2024年1月2日

基于PC的工业控制系统的优缺点分析

作者 admin

过去一段时间,工控领域形成了两条相互竞争的战线。 有人说PC可以很好地用于控制,也有人说PC永远不适合在工厂环境中使用。 今天,这些竞争者很容易接受 PC 用于许多工业生产控制,因为一个接一个的制造商在他们的部分生产中采用了 PC 控制解决方案。 因此,PC是不适合工厂粉尘环境的办公机器的传统观点也将改变。

 

Beckhoff 是基于 PC 的自动化技术的先驱之一:早在 1986 年,Beckhoff 就推出了第一套 PC 控制系统。 如今,Beckhoff 已将​​多年积累的专业知识应用于工业 PC。 Beckhoff 工业 PC 和 TwinCAT 自动化软件的结合为 PLC、NC 和 CNC 功能提供了一个高性能的控制系统。

德国Beckhoff公司的创始人Hans Beckhoff最主张依靠PC-based控制技术来推动自动化市场。 在 1985 年开发出第一个基于 DOS 的系统后,他就再也没有回头。 软件是 PC 控制系统工作方式的关键,添加硬件在 Beckhoff 理念中被认为适得其反。 倍福的成功有两个关键点:

1.所有工作在一个平台上由软件完成。

2. 为客户提供所需的一切,客户不必在别处购买其他零件。

但PC不会取代PLC等传统控制方式,因为基于PC的工业控制解决方案供应商主要开发软件。 无论软逻辑(PC-based control,俗称’软’控制或’软’逻辑)多么重要,它只占整个自动化项目的5%,而大约50%~60%的成本在I/O和电机 在驱动器等部分,工业PC可能占到10%到20%。 即使Soft Logic取得了巨大的成功,它仍然面临着集成问题。 制造业本身很清楚:他们想购买整个系统,而不是离散的部分; 在这里买一台 PC,在那里买一个软件包,然后再买一个 I/O 总线是不可取的。 我们经常遇到这样的例子,客户说他们需要一个开放的系统,但最终,他们通常会从同一家供应商那里购买所有部件,而他们真正需要的只是他们想要保证他们不会被遇到一些设备故障,并在必要时切换到另一家供应商。 (即需要可靠的标准设备)

另外,Windows系统可能是软件工作者的最爱,但是对于工厂的底层控制来说却是个大问题。 Windows 对需要千兆字节磁盘空间的工厂计算机来说太费力了,而在工业现场,最好不要有任何旋转部件,因为这会使计算机变慢且不确定。 因此,如果用Windows做工控,可能需要加协处理器板卡,使用固态硬盘,扩展实时性能,或者修改内核。 但是,以任何方式修改 Windows 系统不再被视为开放架构,而是具有自身局限性和支持标准的专用 PC 控制系统。 因此,普遍认为PC控制的新希望是Windows CE操作系统,它占用空间极小,具有实时性,并开放了部分源代码。 现在业界有很多WinCE产品。

下面我们将分析基于PC的工业控制系统(PCBCS)与其他控制系统相比的优缺点。

自21世纪中叶工业控制系统出现以来,工业生产的自动化程度不断提高。 工业控制领域使用的仪器仪表种类,系统中需要采集、处理和控制的信号越来越复杂。 这使得工控系统在整个行业发展中的地位越来越重要。 为了适应整个工业生产的发展,现代工业控制系统随着社会生产的发展而不断发展和进步。 与模拟仪表、PLC、DCS、FCS等控制系统相比,基于PC(工业PC或适用于工业现场的普通PC)的工业控制系统(PC-Based Control System,PCBCS)可以更快速、更有效地处理数据。灵活控制工控环境中的各个终端并快速相互通信,也使控制系统与上层管理系统紧密结合,便于生产监控和管理。 并且更重要的是,它是一个完全开发的系统,非常有利于产品的开发、维护和升级,因此在工控领域得到了广泛认可,相关应用领域迅速扩大,成为新趋势在工业控制领域。

PCBCS的结构及其开放性

PCBCS控制系统主要由三部分组成:PC; 智能或非智能 I/O 组件; 具体的应用软件。 PC一般指工业PC,有时也可能是普通PC,视工作环境而定。 PC机是整个控制系统的核心,具有数据处理、获取数据信息、发送控制信号、与其他PC机通信、操作显示等多种功能。 I/O元件一般指控制端子、数据采集端子及其连接器。 这些部件主要用于现场环境,是整个控制系统的外围结构,不仅包括普通的I/O口,还包括一些智能终端,甚至小型PLC等,控制着整个自动化生产线. 在PC机上安装特定的应用软件,指挥和协调整个控制系统稳定有效地工作。 与硬件电路变得简单和模块化相比,硬件成本大大降低,应用软件的编写也相对复杂。

与以往的DCS、FCS等控制系统相比,PCBCS在各个方面都是一个完全开放的控制系统。 其他控制系统,如PLC、DCS,综合性能优越,系统集成度好,但开放性不好,接口数量有限,成本较高,产品升级改造受限。 虽然最近兴起的FCS总线协议是开放的,但仍然存在多种现场总线共存的情况,而且某一总线协议很难完全替代其他总线协议。 也给产品的开发和维护带来了极大的不便。 PCBCS不存在这些问题,允许任何人在现有系统软件的基础上开发自己的应用软件。 大大提高了软件编译的自由度,不需要任何协议。 应用于系统的组件也是完全开放的。 不再需要像以前那样选择遵循某种协议的组件或某个公司专有的组件。 用户可以根据通用的标准选择性能更好、价格更合理的产品。 通过系统化的设计和维护,大大降低了产品开发和维护成本。

PCBCS控制系统的优势可以概括为以下几个方面:

1、系统成本大大降低

随着大规模集成电路的飞速发展,自20世纪90年代中期以来,计算机技术的飞速发展,大大提高了微型计算机的性能,同时其价格也变得很低廉。 与微处理器、PLC等人机界面(HMI)相比,PC具有很高的性价比。 而且,与PLC、DCS、FCS等相比,PCBCS控制系统不仅在数据处理速度上,而且在海量存储上也无可比拟。 相关信号采集处理板卡、电源、机架、机柜、布线等方面的投资也将大大减少。 PC的低成本、高速度、基于应用软件的易操作性、人机界面等,是PLC等控制设备无法企及的。 也采用串行总线,不同现场总线的设备可以方便地连接到PC机上,由应用软件进行处理。 摒弃了以往设备之间复杂的连接方式,设备成本也大大降低。 对于非智能化、非数字化的简单设备,也可以直接与PC机相连,通过模拟信号(通过处理板)与PC机进行通信。

2、处理速度和通讯速度非常快,信息存储量大

PC具有高速的处理速度、可靠的操作平台、海量存储、网络化、智能化等相关优势。 在进行数据处理(如模拟量计算)时,PC的计算速度通常是PLC和DCS的100倍以上。 而且PC机的存储容量非常大,系统相关数据的存取非常方便。 在数据通信方面,随着网络技术的发展,基于PC级的高速处理速度已经相当成熟。 PC通信技术,无论是PC机之间的通信,还是PC机与I/O组件之间的通信,通信速度都非常快。 如果通讯线路负载过大,可以采用多台PC机分段控制,然后PC机之间相互连接。 用于网络通信。 这样也可以极大的保证整个系统的稳定性。 对于有问题的部分也可以快速隔离系统。

3、易于将过程控制、批量控制、运动控制合而为一

生产自动化要求整个控制系统高度集成,以保证整个生产系统的协调性。 PC机通过专门设计的多通道输入输出板卡,可以采集和处理大量的模拟、数字、脉冲、开关量等信号。 通过PC机的高速处理,可以高速进行系统中某条生产线的过程控制。 一个执行器的运动控制,现场多个部件的批量控制和逻辑控制。 基于高速处理器、海量内存、多线程处理和高速通信,PC在控制比较大的系统时具有优势。 它允许更好地集成所有相关系统、更好的协调和更快的处理。

4、系统设计、调试、维护简单,上层信息的存取方便快捷,整个控制系统的设计更好。

由于PCBCS是一个开放的系统,基于已有的技术成果和相关知识,工程师可以更快更好地设计整个控制系统。 由于PC机的人机界面友好,界面非常简洁,元器件的通用性好,所以整个系统的调试和维护也非常简单。 也因为有了PC,系统中信息的获取非常方便,与其他上层的交流也非常简单,相关信息一目了然。

5、系统软件的可移植性好

PCBCS虽然在硬件方面大大节省了成本,但在软件编译方面却变得相对困难。 但是PCBCS系统软件的可移植性很好,只有在做某个新项目时,编译软件有困难时,如果有其他相关软件可以参考,或者在现有软件的基础上升级,那么软件编译就变成了非常困难 开发新的或升级的软件简单易行。 在现有PCBCS的基础上,软件开发不再是难题。

六、控制、人机界面和编程功能易于集成等。

由于PC机具有良好的人机界面,在控制过程中各种相关信息一一显示,便于操作人员对整个系统进行操作,实现全面控制。 消除控制的整体不利因素,完成控制任务。而且,操作人员还可以进行实时编程,实现其他系统无法完成的功能

不足的:

PC 在工业环境中的使用首次受到限制。 工业现场环境较为恶劣,温度、湿度、粉尘、电磁干扰等诸多不利因素限制了PC的现场应用。 而现有工业级PC的稳定性已经很高,可以满足大部分现场的要求。 而且,现有的PCBCS大多避免将PC直接应用到现场,多采用智能下位机,如PLC或其他智能设备,利用现场外的PC通过与现场的快速通讯来控制整个系统。它。 而且,在这种模式下,每个智能设备都独立于PC进行通信,一旦出现故障,可以立即隔离故障模块,保证系统的稳定性,避免PC直接应用到现场。

其次,PC本身的稳定性还没有达到完美。 虽然PC的性能有了很大的提高,稳定性也有了很大的增强,但是PCBCS中使用的PC对稳定性要求极高,这也是限制PC在控制系统中应用的重要因素。 但是基于PC的低成本,我们可以使用一台或两台PC作为备用机来应用系统。 它们与当前机器同步工作。 一旦当前主机出现故障,可以立即检测到备份机并投入工作,保证系统的正常运行。

那么通信线路就有可能过饱和。 虽然PC机可以快速处理大量数据,但是如果通过一组或几组串行总线传输大量数据,通信性能将大大降低。 可以采取的方法是使用多台PC机进行信息采集和处理,然后通过以太网进行高速通信。 虽然这会增加系统的复杂度,但系统响应时间会大大缩短。 也可以通过嵌入式系统对一些简单或不重复的信号进行现场处理,保证对重要信号的及时响应。

由上可见,PCBCS作为控制系统的主体,在性能和成本上具有明显的优势。 但在底层控制上存在不足。 DCS和FCS都是基于仪表的控制系统,在底层控制方面具有显着优势。 它通过现场总线连接各种检测和控制设备,通过一组或多组网线连接大量不同厂家、不同标准的传感器、执行器、环路调节器等仪表,实现数据交互。 这不仅降低了系统成本,而且提高了项目进度和系统可靠性,因此可以作为PCBCS中不可或缺的补充。

而且,当今时代,全球范围内的网络信息化程度非常高,计算机应用技术非常广泛。 每个企业和公司的正常工作都越来越重视计算机互联网系统。 这种计算机网络应用极大地提高了人们的工作效率,但互联网的开放性也给各行业的信息安全带来了极大的隐患。 如何控制内部系统资源,保护现有的各种数据,防止病毒入侵,是所有行业都必须考虑的问题。 在这些行业中,工业控制中的工业计算机网络安全是最重要的考虑因素。

为了避免网络入侵,建立安全高效的互联网平台,保护企业资源和数据安全,网络中出现了杀毒软件和防火墙。 网络防火墙是企业内部网络与企业外部网络、专业网络与共享网络之间的安全隔离屏障。 它可以防止许多黑客恶意攻击或破坏普通用户和企业计算机系统。

但是,随着黑客技术的不断提高,防火的防护效果还不够好,尤其是软件部分。 因此,在发展过程中,硬件防火墙发挥了重要作用。 例如,嵌入式硬件具有较高的处理速度、高效的吞吐量,可以在高流量的工作环境中稳定运行。

总结:

基于PC的控制系统一般被认为具有以下优点:PC价格低,数据处理能力强,系统和软件安装使用方便,应用项目开发周期短,人机交互性好,网络通讯方便,先进的诊断功能,软件透明度更好,系统维护成本低。

例如生产过程中的信息可以通过软件代替硬件从一处传输到另一处,将数据采集到excel中,可以方便的进行分类、求平均等,从而更好的了解生产过程。工具和机器的使用异常。

在实际的PC控制系统开发中,主要考虑以下问题:

Windows系统是否足够稳定(能否保证不停机持续运行) Windows系统能否保证实时响应(除WinCE外均为非实时系统,实时扩展会增加成本) 网络通信要求实时性高,网络传输必须确定永久数据安全,工业现场联网后​​如何保证网络安全