另一方面，也是由于PLC在工业控制领域所占的比重份额太大引起的。但技术和应用发展的结果是，随着新的技术越来越多，PLC不仅没有逐渐被任何一种新的系统取代，反而在逐渐蚕食其它控制系统的市场。
    比如，在流程工业，过去DCS占了绝对的通知地位，但现在，在中小型的工业装置方面，已经有相当大的控制系统被PLC系统所取代。即便在大型系统中，现在各类DCS也面临着高端PLC的威胁。这种现象的原因，一方面是由于PLC的技术不断发展，DCS过去所独有的一些复杂控制功能现在PLC基本上全部具备，第二是由于PLC的操作的简单性所决定的；第三，也是最重要的一点，就是，PLC的价格和成本是DCS系统所无法比拟的。
    在低端设备，比如许多工业设备的控制器，过去是由单片机开发系统所控制的，现在也越来越多地被PLC所取代。从材料成本上来说， PLC的成本比单片机要高，但是，由于PLC所具有的编程的灵活性，使得用户在开发新机型的时候，不必为新机型开发一个新的单片机控制器，而只要简单地在一个PLC的软件上进行程序更改即可。因此，这大大降低了用户的开发成本。因此，越来越多的机械逐步放弃了原来的专用控制器的方式，而改用PLC来作为机械设备的主要控制器。
    在原来大量采用工控机系统的场合，工控机也越来越多被PLC取代，而工控机则逐渐从实时控制退到只负责操作站的层面。而且，大家渐渐发现，这种工控机加PLC的结构，提供了最优良的控制性能、最方便的操作、最低的成本。因此，逐渐开始在越来越多的地方采用。可以说，工控机的诞生不仅没有削减PLC的份额，却因为工控机的运算功能、图形处理能力和数据存储能力弥补了PLC的不足，而PLC的可靠性则大大弥补了工控机的弱点，因此，工控机的诞生反而大大促进了PLC在更多的场合的应用。
    同样，在离散制造业，PLC作为一种设备控制和数据采集的方便的器件，在企业实施ERP和CIMS系统时，为实时数据的采集、处理和传输提供了无与伦比的方便性。目前，无论是数控、机械还是传动、物流等行业，都把PLC作为控制系统和数据采集系统的首选。
    因此，至少从现在来看，PLC在各类控制系统的竞争中逐渐占了上风。但是，随着竞争的白热化，PLC也面临着一个发展瓶颈，那就是各类系统的不开放，或者说假开放。
4.2 工业以太网-----真正开放的现场控制网络
    从根本上来说，开放式控制系统的要具备采用从操作系统到通讯协议都是通用的系统。目前，操作系统其实只有WINDOWS、UNIX等少数几种，而通讯总线问题，则没有什么疑义。在工控界争论不休的问题，在计算机界早就停息了。事实上，用户们早已作出了选择，那就是，以太网总线，占了全球所有计算机通信总线的96%！而其余所有的总线只占了不到4%。因此，工业界所有的总线向以太网的方向靠拢，是不以人们的意志为转移的。
众所周知，以太网最初是为办公自动化设计的，因此没有考虑到工业自动化应用的一些要求。特别是，它采用的CSMA/CD介质访问控制机制，具有通信延时不确定的缺点，不能满足工业自动化控制的实时通信需求。因此，在20世纪90年代以前，很少有人将以太网应用于工业自动化领域。
    近几年来，随着互联网技术的普及与推广，以太网也得到了飞速发展，特别是以太网通信速率的提到、以太网交换技术的发展，给解决以太网的非确定性问题带来了新的契机：首先，以太网的通信速率一再提高，从10MBPS，到100MBPS甚至到10GBPS，在相同通信量的情况下，通信速率的提高意味着网络负荷的减轻和碰撞的减少，也就意味着提高确定性；其次，以太网交换机为连接在其端口上的每个网络节点提供了独立的带宽，连接在同一个交换机上的不同的设备不存在资源的争夺，这就相当于每个设备独占一个网段；第三，全双工技术又为每个设备与交换机端口之间提供了发送与接收的专用通道，因此使不同的以太网设备之间的冲突大大降低（半双工交换式）或完全避免（全双工交换式）。因此，以太网成了确定的网络，从而为它应用于工业自动化控制消除了主要的障碍。
    与其它现场总线或工业通信网络相比，以太网具有应用广泛、成本低廉、通信速率高、软硬件资源丰富、易于与INTERNET连接、可持续发展潜力大等优点，因此，不仅垄断了工厂综合自动化的信息管理层网络，而且在过程监控层网络也得到了广泛应用，并有直接向下延伸，应用于工业现场设备层网络的趋势。
    从通信网络的角度来看，采用扁平式和树型的网络结构是以太网的主要结构。在这种结构下，如果能够实现数据通信，其实，要求上下所有的硬件采用同样的操作系统是不经济的。比如，在上位机，用于显示和数据存储的功能是主要的功能。这时，采用WINDOWS的操作系统是没有什么问题。而在底层控制端，则只要采用类似RTOS或VXWORKS这样的操作系统会更好，不仅是价格便宜，而且还能够更可靠地执行实时控制任务。
    目前，PLC之所以能够在越来越多的场合取得应用，同前面所提到的PLC的特点是分不开的。这些特点就是，可靠性，易操作性，和灵活性。这些特点是PLC必须要保留的。这些特点的形成，是由PLC的结构、内部软件和硬件的构成特点决定的，同时也是PLC之所以是PLC是不是其它控制系统的标志。而PLC的缺点，则是在处理大量数据包括图形等方面的运算能力不足的方面。实际上，在工业应用中，需要实时控制而同时又需要处理大量信息的场合虽然存在，但并不多见。因此，只要能解决PLC的通讯问题，可以让PLC来担负现场的实时控制任务，而将数据的处理、存储、显示等任务通过通信网络，传到其它系统中，由计算机系统来完成，这是解决开放式控制系统的根本方式。也是开放式PLC的设计的思想基础。
    开放式PLC将最常见也是今后控制系统最常用的通讯接口------以太网和串口内置进了PLC的CPU单元，使PLC在保持传统各种可靠功能的同时，可以低成本地具备通讯的功能。而且，专门开发了灵活而方便的通讯模块，用这些通讯模块，只要简单地输入各类协议，就可以将这些模块作为一种专用协议的控制模块来使用，而价格十分低廉。同时，更令人惊异的是，在OPENPLC内部，还具有JAVA功能，和WEBSERVER功能，也就是说，即使不用上位机，OPENPLC可以将PLC的状态，包括故障报警信息和事件处理信息通过通讯模块自动传送到互联网上，用户可以通过电子邮件的方式来接收这些信息，也可以通过移动通信系统，利用手机的短信方式来接收这些信息，甚至可以通过GPRS、CDMA等先进的通讯方式来进行控制信息的跨越时空的通信。这些通信，使用户可以最及时地了解到设备的运行状况，可以进行远程诊断和远程监控，对于生产过程控制、制造过程的信息化、生产过程和管理的优化等都有极大的帮助。
    同时，在传统的控制功能方面，开放式PLC尽量保留了传统PLC的优点，如模块式结构，多种编程语言，严格的可靠性设计，甚至是与PLC完全相同的生产工业，这样，使得原来的PLC用户在使用开放式PLC的时候并不会产生任何不适应的感觉，除了上面所提到的一些新的功能外，其它的方面，如选型、编程、组态等，完全与传统的PLC一样。
可以预见的是，OPENPLC的出现，必将改变控制系统的格局，尤其是对于现有PLC的制造商来说，将在市场和应用方面产生巨大的冲击。

4.3  真正开放的PLC------OpenPLC概念的由来
    OpenPLC的概念也是在实际的工业应用中产生的。1995年，在中国的马鞍山钢铁公司的动力调度中心，面临一个问题，动调中心要监控马钢来自发电厂、水厂、煤气厂和动力厂（负责电力输送）的各类能源和动力信号，但这四个数据来源，包括这些能源与动力的输送的管网所涉及的上百个变电所、增压站和泵站的自身的控制系统是全不兼容的，有的还是专用系统，不仅没有协议，连开发人都已经无法找到。除了通讯的不兼容外，这几个系统的控制结构也大相径庭，电厂是类似于DCS的结构，水厂和气厂是PLC结构，动力厂是SCADA结构，对集成人员理解系统也形成了较大的困难。该项目的最后虽然没有用OpenPLC解决（当时还没有），但该项目的需求导致了德维森公司的OpenPLC的诞生。
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