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智能时代PLC应用及发展趋势

2019/8/16    来源:控制网    作者:王德吉      
关键字:智能化  智能制造  PLC  
自1969年第一台PLC诞生之日起,PLC成为了工业界的掌上明珠。经过近半个世纪的发展,PLC已成为工业自动化系统的核心组成部分。在产业转型升级的智能化时代,PLC除满足控制功能外,还具备数据分析、流程优化、网络安全防护、故障预测等功能,完成了从经典控制到智能控制的转变。
    自1969年第一台PLC诞生之日起,PLC成为了工业界的掌上明珠。经过近半个世纪的发展,PLC已成为工业自动化系统的核心组成部分。在产业转型升级的智能化时代,PLC除满足控制功能外,还具备数据分析、流程优化、网络安全防护、故障预测等功能,完成了从经典控制到智能控制的转变。

1.传统PLC发展及应用状况

    1.1 国际PLC发展应用史

    PLC,也称为可编程逻辑控制器,是Richard E.Morley于1968年发明的自动化设备。其核心设计思想是使用软件编程代替硬连线继电器控制来建程序控制系统。同年,通用汽车公司制定了PLC的设计标准。自此PLC广泛应用于各种工业领域[1]。

    20世纪70年代是PLC的崛起期。自罗克韦尔自动化于1977年首次提出基于8位微处理器的PLC以来,许多制造商纷纷效仿并生产基于8位微处理器的PLC产品,如Intel8080和Zilog的Z80。

    20世纪80年代,随着微电子技术和微处理器技术的发展以及PC的应用,PLC技术处于成熟阶段。Athani设计了基于8位微处理器8085的PLC,它具有手动编程器和CRT显示终端,程序段可以显示在CRT上。

    20世纪90年代,随着PLC国际标准IEC61131的正式颁布,PLC技术进入了第三个发展时期。这时,在系统结构上从传统的单机到多处理器的发展,在控制系统配置上从独立控制系统到分布式和远程控制系统的开发;在编程语言中,倾向于多样化和相互转化。除自动化生产线以外,还开发了基于PLC的分布式控制系统(DCS)、监控和数据采集系统(SCADA)、灵活多变制造系统(FMS)、安全联锁保护(ESD)系统、运动控制系统等,以提高PLC在各方面的应用范围和水平。

    自20世纪90年代末以来,由于信息技术的飞速发展和用户对开放性的强烈需求,在保留PLC功能的前提下,面向现场总线网络,采用开放式通信接口。逐步打破每个PLC产品封闭状态,采用相关的国际工业标准,使用户开发的应用可以移植到不同的PLC产品之间。

    综上所述,自PLC问世以来,它始终表现出强大的生命力和快速的增长。目前,全球有200多家PLC制造商,以及数千种各类产品。

    1.2 国内PLC发展应用史

    在中国,自20世纪70年代以来,中国开始了PLC的研究和应用。1974年,中国首次复制了在美国生产的第二代PLC。1977年,中国采用美国摩托罗拉公司的mc14500集成芯片,成功开发出第一台在中国具有实用价值的PLC。1979年,从美国引进MODICON584的PLC首先在电站的辅助设备成功应用。

    20世纪80年代初,在积极引进国外PLC生产线的同时,国内开发了一些自己的PLC产品,可靠性得到了极大提高,逐步得到用户的认可。

    据了解,国内PLC市场总需求较大,而国内PLC占整个市场份额微乎其微,造成国内PLC落后的原因一是技术问题,缺乏开放性;二是缺乏大量资金,没有形成规模;三是制造工艺需要加强;四是亟需提升竞争力,形成品牌。因此我们应该集中资金和技术,开发自主产权的系列产品。特别是要抓住智能制造时代的机遇,充分利用软件和硬件性能不断提升的时代优势,开发面向大数据的专业化、高性能、智能的PLC。

2.智能制造时代,PLC发展应用的新需求和新基础

    2.1 PLC发展的新需求

    2.1.1 近年来 PLC的市场发展对PLC提出新要求

    根据Frorst&Sullivan发布的全球PLC市场报告,PLC市场在多个领域都在积极发展。据估计PLC的装机容量目前为5200万台,其中微型PLC占相当数量,预计到2019年将达到6500万台,其中大部分将被更换。在未来五年内更换现有的PLC将是PLC市场增长的重要因素。由于工业物联网的迅速普及以及云服务逐渐进入工业市场,PLC需要直接与MES和ERP等上层管理软件信息系统连接。PLC系统必须适应硬件和软件的智能制造需求[2]。作为工业物联网的一部分,PLC作为边缘计算变得越来越重要。将PLC部署为靠近设备或流程的第一层计算功能可实现智能或协调的事件响应,并有助于减少云的数据处理负担。在具有数十个、数百个甚至数千个传感器的系统中,来自这些传感器的大部分数据可能没有多大价值,仅报告“正常”工作条件。PLC可以过滤、丢弃或更有效地重新组装数据,以便传输到云进行存储和分析。当发生关键事件时,PLC可以快速确定正确的响应,向连接的设备发出适当的指令,并在适合云使用的报告中汇总事件。

    2.1.2 面向复杂控制的需求对PLC功能提出新要求

在机器控制领域,需要一些类似于过程控制领域的PID调整、工艺算法,要求PLC具有卓越的算法设计和处理能力;运动控制应用更加广泛,PLC需要满足电子齿轮,电子凸轮和定位控制的要求,同时需要开发安全和设备安全要求的产品。为满足机器人的复杂路径规划和矩阵变换,需要将CNC和机器人库集成到PLC中。

    2.1.3 大数据的需求对PLC功能提出新要求

    越来越多的传感器用于监控环境、设备的健康状态以及生产过程的各种参数,这些工业大数据的有效收集迫使PLC采用嵌入式PLC并尽可能地完成日益复杂的现场,大大提高了无缝连接性,相关控制参数和设备状态可以直接传输到上层系统和应用软件,甚至发送到云端。

    2.2 PLC发展的新基础

    2.2.1 PLC硬件助力智能制造的要求

    SoC芯片在主钟频率越来越高的同时而功耗却显著减小,为开发更小体积、更高I/O密度、更多功能的PLC奠定了基础。多核SoC的发展,可以进行高速的运动控制处理、视觉算法的处理等;而通信技术的进展使得分布式I/O运用越来越多,泛在的I/O运用也有了起步。

    2.2.2 PLC软件助力智能制造的要求

    为解决PLC控制系统的工程设计、编程、操作、管理使用不同的软件,导致同一对象命名不一致的现象,PLCopenInternational致力于与许多国际标准化组织和基金会合作,开发IEC61131-3,OPC UA ClientFB,OPC UA ServerFB的信息模型,并建立了一个开放的标准生态系统。

    2.2.3 IT技术助力智能制造的要求

    随着IT技术的发展,CPU处理能力、通信速度、存储和扩展能力,软件功能块(OPC),诊断和维护能力以及显示能力都得到了极大提高,而IT技术的发展也带来硬件成本不断下降。

3.智能制造时代PLC发展新趋势

    3.1 性能指标不断增强

    随着IT技术的发展,PLC的性能指标从速度转向安全性、稳定可靠性、通讯能力、运动控制能力、实时通信能力、数据处理能力、流程优化能力、故障诊断能力更加综合的指标。

    3.2 网络支持能力不断增强

    随着现场设备智能化的提升和控制系统为保障可靠稳定性和可用性的需要,网络覆盖能力直接决定了系统对现场工艺设备的控制水平。因此,PLC将从总线、以太网、实时以太网等方面进行接口支持能力增强[3]。以太网更高速度数据传输满足了视频数据、视觉识别、图像处理等工业数据传输的应用。实时以太网满足了对于机器人、CNC、运动控制和Safety高速同步控制方面的数据交换能力需求,其数据刷新速度在μs级,同步精度在0.1μs。

    3.3 软件支持能力不断增强

    为完成智能控制,软件开发平台必须具备支持复杂算法的高级语言。高端PLC使用RTOS可以改进实时处理并支持多任务处理。为了实现逻辑和运动控制的统一编程和安全性,PLCopen对程序接口和自定义库的支持进行标准化[4]。

    3.4 安全技术不断增强

    “一网到底”整个网被连通了以后,现场生产工艺设备和上面的管理软件甚至云端连在一起以后,对信息安全的保障要求更高,因此必须遵循IEC61508标准规范,加强SafetyPLC研究和总线安全研究。

    3.5 软件平台集成度不断增强

    集成平台代表的是整体方案提供能力,通过基础PLC技术、HMI技术、Motion技术、传感器技术、总线技术的集成,提供包括编程、仿真、测试、维护、诊断等功能全产品生命周期PLC的服务能力,为客户提供价值。

    3.6 行业标准不断增强

    IEC / PLCopen组织集成了PLCopenLogic、XML、Safety、Motion、Hydraulic、IEC61131-3等标准,可以轻松开发基于这些库的软件应用程序。通用标准Unicode可以满足系统的多语言支持库,确保PLC产品可以支持世界各地的各种语言,使产品能够在全球范围内销售。为了能够与上层SCADA和管理层的ERP系统连接,微软和其他自动化制造商联合开发了用于不同PLC连接的OPC服务器,以确保与管理系统的连接[5]。

    3.7 信息处理能力不断增强

    在智能制造系统中,PLC不仅是控制器,还有收集器和中继器。只有使用面向服务的体系结构(SOA)的功能,PLC才能完成这些重要的任务。SOAPLC实际上将支持信息安全的虚拟专用网络(VPN)的Web服务放入PLC中。该服务权执行面向对象的数据通信,包括实时数据和历史数据、警报数据和其他服务。通过这些服务,PLC将相应的大量数据连接到上级服务和数据层,以便建模和使用信息模型。允许PLC集成OPC UA的服务器功能和OPCUA的客户端功能,确保PLC可以通过VPN执行安全的数据通信。

    3.8 用户体验性能不断增强

    将来,所有设备都将智能开发、现场设备和现场仪表通过以太网直接连接到控制系统。监控系统的屏幕将变得非常大,但设备应尽可能小,以提高舒适度,从而提高效率。这需要解决EMC干扰、解决散热问题、解决电路布局问题,以及在更小的空间内实现更强大的控制器。

    3.9 专业品质能力不断增强

    为了降低系统的生产和制造成本,PLC产品不断向模块化和标准化设计迈进。由于硬件的泛化和标准化降低了系统的成本,并且为了寻求差异化的竞争力,高端PLC将更多地关注软件功能和行业应用程序库的开发,而更细分的市场使得应用程序的差异化成为具有竞争力的武器。(摘自《自动化博览》2019年6月刊)

    【作者简介王德吉,男,博士后、首席培训师、研究员、行业信息与物流技术学科带头人。从事大数据和人工智能研究与培训工作。获省部级(行业)科技奖励二等奖6项,三等奖19项,获中职教一等奖5项,二等奖15项,三等奖30项;发表论文55篇,其中SCI、EI检索25篇;发明专利19项,实用新型专利21项,著作8部,软件著作权12项,国家标准25项,行业标准1项;主持参与22项省部级项目和3项国家级项目。先后被评为学院优秀党员、河南烟草感动人物提名奖、行业“十一五”优秀教师和第六届全国烟草行业劳动模范。兼任中科院博导,清华大学、西安交通大学研究生导师,国际工程师协会委员,美国纽约科学院院士,国家标准化委员会委员。 

责任编辑:杨培
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