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用户希望能通过plc在软技术上协助改善被控过程的生产性能;需要plc能与pc机更好地融合,以便于在plc这一级就可加强信息处理能力。为顺应这些要求,contec与三菱电机合作,推出专门装插在小q系列plc的机架上的pc机模块。该模块占2个插槽,实际上就是一台可在工厂现场环境正常运行、而且可通过plc的内部总线与plc的cpu模块交换数据的pc机。其处理机芯片采用intel的celeron 400mhz主频,系统内存128mb,cache 128k。支持外挂显示器(大分辨率1024x768,65,536色,显存2mb)。接口有:usb 1个,可扩至2个;以太网插口rj45(10base-t/100base-tx0;串口rs 232c 1个,可扩至2个;并口可扩1个;鼠标、键盘口 ps/2;外挂软盘驱动器口;外挂硬盘驱动器口;以及2个pc卡件(pcmcia总线)。硬盘模块或固态盘可插装在plc机架上。该模块可预装windows nt 4.0或windows 2000。支持的软件有:三菱综合fa软件melsoft(包括plc编程软件:gx;fa数据处理、日常业务处理加速中间件:mx;人机界面画面设计编程软件:gt;运动控制设计编程维护软件:mt;以及过程控制设计编程维护软件:px)。另外,还支持三菱fa用的通信中间件ezsocket。据悉,目前在日本国内共有包括日本电气、横河等43家企业可提供采用ezsocket的软件产品,供通信、数据采集、scada/监控、cad/编程、生产管理、图像处理分析/数值解析、信息处理之用。通讯程序设计在自动化系统的应用越来越广泛,例如plc与操作界面的数据交换,通过通讯对变频器的控制,plc的连网等等。
要想实现plc的通讯编程,首先所选的plc必须有强大的通讯能力,就是说plc的操作系统能够支持多种通讯格式,通常一种的plc如果能够提供给用户更多的编程自由度,那么这种的技术开发能力就越强大,大多数只能提供固定格式的通讯格式或协议,这就大大局限了plc与其他智能设备的数据交换。
我们的plc产品具有rs232和光电隔离的rs485两个自由通讯口,两个通讯口可以同时收发数据,几乎可以适应所有通讯格式,可以提供crc和bcc等多种校验方式。防雷击器件
室外使用的单片机系统或电源线、信号线从室外架空引入室内的,要考虑系统的防雷击问题。常用的防雷击器件有:气体放电管,tvs(transient voltage supervention)等,气体放电管是当电源电压大于某一值时,通常为数十伏或数百伏,气体击穿放电,将电源线上强冲击脉冲导入大地,tvs可以看成两个并联且方向相反的齐纳二极管,当电两端电压高于某一额定值时导通。其特点是可以瞬态通过数百乃至上千安培的电流。这类元器件要和抗共模和抗差模干扰的电感配合使用以提高抗干扰效果。
提高单片机系统抗干扰能力的主要手段自恢复保险丝
这是用一种新型高分子聚合材料制成的器件,当电流低于其额定值时,它的直流电阻只有零点几欧。而电流大到一定程度,它的阻值迅速升高,引起发热,而越热电阻越大,从而阻断电源电流。当温度降下来以后能自动恢复正常。这种器件可防止cmos器件在遇到强冲击型干扰时引起所谓“可控硅触发”现象。这种现象指集成电路硅片的基体变得导通,从而引起电流增大,导致cmos集成电路发热乃至烧毁。抑制高频的电感用粗漆包线穿入轴向有几个孔的铁氧体芯,就构成了高频扼制器件。将其串入电源线或地线中可阻止高频信号从电源/地线引入。这种元件特别适用于隔开一块印制电路板上的模拟电路区、数字电路区、以及大功率驱动区的供电。应该注意的是它必须放在该区储能电容与电源之间而不能放在储能电容与用电器件之间。去耦电容
每个集成电路的电源、地之间应配置一个去耦电容,它可以滤掉来自电源的高频噪声。作为储能元件,它吸收或提供该集成电路内部三极管导通、截止引起的电流变化(di/dt),从而降低系统噪声。要选高频特性好的独石电容或瓷片电容作去耦电容。每块印制电路板电源引入的地方要安放一只大容量的储能电容。由于电解电容的缠绕式结构,其分布电感较大,对滤除高频干扰信号几乎不起作用。使用时要与去耦电容成对使用。钽电容则比电解电容效果更好。软件方面的措施
单片机本身在指令设计上也有一些抗干扰的考虑。非法指令复位或非法指令中断是当运行程序时遇到非法指令或非法寻址空间能产生复位或中断。单片机应用系统程序是事先写好的,不可能有非法指令或寻址。一定是系统受到干扰,cpu读指令时出错了。以上提到的是当前广泛使用的单片机应该具有的内部抗干扰措施。在选用单片机时,要检查一下这些性能是否都有,以求设计出可靠性高的系统。
在应用软件设计方面,设计者都有各自的经验。这里要提醒的是后对不用的rom要做处理。原则是万一程序落到这里可以自恢复。新近推出的motorola m68hc08 系列单片机采用eft(electrical fast transient)技术进一步提高了单片机的抗干扰能力。当振荡电路的正弦波信号受到外界干扰时,其波形上会叠加一些毛刺。以施密特电路对其整形时,这种毛刺会成为触发信号干扰正常的时钟信号。交替使用施密特电路和rc滤波可以使这类毛刺不起作用,这就是eft技术。随着vlsi技术的不断发展,电路内部的抗干扰技术也在不断发展之中。时钟监测电路、看门狗技术与低电压复位
监测系统时钟,当发现系统时钟停振时产生系统复位信号以恢复系统时钟,是单片机提高系统可靠性的措施。而时钟监控有效与省电指令stop是一对矛盾。只能使用其中。
看门狗技术是监测应用程序中的一段定时中断服务程序的运行状况,当这段程序不工作时判断为系统故障,从而产生系统复位。
低电压复位技术是监测单片机电源电压,当电压低于某一值时产生复位信号。由于单片机技术的发展,单片机本身对电源电压范围的要求越来越宽。电源电压从当初的5v降至3.3v并继续下降到2.7v、2.2v、1.8v。在是否使用低电压复位功能时应根据具体应用情况权衡一下。低噪声系列单片机
传统的集成电路设计中,在电源、地的引出上通常将其安排在对称的两边。如左下角是地,右下角是电源。这使得电源噪声穿过整个硅片。改进的技术将电源、地安排在两个相邻的引脚上,这样一方面降低了穿过整个硅片的电流,一方面使外部去耦电容在pcb设计上更容易安排,以降低系统噪声。另一个在集成电路设计上降低噪声的例子是驱动电路的设计。一些单片机提供若干个大电流的输出引脚,从几十毫安到数百毫安。这些大功率的驱动电路集成到单片机内部无疑增加了噪声源。而跳变沿的软化技术可消除这方面的影响,办法是将一个大功率管做成若干个小管子的并联,再为每个管子输出端串上不同等效阻值的电阻。以降低di/dt。外时钟是高频的噪声源,除能引起对本应用系统的干扰之外,还可能产生对外界的干扰,使电磁兼容检测不能达标。在对系统可靠性要求很高的应用系统中,选用频率低的单片机是降低系统噪声的原则。以8051单片机为例,短指令周期1μs时,外时钟是12mhz。而同样速度的motorola 单片机系统时钟只需4mhz,更适合用于工控系统。近年来,一些生产8051兼容单片机的厂商也采用了一些新技术,在不牺牲运算速度的前提下将对外时钟的需求降至原来的1/3。而motorola 单片机在新推出的68hc08系列以及其16/32位单片机中普遍采用了内部琐相环技术,将外部时钟频率降至32khz,而内部总线速度却提高到8mhz乃至更高。的“木桶原理”告诉我们,局部的不足会导致整体的缺陷。要保证系统的可靠性,必须保证系统中每一个部分都是可靠的,任何部分的不可靠都会导致系统整体的不可靠。大多数桌面系统都是上千万行代码的庞大而复杂的系统,即使有源代码程序员也难以把握。而且对开发人员来说,桌面系统庞杂的细节是隐蔽在一个个的固定的接口下的,是一个黑箱,很难把握具体执行的线索。即便其内核是足够可靠的,但它的应用环境复杂多样、千差万别,其中常常有一些应用并不是那么稳定可靠,从而破坏了整体系统的可靠性。相反,rtos对软件开发人员来说是完全开放的,是一个白箱,允许开发人员非常清楚地了解和掌握操作系统内部情况,对存储器中的每一位和每一个i/o接口进行操作控制,从而可以设计出高效稳定的应用软件。操作系统与rtos相比,另一个差别就是对于稳定性、可靠性方面的设计思路。一方面,桌面操作系统比较庞大、复杂,而rtos比较小巧、简捷,而“越简单、越可靠,越复杂、故障概率越大”这又是一个常理。另一方面,更重要的是:桌面操作环境与嵌入式环境在设计思路上有一个重大的不同——桌面环境假定应用软件与操作系统相比而言可以是不可靠的,而嵌入式环境假定应用软件与操作系统一样可靠。 嵌入式系统为什么对实时性要求那么高呢?因为嵌入式系统主要是对仪器设备的动作进行监测控制的,而一般的桌面操作系统基本上是根据人在键盘和鼠标发出的命令进行工作。相对而言,仪器设备的动作具有严格的、机械的时序要求,而人的动作和反应在时序上并不那么严格。比如,用于控制火箭发动机的嵌入式系统,它所发出的指令不仅要速度快,而且多个发动机之间的时序要求非常严格,否则就会差之毫厘、谬之千里。在这样的应用环境中,非实时的普通操作系统无论如何是无法适应的。
如果我们所开发的设备并不是像航空航天器那样生命攸关或者生产控制那样的关键任务系统,而是像消费电子类那样,即使出现错误也不会造成灾难性后果的设备,那么实时性(严格地讲是确定性)是否还具有现实意义呢?答案是肯定的!设备的高可靠性可以有效地降低维护成本;软件运行效率高也会降低对cpu的要求,从而降低硬件成本。对于消费电子产品这类价格十分敏感的产品,实时性、可靠性仍然是非常值得重视的问题。许多人都把实时性理解为速度快。那么,速度快到什么程度才算是达到实时性呢?其实,所谓实时性,其核心含义在于确定性,而不是单纯的速度快。也就是说,rtos所要求的是在规定的时间内做完应该做的事情,并且操作系统的行为(执行线索)是确定的,这是写出高可靠性程序的基础。如果完成同样的动作,有的时候快,有的时候慢,且执行线索千差万别,程序员无法把握,可靠性就无从保证。 总之,桌面操作系统的研究开发指导思想是尽可能在不改变自身的前提下具有广泛的适应性。也就是说:不论应用环境怎么变化,好都不要对自身内部产生什么影响,也不要求自身做太多的变化。反过来,应用于嵌入式环境的rtos,在研发的时候就必须立足于改变自身、开放自身,让开发人员可以根据硬件环境和应用环境的不同而对操作系统进行灵活的裁剪和配置,因为对于任何一个具体的嵌入式设备,它的功能是确定的,因此只要从原有操作系统中把这个特定应用所需的功能拿进来即可。
应当指出的是:如果一个操作系统平台只能依靠手工的方式去掉一些代码,这根本就不是可裁剪性。所谓可裁剪性是在软件工程阶段利用软件配置方法实现软件构件的“即插即用”。用于嵌入式环境的操作系统rtos与桌面操作系统有很多本质的不同。这些不同的特性导致产品开发的不同结果。嵌入式环境给人的印象就是占用空间小。所以,普通的linux或者windows操作系统要变成嵌入式操作系统,首先就是要进行裁剪。然而,与桌面环境相比,嵌入式环境对于操作系统系统要求不仅仅是“小”,二者在设计要求上有着本质的不同。这些不同主要体现在可裁剪性、实时性和可靠性等三个方面。随机应变——可裁剪性从硬件环境来看,桌面操作系统具有标准化的cpu、存储和i/o架构,而嵌入式环境中的rtos的硬件环境只有标准化的cpu,没有标准化的存储、i/o和显示器架构。从应用环境来看,桌面操作系统面向复杂多变的应用,而rtos面向单一设备应用。开发界面来看,桌面操作系统试图给开发人员提供一个“黑箱”,让开发人员通过一系列标准的系统调用来使用操作系统中的功能,而嵌入式试图为开发人员提供一个“白箱”,让开发人员可以自主控制系统的所有资源。 随着信息家电的普及,智能化、网络化将会无所不在,所有这些都离不开嵌入式软件,而在嵌入式软件只中核心的莫过于rtos(real time operating system,实时操作系统)。我们都非常熟悉windows这样的操作系统,但却不一定熟悉嵌入式系统中常用的rtos。如今,微软已经推出了windows的嵌入式版本——windows ce。而风靡一时的linux也在嵌入式系统中扮演着重要角色。这样看来,传统桌面操作系统和嵌入式操作系统的界线似乎也在淡化。事实究竟如何呢?让我们来听听在嵌入式软件领域颇有造诣的专家是怎么说的。基于rtos开发出的程序,具有较高的可移植性,实现90%以上设备独立,一些成熟的通用程序可以作为专家库函数产品推向社会。嵌入式软件的函数化、产品化能够促进行业交流以及社会分工专业化,减少重复劳动,提高知识创新的效率。
嵌入式工业的基础是以应用为中心的芯片设计和面向应用的软件开发。实时多任务操作系统(rtos)进入嵌入式工业的意义不亚于历史上机械工业采用三视图的贡献,对嵌入式软件的标准化和加速知识创新是一个里程碑
目前,商品化的rtos可支持从8bit的8051到32bit的powerpc及dsp等几十个系列的嵌入式处理器。提供高质量源代码rtos的公司主要集中在美国。rtos关键的部分是实时多任务内核,它的基本功能包括任务管理、定时器管理、存储器管理、资源管理、事件管理、系统管理、消息管理、队列管理、旗语管理等,
这些管理功能是通过内核服务函数形式交给用户调用的,也就是rtos的api。
rtos的引入,解决了嵌入式软件开发标准化的难题。随着嵌入式系统中软件比重不断上升、应用程序越来越大,对开发人员、应用程序接口、程序档案的组织管理成为一个大的课题。引入rtos相当于引入了一种新的管理模式,对于开发单位和开发人员都是一个提高。
实时多任务操作系统(rtos)是嵌入式应用软件的基础和开发平台。目前在中国大多数嵌入式软件开发还是基于处理器直接编写,没有采用商品化的rtos,不能将系统软件和应用软件分开处理。rtos是一段嵌入在目标代码中的软件,用户的其它应用程序都建立在rtos之上。不但如此,rtos还是一个可靠性和可信性很高的实时内核,将cpu时间、中断、i/o、定时器等资源都包装起来,留给用户一个标准的api,并根据各个任务的优先级,合理地在不同任务之间分配cpu时间。
tos是针对不同处理器优化设计的高效率实时多任务内核,商品化的rtos可以面对几十个系列的嵌入式处理器mpu、mcu、dsp、soc等提供类同的api接口,这是rtos基于设备独立的应用程序开发基础。因此基于rtos上的c语言程序具有极大的可移植性。据专家测算,rtos上跨处理器平台的程序移植只需要修改1~5%的内容。在rtos基础上可以编写出各种硬件驱动程序、专家库函数、行业库函数、产品库函数,和通用性的应用程序一起,可以作为产品销售,促进行业内的知识产权交流,因此rtos又是一个软件开发平台。源程序模拟器是在广泛使用的、人机接口完备的工作平台上,如小型机和pc,通过软件手段模拟执行为某种嵌入式处理器内核编写的源程序测试工具。简单的模拟器可以通过指令解释方式逐条执行源程序,分配虚拟存储空间和外设,供程序员检查;的模拟器可以利用计算机的外部接口模拟出处理器的i/o电气信号。不同档次和功能模拟器工具价格差距巨大。
模拟器软件独立于处理器硬件,一般与编译器集成在同一个环境中,是一种有效的源程序检验和测试工具。但值得注意的是,模拟器毕竟是以一种处理器模拟另一种处理器的运行,在指令执行时间、中断响应、定时器等方面很可能与实际处理器有相当的差别。另外它无法和ice一样,仿真嵌入式系统在应用系统中的实际执行情况。新型的微控制器指令及soc速度不断提高,存储器空间也相应加大,已经达到甚至超过了目前的通用计算机中的微处理器,为嵌入式系统工程师采用过去一直不敢问津的c++语言创造了条件。c++语言强大的类、继承等功能更便于实现复杂的程序功能。但是c++语言为了支持复杂的语法,在代码生成效率方面不免有所下降。为此,1995年初在日本成立的embedded c++技术委员会经过几年的研究,针对嵌入式应用制订了减小代码尺寸的ec++标准。ec++保留了c++的主要优点,提供对c++的向上兼容性,并满足嵌入式系统设计的一些特殊要求。在嵌入式语言编译器方面处于领先地位的tasking公司,是ec++技术委员会成员,也是先推出ec++产品的公司。区别于一般计算机中的c语言编译器,嵌入式系统中的c语言编译器要专门进行优化,以提高编译效率。的嵌入式系统c编译器代码长度和执行时间仅比以汇编语言编写的同样功能程序长5~20%。编译质量的不同,是区别嵌入式c编译器工具的重要指标。而c编译器与汇编语言工具相比残余的5~20%效率差别,完全可以由现代微控制器的高速度、大存储器空间以及产品提前进入市场的优势来弥补。c语言作为一种通用的语言,大幅度提高了嵌入式系统工程师的工作效率,使之能够充分发挥出嵌入式处理器日益提高的性能,缩短产品进入市场时间。另外c语言便于移植和修改,使产品的升级和继承更迅速。更重要的是采用c语言编写的程序易于在不同的开发者之间进行交流,从而促进了嵌入式系统开发的产业化。嵌入式应用的特点是和现实世界中的硬件系统有关,存在各种异变和事先未知的变化,这就给微控制器的指令执行带来了各种不确定性,这种不确定性只有通过ice的实时在线仿真才能发现,特别是在分析可靠性时要在同样条件下多次仿真,以发现偶然出现的错误。
i ce不仅是软件硬件排错工具,同时也是提高和优化系统性能指标的工具。高档ice工具(如美国nohau公司的产品)是可根据用户投资裁剪功能的系统,亦可根据需要选择配置各种档次的实时逻辑跟踪器(trace)、实时映象存储器(shadow ram)及程序效率实时分析功能(ppa)。直到计算机辅助设计非常发达的今天,实时在线仿真系统(ice)仍是进行嵌入式应用系统调试有效的开发工具。ice首先可以通过实际执行,对应用程序进行原理性检验,排除以人的思维难以发现的设计逻辑错误。ice的另一个主要功能是在应用系统中仿真微控制器的实时执行,发现和排除由于硬件干扰等引起的异常执行行为。此外,的ice带有完善的跟踪功能,可以将应用系统的实际状态变化、微控制器对状态变化的反应、以及应用系统对控制的响应等以一种录像的方式连续记录下来,以供分析,在分析中优化控制过程。很多机电系统难以建立一个有效的数学模型,或是建立模型需要大量人力,这时采用ice的跟踪功能对系统进行记录和分析是一个快而有效的方法。嵌入式处理器是一个复杂的高技术系统,要在短时间内掌握并开发出所有功能是很不容易的,而市场竞争则要求产品能够快速上市,这一矛盾要求嵌入式处理器能够有容易掌握和使用的开发工具平台。提高用户和程序员的时间投入回报率(rot1)。
从事嵌入式开发的往往是非计算机专业人士,面对成百上千种处理器,选择是一个问题,学习掌握处理器结构及其应用更需要时间,因此以开发工具和技术咨询为基础的整体解决方案是迫切需要的。好的开发工具除能够开发出处理器的全部功能以外,还应当是用户友好的。目前嵌入式系统的开发工具平台主要包括下面几类。ec 61131-3编程语言除了是一种标准以外,目前在国际上已发展为一个工程专业。在自动化设备中实现iec 61131-3 涉及标准编程语言、嵌入式系统设计、设备通讯以及软件开发等多个专业。选择一个的产品、一个理想的合作伙伴来为您的产品实现iec 61131-3编程功能,对于设备制造商是非常重要的。
德国一方梯队(infoteam)软件有限公司是一家专门从事自动化和嵌入式软件开发与服务的企业。该公司推出的openpcs是可以用来实现iec 61131-3编程语言的开发和编程工具。它是由openpcs编程工具和运行时系统两部分组成。编程工具是基于windows环境下的iec 61131-3编程软件;运行时系统需要通过移植嵌入到用户的自动化设备中,实现自动化编程的内核部分。
openpcs与iec 61131-3兼容,经过plcopen的一致性认证,达到可移植级(portability level)兼容,也是高的兼容级别。
openpcs的一个重要特点就是源码开放,它遵循开放资源软件的原则,用户一次性购买了软件的许可证后,不需要为每一个分发和拷贝另行缴纳任何版权和许可费用。这样大大地降低了设备制造商使用软件后对其产品成本的增加。另一方面,开放源码的软件可允许用户对其软件进行灵活的修改,以适应自己产品或系统的需要。这也是非开放源码软件所无法比拟的优越性。iec 61131是iec (国际电工委员会)制定的有关可编程控制器(plc)的相关标准,iec 61131-3是其中的编程语言部分。由于iec 61131-3自动化编程语言的诸多优点,已成为自动化工业中拥有广泛应用基础的国际标准,而且已不于plc,还广泛地应用于集散型控制系统、工业控制计算机、数控系统、远程终端单元等产品。
1992年plcopen成立,这是一个独立于制造商和产品的国际组织,总部位于荷兰。目前已有为数众多的plc制造商、软件公司和研究院所是这个国际组织的成员。plcopen专门致力于iec 61131标准的推广并取得了很大的成功,世界上的自动化设备制造商如西门子、罗克维尔、abb、施奈德、ge、三菱、富士等都推出了不同程度iec 61131-3兼容级的产品。
我国在1995年11月发布了gb/t 15969-1/2/3/4(等同于iec 61131-1/2/3/4),但在当时该标准的重要性还不为人们所认识。如今形式已经发生了根本的变化,国际上很多自动化制造商已采用了国际标准,同时中国自己的自动化产品也越来越多,采用iec 61131-3作为其编程语言已是势在必行。openpcs的突出之处
openpcs能使来自sys的不同控制类型进行统一的编程,也就是说从dip40 规格的插接式模块、到用于导轨安装的小型控制板、直至用在19'英尺支架上的模块系统。 所有这些部件都能用同样的方法进行编程和管理。因此每个用户都有可能采用可重复使用的编程模块生成自己的软件库,可用于所有支持的控制系统,但独立于硬件特点。这就缩短了用户的开发时间和测试时间并通过重复使用已得到测试的程序模块确保了软件的高质量。遵从iec61131-3的plc编程系统
iec61131-3是一个标准,依据它,plc采用公用语言awl (指令表)、fub (功能块)、st (结构文本)和kop (接触面contact plan)编程。因此若你没有编程知识也能在短期内做出应用。不同语言间的交叉翻译有助于以好的编程形式处理单个的任务。由sys公司提供的编程环境 openpcs是遵从iec61131-3的,它统一了重要的工具,如编辑器、编译器、调试器、配置工具、离线模拟器等,是为了制作小型结构的标准控制或模块设备以及用户专用控制。学习费用很低而且能够连接现有的c或汇编程序。plc程序通过rs232接口、canopen现场总线或tcp/ip 下载到目标硬件。作为运行环境,我们提供一个能够使用不同硬件平台的解释程序解决方案。也可以选择为所选定的处理器系列产生目标代码。iec61131-3标准
iec61131-3标准是定义文字的和图形的编程语言。这些系统有如下特点:
由于编程语言的国际标准,学习费用较低独立于控制硬件,软件可重复使用且可移植支持结构编程,因此增加了软件的可靠性
此外iec61131-3将标准编程技术和当代编程语言的优点结合起来。iec61131-3定义了不同的数据类型和标准功能和/或功能模块,能够容易和更快地写出自己的应用。通过使用标准的功能和/或功能模块,缩短了编程时间,使用自由定义的变量(不限标志的数量),结构编程以及面向目标的功能和功能块。plc硬件
遵从iec61131-3的plc固件都可与sys公司和phy公司不同的标准模块相接。因此有集中式和分散型扩展ios的plc 硬件。为了使用具有分散型io 模块的plc ,就需要通过canopen 现场总线组网。基本的方法是采用不同产品的 canopen io模块。我们在开发硬件方面的经验加上众多的设计模型能够快速地建立客户专用硬件。为了控制进程,我们提供与canopen或rs232接口的人机界面(mmi)。 随着现代工业的规模生产的发展,为提高企业的市场竞争力,引入管控一体化的体系结构erp/mes/pcs,在国内已提到议事日程。作为基础自动化pcs层的主要工具-plc的应对手段,应该是迅速加强plc联网和通信开发能力,以及信息初加工的能力。在国内,就平均水平而言,精通或通晓plc联网通信、plc与计算机通信的技术人员,与今后的需要相比,还有不少差距。为此,急需采取措施,加强培训。cameta在这方面也应有所作为。
传统的plc制造业不会在可预见的未来在国内建立和发展。但不排除软plc在近期和可预见的未来,完全有可能在国内形成一定的气候。软plc的i/o完全可以利用主流及一些有生命力的现场总线的系列产品。强实时操作系统可采用windows ce,nte,venturcom的rtx以及其它;只要它们能实现控制的时间确定性,即保证能以时间高度一致的方式执行控制指令序列,并具有可预测的结果或行为。加入wto以后,中国成为'世界制造工厂'的进程正在加速。我们有足够的理由相信,plc、软plc在中国的销售的年增长率会显著高于世界的平均年增长率。因此,对plc、软plc以及iec 61131的推广应用,特别是高水平的技术支持变得十分重要。
传统的plc制造业不会在可预见的未来在国内建立和发展。但不排除软plc在近期和可预见的未来,完全有可能在国内形成一定的气候。软plc的i/o完全可以利用主流及一些有生命力的现场总线的系列产品。强实时操作系统可采用windows ce,nte,venturcom的rtx以及其它;只要它们能实现控制的时间确定性,即保证能以时间高度一致的方式执行控制指令序列,并具有可预测的结果或行为。加入wto以后,中国成为'世界制造工厂'的进程正在加速。我们有足够的理由相信,plc、软plc在中国的销售的年增长率会显著高于世界的平均年增长率。因此,对plc、软plc以及iec 61131的推广应用,特别是高水平的技术支持变得十分重要。上世纪60年代后期,根据当时汽车市场需求和计算技术的发展,在美国麻萨诸塞州bedford的bedford associates,向美国汽车制造业提议开发一种modular digital controller(modicon)取代继电控制盘。其它一些公司也建议以计算机为基础的方案。其核心思想是采用软件编程方法代替继电控制的硬接线方式,并备有生产现场大量使用的输入传感器和输出执行器的接口,以便于进行大规模生产线的流程控制。这就是以后被称为programmable logic controller的由来。modicon 084是世界上种投入商业生产的plc。
70年代是plc崛起,首先在汽车工业获得大量应用,在其它产业部门也开始应用的时期。80年代是它走向成熟,全面采用微电子及微处理器技术;大量推广应用,并奠定其在工业控制中不可动摇地位的时期。在此阶段plc销售始终以两位数百分点的速度增长,前六年的增长率超过35%,后四年稳定发展,年增长率约12%。90年代又开始了它的第三个发展时期。随着plc的国际标准iec 61131的正式颁布,推动了plc在技术上发动新的突破:
在系统体系结构上,从传统的单机向多cpu和分布式及远程控制系统发展;在编程语言上,文本化和图形化的语言多样性,创造了更具表达控制要求、文字处理、通信能力的编程环境。
从应用范围和应用水平上,除了继续发展机械加工自动生产线的控制系统外,则是发展以plc为基础的dcs系统、监控和数据采scada系统、柔性制造系统(fms)、安全联锁保护(esd)系统、运动控制系统等,全方位地产提高plc的应用范围和水平进入90年代后期,由于用户对开放性的强烈要求和压力,由于信息技术的大力推动,plc如果还停留在原有的专用而又封闭的系统概念上,它将坐以待毙。于是plc进入了其发展的第四阶段。其特征是:
在保留plc功能的前提下,采用面向现场总线网络的体系结构,采用开放的通信接口,如以太网、高速串口等。
采用各种相关的国际工业标准和一系列的事实上的标准。
值得注意的是plc和dcs这些原来处于不同硬件平台的系统,正随着计算技术、通信技术和编程技术的发展,趋向于建立同一硬件平台,运用同一个操作系统、同一个编程系统,执行不同的dcs和plc功能。这就是真正意义上的eic三电一体化。或者说dcs和plc的形态将会变化,而它们的功能依然存在。其中的关键技术应该是嵌入式pc系统及支持现场总线的i/o (硬件) ,以及以iec 61161-3为基础的编程系统及强实时(hard real-time)操作系统。在中国,大约从1974、75年在北京和上海开始开发采用位片式微处理芯片的可编程顺序控制器,并有所应用。但一直未能形成批量生产。在改革开放刚起步的1979年,在当时的机械部仪表局的推动下,开始从美国modicon引进起584的plc,并首先在电站的辅机如输煤、除灰除渣、水处理系统以及水泥厂等控制系统中成功应用,从而大大推动了plc在我国工业的大规模运用。遗憾的是,花了很大一笔外汇的这个项目并不曾形成良性的有后续的发展。
自1985年开始,小型plc首先是日本三菱电机公司的melsec-f,通过非政府渠道进入中国市场。不到三、四年时间,小型plc就形成了大面积的推广应用局面。1990年以后,siemens、allen bradley以及其它知名开始大举进入中国市场,占据中、大型的plc的较大份额。1995年后形成了大型plc以欧美为主、中型plc欧美和日本平分秋色、小型plc则以日本为主、siemens也步步紧逼的格局。至今没有很大改变。在国内,plc的应用水平还是不低的,自主设计、系统集成和现场投运的能力,可以说与国际主流水平同步;
plc的应用领域也很广泛,覆盖冶金、电力、化工、石油化工、机械、轻工、电子、电工、建材水泥等工业,以及现代农业机械和其它应用。近年来环保工业也有广泛应用,发展势头很猛。
在国内有一支庞大的plc销售、服务、应用、系统集成队伍,遍布除西藏外的全国各地。有充足的理由说:plc在中国已成为工业控制的一种适用技术。因此,plc、软plc以及iec 61131-3的发展,无可争辩地成了十分令人关注的事情。1992年以后,可编程序控制器国际标准iec 61131的各个部分陆续公布施行。中国的工业过程测量和控制标准化委员会按与iec国际标准等效的原则,组织翻译出版工作。于1995年12月29日以gb/t 15969.1,15969.2,15969.3,15969.4 颁布了plc的国家标准。该标准只涉及iec 61131的、第二、第三和第四部分,没有纳入1995年以后出版的第五部分通信、第七部分模糊控制编程软件工具、第八部分iec 61131-3语言的实现导则。自标准颁布之后,并没有产生很大的影响。原因在于:中国不存在真正像样的plc制造业; 在中国国内有影响的plc并不积极推介; 包括该标准的主管部门在内,很少有组织的推进活动。直到1998年以后,由于iec 61131-3在国际控制业界的影响越来越大,在中国国内有影响的plc开始提及自身符合或兼容iec 61131-3;若干新推出的dcs系统也公开宣称,符合或兼容iec 61131-3。于是,人们才关注这个标准。在有关专业杂志上有专文介绍该标准的制订背景、重要性、标准的主要内容。中国机电一体化技术应用协会组织翻译了两名德国作者karl-heinz john和miachael tiegelkamp写的专著:'iec 61131-3:工业自动化系统的程序编制'。现已由该协会内部发行。近,中国机电一体化技术应用协会(cameta)与以开发基于iec 61131-3的编程系统称著的德国kw公司远东总经理robert champoud先生合作,组织协调有关iec 61131项目的研讨会活动,得到siemens、phoenix、富士电机的大力支持。这对于促进它的推广,有着深远的意义。
所谓软plc实际就是在pc机的平台上、在windows操作环境下,用软件来实现plc的功能。此概念大约在1996年以后才被介绍到国内来。由于这种技术尚不成熟,所以只有在学术界少数人对此关注。尽管interllution和 wonderware的hmi和scada软件在我国推广都很成功,但它们的软逻辑、软plc产品p-31和incontrol却少有人问津。当然,这两家公司也不曾刻意去开发这个市场。
think&do和steeperchase 的vlc都是1998、1999年进入中国市场的,特别是think&do花了很大的努力,至今仍不尽如人意。当然有一些成功应用,如邮件分拣系统。我感觉,这多少与它们不采用iec 61131-3,而是倡导用流程图编程语言不无关系。德国kw公司在1998年以后就在北京设立办事处,着力推广其符合iec 61131-3的编程系统multiprog和 控制程序proconos。
siemens从2001年开始在国内推介其软plc系列产品winac,已经有了一些应用。他们是很有战略眼光的。德国inforteam公司的 openpcs 在国内也开始了市场开拓活动,2002年6月曾在上海的自动化展览会上举办过技术交流。
我国自行开发的dcs系统,如上海自仪公司的supmax-800,选用法国cj international公司的符合iec 61131-3的isagraf和美国的强实时操作系统vxworks。北京的和理时已采用inforteam的opebpcs开发新的dcs。分析全世界控制设备的发展情况从世界范围看,软plc/ pc控制作为新兴产业正在发展。面对这种挑战,plc仍在发展。据美国venture development corp.报告,2000年全世界共销售dcs系统,plc系统和pc控制系统达220亿美元。其中dcs 40.5%;plc 46.3%;pc控制 13.2% 。 这三种控制系统所用的分散型/远程i/o的市场销售额也为220亿美元。年增长率为6.6%。到2005年估计达300亿美元。从应用领域看,dcs仍然牢牢把握大规模连续流程工业(i/o达数千点)过程控制的应用。plc已经拥入批量控制市场,在其传统的离散制造工业仍然占据主导地位。软plc/pc控制采用工控pc机(或嵌入式pc机)和强实时os,可实现plc功能和运动控制。直至今日,pc控制在可靠性、安全性等方面还未取得广泛认可。lc的技术具有长期的稳定性,软硬件均应用方便,即插即用,价格适中,堪称工业控制的适用技术。
可以说当今工业控制所要求的性能,plc可满足85%至90%。其不足部分可用其它办法补充。近几年来plc也在不断提高其技术内涵,融合了it技术(包括以太网,因特网,无线网技术,现场总线技术,以及运用软件工程方法提升plc的编程语言,开发全新的编程系统,等等)。
plc在开放性方面也有了实质性的突破。前十多年plc被攻击的一个重要方面就是它的专有性,现在有了极大的改观。plc采用了各种工业标准,如iec 61131,ieee802.3以太网,tcp/ip,udp/ip等,各种事实上的工业标准,如windows nt,opc等。plc在硬件上也有长足进步。微电子技术的进展全都运用到plc中,元器件的集成度越来越高,促使plc成本下降和可靠性提高。专为plc的cpu设计的plc-on-a-chip芯片业已问世多年。plc的高端产品在体系结构和操作系统上都有了质的变化,性能大幅提高。一个机架上可装多个cpu模块。也出现了以web为基础的plc系列产品。
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