【如何為應(yīng)用選擇正確的自動(dòng)化控制器 ？】與可編程邏輯控制器(PLC)的最初使命相比，自動(dòng)化控制器的功能已經(jīng)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于代替繼電器?，F(xiàn)在，控制器能夠集成邏輯、運(yùn)動(dòng)、機(jī)器人，以及與其它機(jī)器和管理系統(tǒng)進(jìn)行通信。性能可以從簡(jiǎn)單設(shè)備到多核處理器不等。

傳統(tǒng)的PLC、可編程自動(dòng)化控制器(PAC)和工業(yè)控制計(jì)算機(jī)(IPC)之間的區(qū)別主要與處理能力和性能相關(guān)，不過(guò)現(xiàn)在它們彼此之間的界線正在逐漸模糊。由于遵循國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)61131-3編程規(guī)范，控制軟件取得了一定程度的標(biāo)準(zhǔn)化。在后臺(tái)運(yùn)行的強(qiáng)大的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，避免了對(duì)基于MicrosoftWindows操作系統(tǒng)的依賴(lài)。因此“基于IPC的控制”一詞，如果改為“基于Intel或基于AMD”可能更精確，可以反映所使用的強(qiáng)大的主流處理器。

由于現(xiàn)在的自動(dòng)化控制器除了進(jìn)行邏輯處理外，還可以做更多其它事情，PLC可能是一個(gè)過(guò)時(shí)的術(shù)語(yǔ)。因?yàn)樗械淖詣?dòng)化控制器都是可編程的，PAC中的“P”也似乎是多余的。控制器基本上是計(jì)算機(jī)，可以在同一個(gè)處理器上運(yùn)行多個(gè)操作系統(tǒng)(實(shí)時(shí)、MicrosoftWindows和Linux)。IPC可用于控制、數(shù)據(jù)采集以及不斷出現(xiàn)的新任務(wù)，比如邊緣計(jì)算。

傳統(tǒng)的PLCI/O通信響應(yīng)時(shí)間，取決于網(wǎng)絡(luò)性能、節(jié)點(diǎn)數(shù)、通信量、CPU性能和CPU負(fù)載；采用更嚴(yán)格的集成和開(kāi)放IEC61131技術(shù)的設(shè)計(jì)，集中軟件管理和分散的程序執(zhí)行，可以提高性能。圖片來(lái)源:貝加萊

控制器功能的考量

在相同的軟件環(huán)境、相同的程序中，運(yùn)行在同一個(gè)處理器上，協(xié)調(diào)所有機(jī)器的功能，正在變成一種流行趨勢(shì)。這需要機(jī)器功能同步，并且采用模塊化代碼結(jié)構(gòu)，使得有組織的、有凝聚力的方法成為可能。盡管如此，有些領(lǐng)域卻并不需要那么多集成控制，例如簡(jiǎn)單的應(yīng)用程序，就沒(méi)有擴(kuò)展計(jì)劃。應(yīng)用的復(fù)雜性和性能需求決定了控制器的規(guī)格。選擇控制器的時(shí)候有很多因素需要考慮，根據(jù)應(yīng)用的不同，您可能需要對(duì)下面的注意事項(xiàng)進(jìn)行考量。

●邏輯

對(duì)邏輯控制的基本需求，是為什么我們繼續(xù)將自動(dòng)化控制器稱(chēng)為PLC的原因。PLCopen是一個(gè)組織，它負(fù)責(zé)維護(hù)和擴(kuò)展IEC61131-3編程標(biāo)準(zhǔn)的范圍，并管理大量的知識(shí)、培訓(xùn)和庫(kù)。該組織的活動(dòng)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出邏輯控制的范圍，包括運(yùn)動(dòng)、安全、OPC統(tǒng)一體系架構(gòu)(UA)、XML等。

●多軸運(yùn)動(dòng)

根據(jù)應(yīng)用的復(fù)雜度和運(yùn)動(dòng)的同步性等需求的不同，自動(dòng)化控制器可以控制數(shù)十甚至數(shù)百個(gè)運(yùn)動(dòng)軸。隨著摩爾定律和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展，不再需要有專(zhuān)用運(yùn)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)或機(jī)器人控制器。

●網(wǎng)絡(luò)安全

在北美，硬接線網(wǎng)絡(luò)安全仍然是首選。網(wǎng)絡(luò)安全設(shè)施與控制機(jī)器的設(shè)備運(yùn)行在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)上，已被證明為一個(gè)行之有效的控制功能。

網(wǎng)絡(luò)安全的實(shí)現(xiàn)，可以從控制處理器上的冗余內(nèi)核，到單獨(dú)的安全控制器，再到小型系統(tǒng)中的安全輸入/輸出(I/O)來(lái)實(shí)現(xiàn)。網(wǎng)絡(luò)安全還延伸到運(yùn)動(dòng)安全和機(jī)器人功能，允許機(jī)器以安全模式運(yùn)行，而不是直接關(guān)閉，從而可以提供卓越的運(yùn)行效率。

●機(jī)器人集成

同一自動(dòng)化控制器可以集成多個(gè)Delta機(jī)器人、SCARA機(jī)器人、鉸接式和龍門(mén)式機(jī)器人，以及其它機(jī)器功能。此外，還可以在IEC61131-3兼容環(huán)境中執(zhí)行運(yùn)動(dòng)功能。由于內(nèi)置了堆垛算法到裝配模式，專(zhuān)用機(jī)器人控制器可以持續(xù)提供有價(jià)值的功能。

貝加萊X20系統(tǒng)為每個(gè)應(yīng)用程序提供遠(yuǎn)程I/O、控制和輕松的網(wǎng)絡(luò)配置和靈活性。

●機(jī)器監(jiān)控

監(jiān)視機(jī)器的運(yùn)行狀況，是預(yù)測(cè)維護(hù)計(jì)劃和減少計(jì)劃外停機(jī)的關(guān)鍵一環(huán)?？刂破骺梢耘c各種現(xiàn)有的傳感器(如溫度探頭和加速度計(jì))相結(jié)合，以監(jiān)測(cè)實(shí)際情況。在發(fā)生災(zāi)難性故障之前，機(jī)器監(jiān)控還有助于檢測(cè)異常。能量監(jiān)測(cè)也可應(yīng)用于壓縮空氣的使用，加熱器和烘干機(jī)中的天然氣使用，以及用于工藝過(guò)程中水的使用等。

●數(shù)據(jù)處理

自動(dòng)化控制器可以是網(wǎng)絡(luò)、OPCUA服務(wù)器和客戶(hù)端。它們具有收集工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT)數(shù)據(jù)的功能，并可以從云端或終端接收指令以?xún)?yōu)化過(guò)程。自動(dòng)化控制器通常將數(shù)據(jù)發(fā)送到制造執(zhí)行系統(tǒng)(MES)、企業(yè)資源規(guī)劃(ERP)、整體設(shè)備效率(OEE)、可信平臺(tái)模塊(TPM)和產(chǎn)品生命周期管理(PLM)軟件。在IIoT環(huán)境中，接受有用的分析數(shù)據(jù)也非常重要。

●自動(dòng)配置

以前，更換新組件(如驅(qū)動(dòng)器)必須手動(dòng)為設(shè)備確定和加載正確的固件版本。現(xiàn)在，自動(dòng)化控制器可以在無(wú)需人工干預(yù)的情況下，自動(dòng)讀取設(shè)備并提醒技術(shù)人員進(jìn)行必要的調(diào)整。

●通信能力

如今，即使是低成本的控制器也有一個(gè)或多個(gè)以太網(wǎng)通信端口，可與HMI、管理系統(tǒng)、編程和其它非時(shí)間關(guān)鍵任務(wù)進(jìn)行通信。對(duì)于控制器來(lái)講，支持某種特定類(lèi)型的工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，如EtherNet/IP、EtherCAT、Powerlink、Profinet等，以便組建確定性網(wǎng)絡(luò)，已經(jīng)是很常見(jiàn)的。遺憾的是，目前還沒(méi)有一個(gè)獲得普遍認(rèn)可的工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，可以提供適合機(jī)器控制的高速、確定性的通信。

不過(guò)，時(shí)間敏感網(wǎng)絡(luò)(TSN)的發(fā)展帶來(lái)了很大的期望。TSN與OPCUA和OPCUA發(fā)布訂閱（Pub-Sub）一起，將給IEEE802系列以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)帶來(lái)更多的確定性。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟為其搭建了一個(gè)試驗(yàn)臺(tái)，已經(jīng)有多個(gè)工業(yè)自動(dòng)化供應(yīng)商參與其中，以證明TSN在機(jī)器到機(jī)器通信方面的可行性。

TSN是很重要的，這主要是因?yàn)橐笽IoT能夠運(yùn)作，需要在工廠、企業(yè)范圍內(nèi)和云端上實(shí)現(xiàn)不同控制平臺(tái)之間通信的互操作性。如果需要串行接口，則應(yīng)專(zhuān)門(mén)定義，因?yàn)槟壳按型ㄓ嵤褂玫妮^少。

●安裝形式

以下是3種最常見(jiàn)的自動(dòng)化控制器的安裝形式。

1）IP20，機(jī)柜安裝:這是傳統(tǒng)PLC常用的安裝形式，有一個(gè)單獨(dú)的HMI，通常使用整體、背板/軌道安裝I/O，或遠(yuǎn)程安裝的I/O模塊。

2）IP65/67/69K密封，基座或前面板安裝:這種形式集成了HMI和控制器，并采用搖臂型安裝，可以充分發(fā)揮器人體工程學(xué)優(yōu)勢(shì)，因此變得越來(lái)越流行。

除了控制，這種形式還可以集成PC功能，以運(yùn)行各種MicrosoftWindows應(yīng)用程序，比如HMI，盡管基于Web的HMI的趨勢(shì)越來(lái)越明顯。與類(lèi)似的控制器相比，基座安裝的控制器往往比面板安裝更昂貴，需要不銹鋼擋板，以及更高的密封要求。

有些人喜歡將面板安裝PLC和HMI分開(kāi)，以避免在其中一個(gè)損壞時(shí)需要同時(shí)更換兩個(gè)組件。但是現(xiàn)在已經(jīng)無(wú)需擔(dān)心，因?yàn)橐呀?jīng)有了可自由拆卸HMI的集成裝置。這樣，更換較大的屏幕就更容易，或者升級(jí)到更強(qiáng)的控制硬件也不需要更換屏幕。

3）IP20，機(jī)柜式工控機(jī)，配置獨(dú)立的HMI:就像集成形式一樣，這種形式還可以作為一個(gè)具有實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)、各種計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的控制器?？刂破骺梢允仟?dú)立的，工業(yè)計(jì)算機(jī)專(zhuān)門(mén)用于非控制任務(wù)，如邊緣、霧或云計(jì)算。歷史庫(kù)、序列化和視覺(jué)檢查也是常見(jiàn)的應(yīng)用。

先進(jìn)的自動(dòng)化供應(yīng)商可以為用戶(hù)提供滿足不同需求的PLC產(chǎn)品范圍，例如從配置固定I/O的微型PLC，到中檔PLC，再到能夠處理數(shù)以千計(jì)的I/O的模塊化PLC系統(tǒng)。圖片來(lái)源:AutomationDirect

●可擴(kuò)展性

雖然軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境通常與硬件（超小、微型、中型和大型PLC）相關(guān)，但它也有可能在獨(dú)立于硬件的開(kāi)發(fā)環(huán)境中工作。這意味著首先可以為項(xiàng)目編程，然后再去選擇或更改控制硬件。這種靈活性可擴(kuò)展到馬達(dá)和驅(qū)動(dòng)器類(lèi)型。低端的步進(jìn)或變頻器可與高端伺服共享相同的程序。當(dāng)一系列設(shè)備的設(shè)計(jì)旨在允許復(fù)用關(guān)鍵軟件元素時(shí)，可擴(kuò)展性的要求就尤為關(guān)鍵。

●CPU性能

從低端到多核處理器有多種類(lèi)型可供選擇，但它們的性能彼此會(huì)有重疊。因此，建議與技術(shù)提供商的技術(shù)支持和銷(xiāo)售工程師團(tuán)隊(duì)合作，為預(yù)期的應(yīng)用需求選擇最佳的性?xún)r(jià)比方案，因?yàn)樗麄兏私庾约旱漠a(chǎn)品。

理想情況下，處理器應(yīng)具有可擴(kuò)展性，控制軟件才能兼容控制器產(chǎn)品線上的所有產(chǎn)品。自動(dòng)化技術(shù)供應(yīng)商會(huì)對(duì)重要組件準(zhǔn)備充足庫(kù)存，以確保產(chǎn)品的可用性，并為替代品提供遷移服務(wù)。

此外，還要確定是否需要靜音操作，以及安裝控制器的預(yù)期環(huán)境溫度。其它散熱選項(xiàng)包括風(fēng)扇、空調(diào)、散熱器和水冷等。

●內(nèi)存

固態(tài)內(nèi)存在自動(dòng)化控制器、可移動(dòng)介質(zhì)（如C-Fast卡）以及對(duì)成本更敏感的永久安裝的應(yīng)用中已經(jīng)非常流行?？梢苿?dòng)內(nèi)存的優(yōu)點(diǎn)是可以輕松地替換它，便于制作和存儲(chǔ)備份，并且很容易擴(kuò)展內(nèi)存容量。

但是，在使用工業(yè)存儲(chǔ)卡時(shí)需要小心，并確保媒介符合應(yīng)用所需的規(guī)格。不同的存儲(chǔ)類(lèi)型，具有不同的使用壽命，這取決于讀寫(xiě)周期。這也是一個(gè)需要和自動(dòng)化供應(yīng)商討論的話題。

不同類(lèi)型控制器的區(qū)別

為工廠自動(dòng)化選擇控制器，不僅和是否應(yīng)該使用PLC、PAC、或IPC有關(guān)，它還應(yīng)該涉及應(yīng)用要求的定義，包括基本的控制需求以及未來(lái)的可擴(kuò)展性。尤其是可編程軟件平臺(tái)的選擇，與選擇合適的硬件一樣重要，需要在決策過(guò)程中發(fā)揮重要作用。

無(wú)論是機(jī)器還是過(guò)程控制，典型的控制器系列都包括PLC、PAC和IPC。盡管不同的控制器之間存在諸多差異，但它們的特性與功能正在不斷的融合。

雖然PLC是第一個(gè)用于替代繼電器的控制設(shè)備，但到目前為止，PLC仍然是中小型應(yīng)用的最佳選擇。隨著對(duì)新技術(shù)接受程度的提高，PLC的功能也在不斷擴(kuò)展。很多低端PLC使用梯形圖邏輯編程，因?yàn)檫@對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合來(lái)講已經(jīng)足夠了。更高端的PLC，則可使用功能塊和其它IEC61131-3編程語(yǔ)言。

PAC擴(kuò)展了PLC功能，包括改進(jìn)的運(yùn)動(dòng)、安全和視覺(jué)功能?；赑LC的PAC，作為這類(lèi)控制器的分支，使PAC功能像PLC一樣簡(jiǎn)單易用，但功能更強(qiáng)大。由于具有更先進(jìn)的功能，并且可以使用其它高級(jí)語(yǔ)言（諸如C語(yǔ)言的變體等），IPC對(duì)于更復(fù)雜的應(yīng)用來(lái)說(shuō)是一種理想的選擇。

在每個(gè)控制器類(lèi)型中，自動(dòng)化供應(yīng)商都可以提供很多配置選項(xiàng)，以及內(nèi)置和遠(yuǎn)程輸入/輸出(I/O)的不同組合。還有從簡(jiǎn)單串行到以太網(wǎng)等各種通信方式可供選擇。硬件配置還可能包括內(nèi)置I/O(通常稱(chēng)為模塊)的獨(dú)立控制器，可以使用可堆疊的I/O和機(jī)架式選項(xiàng)進(jìn)行擴(kuò)展。

控制器選擇的注意事項(xiàng)

盡管了解和評(píng)估控制器的規(guī)格是關(guān)鍵的應(yīng)用需求，但是工廠人員的能力和未來(lái)的連接需求，也是決策過(guò)程中的重要考量因素。

控制器選擇時(shí)，需要考慮的關(guān)鍵注意事項(xiàng)還包括:

●工廠人員的自動(dòng)化經(jīng)驗(yàn)；

●I/O的數(shù)量和類(lèi)型；

●所需的控制功能，如閉環(huán)比例、積分、微分(PID)，運(yùn)動(dòng)和速度；

●通信選項(xiàng)；

●數(shù)據(jù)收集要求；

●特殊功能要求。

有些設(shè)施高度自動(dòng)化，可以處理各種控制器和設(shè)備，而另外一些設(shè)備則可能對(duì)新技術(shù)的熟悉程度有限。PLC是許多行業(yè)和應(yīng)用的主要自動(dòng)化工具，主要因?yàn)樗鼈兲峁┝藴?zhǔn)確、可靠和可修改的控制，同時(shí)由于它們的廣泛使用，大家對(duì)它都非常熟悉，因此易于工作。

如果工廠人員從沒(méi)使用過(guò)PLC，那可以先考慮使用一個(gè)小而簡(jiǎn)單的PLC。這些小型控制器的設(shè)計(jì)便于擴(kuò)展，同時(shí)具有很多功能，可以在大型PLC上使用。

PLC的選型和應(yīng)用

下一步是檢查應(yīng)用的需求。估計(jì)離散和模擬I/O的數(shù)量是一個(gè)好的開(kāi)始。主要組件列表(連同位置和存在傳感器)，有助于確定精確的數(shù)量。

除了離散控制和模擬過(guò)程功能外，某些PLC已經(jīng)逐步發(fā)展到能夠執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)，如運(yùn)動(dòng)和PID控制。這種控制器可以處理復(fù)雜應(yīng)用，如利用精準(zhǔn)對(duì)齊的高速包裝線。

用于某些運(yùn)動(dòng)控制功能的伺服和變頻器，并不總是需要協(xié)調(diào)，但在通信和其它需求的方面，仍然可能相當(dāng)復(fù)雜。許多控制器可能需要同時(shí)與多個(gè)驅(qū)動(dòng)器通信，以傳遞位置、速度或扭矩指令。RS-232、RS-485和以太網(wǎng)等其它方式，都是與驅(qū)動(dòng)器通信的有效選擇。與分布式I/O相比，選擇數(shù)字通信協(xié)議是一個(gè)更好的選擇，因?yàn)樗鼈兒?jiǎn)化了布線，可以監(jiān)視更多的參數(shù)，給更多的參數(shù)發(fā)指令，并且在需要更改時(shí)具有更多的靈活性。

數(shù)據(jù)采集需求也是應(yīng)該考慮在內(nèi)的因素。幸運(yùn)的是，許多控制器，甚至是最新的小型PLC，都有內(nèi)置的通信、數(shù)據(jù)記錄、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器訪問(wèn)和電子郵件功能?？梢詫?shù)據(jù)寫(xiě)入微型SD卡的功能，是另一個(gè)值得擁有的功能，它和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器功能和遠(yuǎn)程訪問(wèn)一樣重要。

有些應(yīng)用需要具有一定的安全等級(jí)才能滿足法規(guī)要求。雖然應(yīng)用可能建議使用安全級(jí)的PLC，不過(guò)使用非安全級(jí)的PLC以及一個(gè)或多個(gè)可編程的安全繼電器，也可以在降低成本的同時(shí)提供所需的功能。

軟件編程的評(píng)估

在一個(gè)典型的自動(dòng)化項(xiàng)目中，軟件編程大約占到所有工作量的一半，但是為控制器編程所需的時(shí)間以及所需的專(zhuān)業(yè)知識(shí)水平，可能會(huì)因控制器編程軟件的不同而有很大差異?？刂破骶幊誊浖枰紤]的事項(xiàng)包括：

●易于編程；

●偏好和舒適區(qū)；

●時(shí)間和成本投入；

●可用的培訓(xùn)資源；

●數(shù)據(jù)記錄和遠(yuǎn)程訪問(wèn)。

具有限編程指令的簡(jiǎn)單軟件（有時(shí)還是免費(fèi)的），涵蓋了適用于這些小型控制器的大多數(shù)應(yīng)用。隨著機(jī)器規(guī)格和復(fù)雜性的增加，大多數(shù)中型和大型PLC提供的軟件平臺(tái)，需要比小型簡(jiǎn)單PLC更長(zhǎng)的學(xué)習(xí)時(shí)間。

控制器編程軟件的選擇，通常與用戶(hù)的偏好和舒適區(qū)有關(guān)。雖然所需的硬件由應(yīng)用需求驅(qū)動(dòng)和確定，但軟件選擇通常是一個(gè)主觀的決定。大多數(shù)公司都應(yīng)該選擇使用標(biāo)準(zhǔn)的控制器編程軟件平臺(tái)以及一個(gè)統(tǒng)一的編程方法。

在選擇編程軟件時(shí)，用戶(hù)還應(yīng)考慮可用的培訓(xùn)資源。在網(wǎng)上應(yīng)有大量的技術(shù)信息庫(kù)和用戶(hù)手冊(cè)。軟件程序一旦開(kāi)發(fā)完成，就需要進(jìn)行測(cè)試。編程軟件應(yīng)該包括查看PID回路響應(yīng)和運(yùn)動(dòng)配置文件，以及模擬其它軟件功能的能力。內(nèi)置的項(xiàng)目模擬器可以在沒(méi)有硬件或下載到現(xiàn)有系統(tǒng)之前來(lái)測(cè)試代碼，因此可以節(jié)約大量的時(shí)間。

雖然為控制器選擇合適的硬件和編程軟件需要考慮很多因素，但選擇控制器的方法不太可能是“一刀切”的。在為工廠選擇控制器時(shí)，最好能夠選擇滿足公司廣泛需求的系列產(chǎn)品。（作者：JeffPayne）