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如何正確選擇自動化控制器?

發布時間: 2021-06-29
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  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要遠遠多于代替繼電器?,F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進行通信。性能可以從簡單設備到多核處理器不等。


  傳統的PLC、可編程自動化控制器(PAC)和工業控制計算機(IPC)之間的區別主要與處理能力和性能相關,不過現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編程規范,控制軟件取得了一定程度的標準化。在后臺運行的強大的實時操作系統,避免了對基于MicrosoftWindows操作系統的依賴。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。


如何正確選擇自動化控制器?


  由于現在的自動化控制器除了進行邏輯處理外,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(實時、MicrosoftWindows和Linux)。IPC可用于控制、數據采集以及不斷出現的新任務,比如邊緣計算。


  傳統的PLCI/O通信響應時間,取決于網絡性能、節點數、通信量、CPU性能和CPU負載;采用更嚴格的集成和開放IEC61131技術的設計,集中軟件管理和分散的程序執行,可以提高性能。


  控制器功能的考量


  在相同的軟件環境、相同的程序中,運行在同一個處理器上,協調所有機器的功能,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構,使得有組織的、有凝聚力的方法成為可能。盡管如此,有些領域卻并不需要那么多集成控制,例如簡單的應用程序,就沒有擴展計劃。應用的復雜性和性能需求決定了控制器的規格。選擇控制器的時候有很多因素需要考慮,根據應用的不同,您可能需要對下面的注意事項進行考量。


  ●邏輯


  對邏輯控制的基本需求,是為什么我們繼續將自動化控制器稱為PLC的原因。PLCopen是一個組織,它負責維護和擴展IEC61131-3編程標準的范圍,并管理大量的知識、培訓和庫。該組織的活動,遠遠超出邏輯控制的范圍,包括運動、安全、OPC統一體系架構(UA)、XML等。


  ●多軸運動


  根據應用的復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十甚至數百個運動軸。隨著摩爾定律和行業標準的發展,不再需要有專用運動網絡的獨立運動或機器人控制器。


  ●網絡安全


  在北美,硬接線網絡安全仍然是首選。網絡安全設施與控制機器的設備運行在同一個網絡上,已被證明為一個行之有效的控制功能。


  網絡安全的實現,可以從控制處理器上的冗余內核,到單獨的安全控制器,再到小型系統中的安全輸入/輸出(I/O)來實現。網絡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兼容環境中執行運動功能。由于內置了堆垛算法到裝配模式,專用機器人控制器可以持續提供有價值的功能。


  ●機器監控


  監視機器的運行狀況,是預測維護計劃和減少計劃外停機的關鍵一環??刂破骺梢耘c各種現有的傳感器(如溫度探頭和加速度計)相結合,以監測實際情況。在發生災難性故障之前,機器監控還有助于檢測異常。能量監測也可應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。


  ●數據處理


  自動化控制器可以是網絡、OPCUA服務器和客戶端。它們具有收集工業物聯網(IIoT)數據的功能,并可以從云端或終端接收指令以優化過程。自動化控制器通常將數據發送到制造執行系統(MES)、企業資源規劃(ERP)、整體設備效率(OEE)、可信平臺模塊(TPM)和產品生命周期管理(PLM)軟件。在IIoT環境中,接受有用的分析數據也非常重要。


  ●自動配置


  以前,更換新組件(如驅動器)必須手動為設備確定和加載正確的固件版本?,F在,自動化控制器可以在無需人工干預的情況下,自動讀取設備并提醒技術人員進行必要的調整。


  ●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通信端口,可與HMI、管理系統、編程和其它非時間關鍵任務進行通信。對于控制器來講,支持某種特定類型的工業以太網協議,如EtherNet/IP、EtherCAT、Powerlink、Profinet等,以便組建確定性網絡,已經是很常見的。遺憾的是,目前還沒有一個獲得普遍認可的工業以太網標準,可以提供適合機器控制的高速、確定性的通信。


  不過,時間敏感網絡(TSN)的發展帶來了很大的期望。TSN與OPCUA和OPCUA發布訂閱(Pub-Sub)一起,將給IEEE802系列以太網標準帶來更多的確定性。工業互聯網聯盟為其搭建了一個試驗臺,已經有多個工業自動化供應商參與其中,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、企業范圍內和云端上實現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,可以充分發揮器人體工程學優勢,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。


  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、各種計算機操作系統和網絡服務的控制器??刂破骺梢允仟毩⒌?,工業計算機專門用于非控制任務,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用。


  先進的自動化供應商可以為用戶提供滿足不同需求的PLC產品范圍,例如從配置固定I/O的微型PLC,到中檔PLC,再到能夠處理數以千計的I/O的模塊化PLC系統。


  ●可擴展性


  雖然軟件開發環境通常與硬件(超小、微型、中型和大型PLC)相關,但它也有可能在獨立于硬件的開發環境中工作。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。這種靈活性可擴展到馬達和驅動器類型。低端的步進或變頻器可與高端伺服共享相同的程序。當一系列設備的設計旨在允許復用關鍵軟件元素時,可擴展性的要求就尤為關鍵。


  ●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,建議與技術提供商的技術支持和銷售工程師團隊合作,為預期的應用需求選擇最佳的性價比方案,因為他們更了解自己的產品。


  理想情況下,處理器應具有可擴展性,控制軟件才能兼容控制器產品線上的所有產品。自動化技術供應商會對重要組件準備充足庫存,以確保產品的可用性,并為替代品提供遷移服務。


  此外,還要確定是否需要靜音操作,以及安裝控制器的預期環境溫度。其它散熱選項包括風扇、空調、散熱器和水冷等。


  ●內存


  固態內存在自動化控制器、可移動介質(如C-Fast卡)以及對成本更敏感的永久安裝的應用中已經非常流行??梢苿觾却娴膬烖c是可以輕松地替換它,便于制作和存儲備份,并且很容易擴展內存容量。


  但是,在使用工業存儲卡時需要小心,并確保媒介符合應用所需的規格。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商討論的話題。

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