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可编程控制器的现场集成技术

字号+ 作者:新闻小编 来源:未知 2019-08-13 10:54 我要评论( )

:1 引言 可编程控制器是以微处理器技术为基础,综合了计算机技术、自动化技术和通讯技术的一种新型工业控制装置。......

1 引言

  可编程控制器是以微处理器技术为基础,综合了计算机技术、自动化技术和通讯技术的一种新型工业控制装置。其可靠性极高、耐恶劣环境能力强、使用极为方便等特点,与机器人技术、cad/cam并列称为工业生产自动化的三大支柱。它是上世纪60年代发展起来的被国外称为先进国家三大支柱之首的工业自动化理想控制装置,是近年来发展极为迅速,运用面极广的工业控制装置,现已广泛运用于自动化的各个领域。

2 可编程序逻辑控制器(plc)

  plc 英文名programming logic controller即可编程序逻辑控制器,是最早于汽车制造行业应用并发展起来的一项技术,用于代替继电器完成机器和设备的自动控制,它的最大的特点是可编程,即根据控制逻辑和控制要求的变化可重新编制程序,而不用象继电器线路一样需要重新更换原器件和重新接线。今天plc已集成了许多高级计算功能、通信功能、完成特殊控制功能的功能模块如位置控制、速度控制、过程控制等,并具有了与计算机系统的集成和连网的能力,plc自发明以来在工业自动化、交通控制、电力运输、楼宇自动化等领域得到了广泛的应用。

3 PLC发展历史 

  自1969年世界上第一台可编程控制器在美国dec公司诞生以来,plc走过了30余年的发展历程。回顾其发展历程,可将plc技术分为3个阶段:

  (1) 传统plc阶段。它是plc的最初阶段,也是现代plc的基础。其结构如图1所示,工作原理 如图2所示。

  如图2所表示的一样,plc的工作原理是:首先读取输入接点的状态然后执行程序然后根据程序的执行结果刷新输出接点的状态然后再读取输入接点的状态读取输入接点的状态,如此循环执行。

  由plc的工作原理可以看出:从输入端的信号状态发生变化到输出端的信号变化,中间需要执行程序(用户程序、系统程序),程序的执行需要时间,而且这个时间是不可预测的,在某些应用场合这是不允许的,如位置控制、速度控制、需要高速响应的控制,这就使得plc在这些场合不能使用或需配置昂贵的专用模块。从图1可知,plc系统的核心是微处理器(cpu),为防止系统程序跑飞,产生误动作,必须采取一系列硬件和软件的措施去克服这一问题,同时由于plc使用的是梯形图语言,系统本身必须带有功能强大的编译器,这样就使得plc构成的系统具有较高的价格。而且程序跑飞、编制的程序出现死循环等依然是存在的隐患问题。

  (2) open plc阶段。open plc又称pc base plc、softplc,是最近几年提出的一种概念,它是基于开放式pc平台和开放式开发软件的plc,它能方便的与其他软件集成及网络集成。其组成结构如图3所示。

  open plc只是在它的开发环境方面提出了一个新的概念,即开放性、标准化,它的运行原理方面与传统plc相比具有实时多任务运行机制,但仍然是基于程序执行这样的基础。因此它并没有从根本上解决传统plc存在的问题,在其实现的系统中依然存在。

  (3) 现场集成阶段。也就是hard plc阶段,它是一个全新的代名词,也是一个plc的最新发展动向。它采用现代可编程逻辑器件cpld/fpga(complex programmable logic devices field programming gate array)作为硬件平台,采用eda(electronics design automation)开发工具配与硬件描述语言hdl(hardware description language)做为开发软件平台,象传统plc一样它同样是可编程的。其组成结构图如图4所示。

  hard plc则抛弃了传统plc程序的概念,以硬件线路来实现控制功能,而编程改变的也只是其芯片内部的硬件连接,而不需运行软件程序,因此自然没有程序跑飞、开机复位及自带语言编译器等问题,其完成的功能与传统plc相同,而系统的造价仅是传统plc系统的十分之一,甚至更少。在硬件线路运行时所有的信号是并行运行的,而且信号的路径是可知的,信号传输的时间是可预测的,所以可用于精确控制的需要,如位置控制、速度控制、信号处理、图像处理、高速机械等。它从根本上解决了传统plc存在的不足,代表了传统plc的最终发展方向。

4 plc的发展趋势

  随着微处理器技术、超大规模集成电路技术和数字通讯技术的进步和发展,可编程序控制器也得到了迅速发展,其功能已远远超出了其定义所指的范围,其概念也日趋模糊,现代可编程控制器的发展趋势主要有以下几个方面:

  (1) 用高性能器件,尽量缩小与工业控制计算机之间的差距。例如,德国festo公司的ipc(industrial pc)由一系列符合工业标准的模块组成,它与微机兼容且具有plc的功能。

  (2) 丰富i/o模块,使plc在实时性、精度、分辨率、人机对话等性能方面进一步得到改善和提高。

  (3)进一步强化网络功能,以实现信息管理自动化。例如ipc型控制器具备多种现场总线接口。如festo总线、profibus、as-i、can等,以及各种网络连接模块,如novell等,从而使plc与plc、plc与pc、plc与现场设备之间建立通讯联网。

  (4)多种编程语言并存,互补不足。ipc型控制器除了采用梯形图、指令表编程以外,还可以用iec1131规定的用于顺序控制的标准化语言以及c、basic等计算机语言进行编程。

  (5) 硬件结构集成化、冗余化。随着专用集成电路(asic,application specific integrated circuits)和表面安装技术(smt,surface-mout technology)在plc硬件设计上的运用,使得plc产品硬件元件数量更少,集成度更高,体积更小,其可靠性更高。同时,为了进一步提高系统的可靠性,plc产品还采用了硬件冗余和容错技术。用户可以选择cpu单元、通信单元、电源单元或i/o单元甚至整个系统的冗余配置,使得整个plc系统的可靠性得以进一步加强。

5 可编程控制器现场集成技术研究的意义

  现行的可编程控制器均是由专门的生产厂商设计生产的,用户选用他们提供的专用控制器时,可能只用到它的部分功能,会造成一定的资源浪费,而且专用控制器价格高,不经济。而使用现代可编程逻辑器件来实现具有如下优点:

  (1) 用户可以根据需要设计控制器的功能,不会造成太大的资源浪费;而且不用带自身专用的编译器,从而大大降低了系统的价格。

  (2)用户逻辑和接口部分可以做在同一个器件内,因而让接口和用户逻辑更紧密地结合;用fpga/cpld芯片组成的系统,很自然地避开cpu的程序跑飞、死循环、复位不可靠等缺点,无需采用过多措施就能使系统具有很高的可靠性。

  (3)fpga作为控制器的核心,其灵活的现场可更改性、可再配置能力,对系统的各种改进非常方便,在不更改硬件电路的基础上可以进一步提高系统的性能,也就是完成硬件的在系统升级;在线编程是fpga/cpld突出的特点,它无需改变芯片外部i/o口的连接线,可直接在用户自己设计的目标系统中或线路板上对fpga/cpld器件编程,这就打破了使用一般数字器件和plc先设计后装配的惯例,而可以先装配后编程,用在实际系统后还可以反复编程,从而开创了数字电子系统设计技术的新一页。此外,还可以通过红外线编程、超声波编程或通过电话线、internet进行在线编程。这些功能在远控或军事领域上有特殊的用途。

  (4)fpga的性能价格比很高,用它实现的控制器的价格,几乎只是和它具有相同输入/输出端子市售可编程控制器价格的十分之一;而且其逻辑实现是并行工作的,其速度远远大于plc,这在实时系统中是非常有优势的。

  (5)它抛弃了传统plc程序的概念,以硬件线路来实现控制功能,在硬件线路运行时所有的信号是并行运行的,而且信号的路径是可知的,信号传输的时间是可预测的,所以可用于精确控制的需要,如位置控制、速度控制、信号处理、图象处理、高速机械等。

  从以上优点我们可以看出,基于fpga/cpld的hardplc能更经济、更稳定、更方便地适应用户的需求,而且其实时性、灵活性远远优于传统的可编程控制器(plc)。因此,可编程控制器的现场集成技术应用非常广阔,具有很强的工程实用价值。

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