【如何為應(yīng)用選擇正確的自動化控制器 ？】與可編程邏輯控制器(PLC)的最初使命相比，自動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、運動、機器人，以及與其它機器和管理系統(tǒng)進(jìn)行通信。性能可以從簡單設(shè)備到多核處理器不等。

傳統(tǒng)的PLC、可編程自動化控制器(PAC)和工業(yè)控制計算機(IPC)之間的區(qū)別主要與處理能力和性能相關(guān)，不過現(xiàn)在它們彼此之間的界線正在逐漸模糊。由于遵循國際電工委員會(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。在后臺運行的強大的實時操作系統(tǒng)，避免了對基于MicrosoftWindows操作系統(tǒng)的依賴。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大的主流處理器。

由于現(xiàn)在的自動化控制器除了進(jìn)行邏輯處理外，還可以做更多其它事情，PLC可能是一個過時的術(shù)語。因為所有的自動化控制器都是可編程的，PAC中的“P”也似乎是多余的?？刂破骰旧鲜怯嬎銠C，可以在同一個處理器上運行多個操作系統(tǒng)(實時、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)，比如邊緣計算。

傳統(tǒng)的PLCI/O通信響應(yīng)時間，取決于網(wǎng)絡(luò)性能、節(jié)點數(shù)、通信量、CPU性能和CPU負(fù)載；采用更嚴(yán)格的集成和開放IEC61131技術(shù)的設(shè)計，集中軟件管理和分散的程序執(zhí)行，可以提高性能。圖片來源: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，運行在同一個處理器上，協(xié)調(diào)所有機器的功能，正在變成一種流行趨勢。這需要機器功能同步，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，例如簡單的應(yīng)用程序，就沒有擴(kuò)展計劃。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，您可能需要對下面的注意事項進(jìn)行考量。

●邏輯

對邏輯控制的基本需求，是為什么我們繼續(xù)將自動化控制器稱為PLC的原因。PLCopen是一個組織，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、培訓(xùn)和庫。該組織的活動，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出邏輯控制的范圍，包括運動、安全、OPC統(tǒng)一體系架構(gòu)(UA)、XML等。

●多軸運動

根據(jù)應(yīng)用的復(fù)雜度和運動的同步性等需求的不同，自動化控制器可以控制數(shù)十甚至數(shù)百個運動軸。隨著摩爾定律和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展，不再需要有專用運動網(wǎng)絡(luò)的獨立運動或機器人控制器。

●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)施與控制機器的設(shè)備運行在同一個網(wǎng)絡(luò)上，已被證明為一個行之有效的控制功能。

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

●機器人集成

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

貝加萊X20系統(tǒng)為每個應(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。

●機器監(jiān)控

監(jiān)視機器的運行狀況，是預(yù)測維護(hù)計劃和減少計劃外停機的關(guān)鍵一環(huán)。控制器可以與各種現(xiàn)有的傳感器(如溫度探頭和加速度計)相結(jié)合，以監(jiān)測實際情況。在發(fā)生災(zāi)難性故障之前，機器監(jiān)控還有助于檢測異常。能量監(jiān)測也可應(yīng)用于壓縮空氣的使用，加熱器和烘干機中的天然氣使用，以及用于工藝過程中水的使用等。

●數(shù)據(jù)處理

自動化控制器可以是網(wǎng)絡(luò)、OPCUA服務(wù)器和客戶端。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優(yōu)化過程。自動化控制器通常將數(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。

●自動配置

以前，更換新組件(如驅(qū)動器)必須手動為設(shè)備確定和加載正確的固件版本。現(xiàn)在，自動化控制器可以在無需人工干預(yù)的情況下，自動讀取設(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或多個以太網(wǎng)通信端口，可與HMI、管理系統(tǒng)、編程和其它非時間關(guān)鍵任務(wù)進(jìn)行通信。對于控制器來講，支持某種特定類型的工業(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)是很常見的。遺憾的是，目前還沒有一個獲得普遍認(rèn)可的工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，可以提供適合機器控制的高速、確定性的通信。

不過，時間敏感網(wǎng)絡(luò)(TSN)的發(fā)展帶來了很大的期望。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)帶來更多的確定性。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟為其搭建了一個試驗臺，已經(jīng)有多個工業(yè)自動化供應(yīng)商參與其中，以證明TSN在機器到機器通信方面的可行性。

TSN是很重要的，這主要是因為要使IIoT能夠運作，需要在工廠、企業(yè)范圍內(nèi)和云端上實現(xiàn)不同控制平臺之間通信的互操作性。如果需要串行接口，則應(yīng)專門定義，因為目前串行通訊使用的較少。

●安裝形式

以下是3種最常見的自動化控制器的安裝形式。

1）IP20，機柜安裝:這是傳統(tǒng)PLC常用的安裝形式，有一個單獨的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，因此變得越來越流行。

除了控制，這種形式還可以集成PC功能，以運行各種MicrosoftWindows應(yīng)用程序，比如HMI，盡管基于Web的HMI的趨勢越來越明顯。與類似的控制器相比，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，以避免在其中一個損壞時需要同時更換兩個組件。但是現(xiàn)在已經(jīng)無需擔(dān)心，因為已經(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，或者升級到更強的控制硬件也不需要更換屏幕。

3）IP20，機柜式工控機，配置獨立的HMI:就像集成形式一樣，這種形式還可以作為一個具有實時操作系統(tǒng)、各種計算機操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的控制器?？刂破骺梢允仟毩⒌?，工業(yè)計算機專門用于非控制任務(wù)，如邊緣、霧或云計算。歷史庫、序列化和視覺檢查也是常見的應(yīng)用。

先進(jìn)的自動化供應(yīng)商可以為用戶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)以千計的I/O的模塊化PLC系統(tǒng)。圖片來源:AutomationDirect

●可擴(kuò)展性

雖然軟件開發(fā)環(huán)境通常與硬件（超小、微型、中型和大型PLC）相關(guān)，但它也有可能在獨立于硬件的開發(fā)環(huán)境中工作。這意味著首先可以為項目編程，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)動器類型。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)計旨在允許復(fù)用關(guān)鍵軟件元素時，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型可供選擇，但它們的性能彼此會有重疊。因此，建議與技術(shù)提供商的技術(shù)支持和銷售工程師團(tuán)隊合作，為預(yù)期的應(yīng)用需求選擇最佳的性價比方案，因為他們更了解自己的產(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。自動化技術(shù)供應(yīng)商會對重要組件準(zhǔn)備充足庫存，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)存在自動化控制器、可移動介質(zhì)（如C-Fast卡）以及對成本更敏感的永久安裝的應(yīng)用中已經(jīng)非常流行?？梢苿觾?nèi)存的優(yōu)點是可以輕松地替換它，便于制作和存儲備份，并且很容易擴(kuò)展內(nèi)存容量。

但是，在使用工業(yè)存儲卡時需要小心，并確保媒介符合應(yīng)用所需的規(guī)格。不同的存儲類型，具有不同的使用壽命，這取決于讀寫周期。這也是一個需要和自動化供應(yīng)商討論的話題。

不同類型控制器的區(qū)別

為工廠自動化選擇控制器，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的可擴(kuò)展性。尤其是可編程軟件平臺的選擇，與選擇合適的硬件一樣重要，需要在決策過程中發(fā)揮重要作用。

無論是機器還是過程控制，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，因為這對于大多數(shù)應(yīng)用場合來講已經(jīng)足夠了。更高端的PLC，則可使用功能塊和其它IEC61131-3編程語言。

PAC擴(kuò)展了PLC功能，包括改進(jìn)的運動、安全和視覺功能?；赑LC的PAC，作為這類控制器的分支，使PAC功能像PLC一樣簡單易用，但功能更強大。由于具有更先進(jìn)的功能，并且可以使用其它高級語言（諸如C語言的變體等），IPC對于更復(fù)雜的應(yīng)用來說是一種理想的選擇。

在每個控制器類型中，自動化供應(yīng)商都可以提供很多配置選項，以及內(nèi)置和遠(yuǎn)程輸入/輸出(I/O)的不同組合。還有從簡單串行到以太網(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(通常稱為模塊)的獨立控制器，可以使用可堆疊的I/O和機架式選項進(jìn)行擴(kuò)展。

控制器選擇的注意事項

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

控制器選擇時，需要考慮的關(guān)鍵注意事項還包括:

●工廠人員的自動化經(jīng)驗；

●I/O的數(shù)量和類型；

●所需的控制功能，如閉環(huán)比例、積分、微分(PID)，運動和速度；

●通信選項；

●數(shù)據(jù)收集要求；

●特殊功能要求。

有些設(shè)施高度自動化，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)用的主要自動化工具，主要因為它們提供了準(zhǔn)確、可靠和可修改的控制，同時由于它們的廣泛使用，大家對它都非常熟悉，因此易于工作。

如果工廠人員從沒使用過PLC，那可以先考慮使用一個小而簡單的PLC。這些小型控制器的設(shè)計便于擴(kuò)展，同時具有很多功能，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。估計離散和模擬I/O的數(shù)量是一個好的開始。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)，如運動和PID控制。這種控制器可以處理復(fù)雜應(yīng)用，如利用精準(zhǔn)對齊的高速包裝線。

用于某些運動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與多個驅(qū)動器通信，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)議是一個更好的選擇，因為它們簡化了布線，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)器訪問和電子郵件功能。可以將數(shù)據(jù)寫入微型SD卡的功能，是另一個值得擁有的功能，它和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器功能和遠(yuǎn)程訪問一樣重要。

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

軟件編程的評估

在一個典型的自動化項目中，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間以及所需的專業(yè)知識水平，可能會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]的事項包括：

●易于編程；

●偏好和舒適區(qū)；

●時間和成本投入；

●可用的培訓(xùn)資源；

●數(shù)據(jù)記錄和遠(yuǎn)程訪問。

具有限編程指令的簡單軟件（有時還是免費的），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，需要比小型簡單PLC更長的學(xué)習(xí)時間。

控制器編程軟件的選擇，通常與用戶的偏好和舒適區(qū)有關(guān)。雖然所需的硬件由應(yīng)用需求驅(qū)動和確定，但軟件選擇通常是一個主觀的決定。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以及一個統(tǒng)一的編程方法。

在選擇編程軟件時，用戶還應(yīng)考慮可用的培訓(xùn)資源。在網(wǎng)上應(yīng)有大量的技術(shù)信息庫和用戶手冊。軟件程序一旦開發(fā)完成，就需要進(jìn)行測試。編程軟件應(yīng)該包括查看PID回路響應(yīng)和運動配置文件，以及模擬其它軟件功能的能力。內(nèi)置的項目模擬器可以在沒有硬件或下載到現(xiàn)有系統(tǒng)之前來測試代碼，因此可以節(jié)約大量的時間。

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，最好能夠選擇滿足公司廣泛需求的系列產(chǎn)品。（作者：JeffPayne）