自动化系列讲座(2011级-2)-1

1、一、基于基于PC控制控制的开放式自动化的开放式自动化系统系统二、beckhoff楼宇自动化 昆明理工大学昆明理工大学 杨承志杨承志 一、基于PC控制技术的开放式自动化工业自动化工业自动化工业自动化技术是一种运用控制理论、仪器仪表仪器仪表、计算机和其它信息技术，对工业生产过程实现检测、控制、优化、调度、管理和决策，达到增加产量、提高质量、降低消耗、确保安全等目的的综合性技术。主要包括工业自动化软件、硬件装置和系统网络构架三大部分。工业自动化主要包含三个层次从下往上依次是基础自动化、过程自动化和管理自动化，其核心是基础自动化和过程自动化。传统的自动化系统中： 基础自动化基本被PLC和DCS所垄断；

2、 过程自动化和管理自动化部分主要是由过程计算机组成。 基础自动化控制系统主要构成？ 简单讲，用于连续生产流程的（电力、化工）控制系统即DCS， 用于非连续生产过程的（冶金、造纸、纺织、机械加工等制造领域及环保等）的控制器为PLC。 PLC用途广泛，既解决单机自控，也提供流水线和工厂自动化解决方案。20世纪90年代以来，由于PC-based的工业计算机（简称工业PC）的发展，以工业PC、I/O装置、监控装置、控制网络组成的PC-based的自动化系统得到了迅速普及，成为实现低成本工业自动化的重要途径。 由于基于PC的控制器被证明可以像PLC一样可靠，并且被操作和维护人员接受，所以，生产控制正在大

3、量采用PC控制方案。基于PC的控制系统易于安装和使用，有高级的诊断功能，为系统集成商提供了更灵活的选择，从长远角度看，PC控制系统维护成本低。由于PLC受PC控制模式替代的威胁最大，所以PLC供应商对PC的应用感到很不安。事实上，他们现在也加入到了PC控制“浪潮”中。 十多年前，当“软PLC”出现时，业界曾认为工业PC将会取代PLC。然而，时至今日工业PC并没有代替PLC，主要有两个原因：一个是系统集成原因；另一个是软件操作系统Windows NT的原因。一个成功的PC-based控制系统要具备两点：一是所有工作要由一个平台上的软件完成；二是向客户提供所需要的所有东西。可以预见，工业PC与PL

4、C的竞争将主要在高端应用上，由于其数据复杂且设备集成度高，工业PC不可能与低价的微型PLC竞争，这也是PLC市场仍在增长的原因。从发展趋势看，控制系统的将来很可能存在于工业PC 和 PLC融合之间，这些融合的迹象已经出现。工业自动化不断向前发展的方向已经显现工业自动化不断向前发展的方向已经显现那就是系统集成那就是系统集成 在经济高速发展、需求多元化的时代，自动化在促进现代工业进步、经济发展发挥着越来越重要的作用。从早期的PLC、DCS、伺服及变频器等单一产品的安装与调试，到现在集多种产品的复杂应用，都有自动化系统集成在发挥着重要的作用。而在现今，随着工业以太网等通信网络技术的发展，自动化技术更

5、是打破了单机设备的使用范围，摆脱了局部自动化的限制，在朝着更高的车间级，厂级甚至是集团公司级的方向发展。系统集成有着它自己的特点系统集成是在系统工程科学方法的指导下，根据用户需求，优选各种技术和产品，将各个分离的子系统连接成为一个完整可靠经济和有效的整体，并使之能彼此协调工作，发挥整体效益，达到整体性能最优。这就要求系统集成必需要以满足用户需求为根本出发点的，因为这种需求直接以客户为中心，是最符合用户需求的。系统集成的目标是要使整体性能达到最优，即所有部件和装置合在一起后不但能工作，而且全系统是低成本的、高效率的、性能匀称的、可扩充性和可维护的系统。 在实际使用中系统集成是通过总线、以太网及I

6、T技术将各个分离的设备、功能和信息等集成到统一的系统之中，使资源达到充分共享，实现集中、高效及便利的管理。这就要求系统中的每一个部分要能够彼此兼容，能发挥出最大效应。系统集成中的零部件产品的选择原则是适合，首先要适合用户的需求和投资规模，未必是选择最好最贵的产品。 系统集成涉及到多产品、多功能的集成，如产品功能集成、软件集成及网络集成等。同时系统集成解决的是多个产品的兼容性及多种协议的兼容性，如何选择适合的系统平台与软件是系统集成的关键。这对系统集成商是一个考验。 现代自动化集成体系架构的现状现代自动化集成体系架构的现状全球有影响力的控制系统供应商现今纷纷推出全集成架构，如： Schneide

7、r（施耐德施耐德 ）的Transparent Ready 透明就绪 Siemens （西门子）的Total Integrated Automation 全集成自动化 Rockwell Automation的Integrated Architecture 集成架构 Mitsubishi（三菱 ）的eFactory 可视化工厂 ABB的Industrial IT 工业信息系统 Emerson Process（爱默生 ）的Plant Web 工厂管网 Invensys Process(Foxboro)（英维思 ）的 ECS(Enterprise Control System)企业控制系统 Yokog

8、awa（横河 ）的Vigilant Plant 警醒的工厂Beckhoff（倍福）的（倍福）的基于基于PC控制控制的开放式自动化的开放式自动化系统系统自动化集成体系架构的特点 他们有各自设计的理念，但有其共同点： 强调企业信息和控制系统的集成，即自动化控制系统制造（或生产）执行系统业务管理系统（企业资源规划）的集成。 强调为工程设计和组态（工艺设计、设备设计、自动化设计和编程等）、调试投运、运行操作、资产管理和优化、维护等各环节提供统一平台。 在控制层强调用统一平台解决电控、仪控、运控等多专业的功能性的要求。强调控制层、执行层和管理层不同网络的无缝连接和提供信息数据的高效交换。强调与第三方系统

9、和软件的协同和连接。 Beckhoff基于基于PC控制技术的开放式自动化控制技术的开放式自动化Beckhoff /自动化Beckhoff 为自动化各个领域提供不同性能等级的综合性系统解决方案。Beckhoff 的控制技术具有可升级性，从高性能工业 PC 到迷你 PLC 一应俱全，可精确适用于各种应用场合。TwinCAT 自动化软件在单个软件包里集成了带 PLC、NC(数控) 和 CNC(数控机床) ) 功能的实时控制系统。所有 Beckhoff 控制器都采用 TwinCAT进行编程，符合全球公认的 IEC 61131-3 编程标准。Beckhoff /工业 PCBeckhoff 可为各种应用场

10、合提供适用的工业 PC。Beckhoff 的工业 PC 同时具备基于开放式标准的高质量组件和独特的机箱结构设计，是满足各种控制需求的理想选择。嵌入式 PC 是一种模块化工业 PC，外形更为小巧，适用于DIN 导轨安装。除了自动化领域之外，凡是对 PC 的可靠性和坚固性要求较高的场合，Beckhoff 的工业 PC 都将是您理想的选择。Beckhoff / I/O Beckhoff 的自动化技术适用于各种信号和各种现场总线。Beckhoff 为所有的通用 I/O 和现场总线系统提供全系列的组件。从防护等级为 IP 20 的总线端子模块到防护等级为 IP 67 的总线端子盒，品种齐全，应有尽有，适

11、用于所有重要的信号类型和现场总线系统。除了传统的现场总线系统之外，高性能的 EtherCAT(开放的实时以太网络通讯协议 ) 技术也为控制技术领域带来了巨大发展潜力。Beckhoff / 运动控制自动化软件 TwinCAT 提供了运动控制解决方案，与其相结合，Beckhoff 驱动技术代表着一种领先而又全面的驱动系统技术。Beckhoff 基于 PC 的控制技术是高动态需求的单轴和多轴定位任务的理想选择。带有高性能 EtherCAT 通讯系统的 AX5000 伺服驱动系列可提供最高性能与动态性。Beckhoff 系统概图TwinCAT 控制软件控制软件工业工业 PCPC 现场总线现场总线接口卡

12、接口卡总线端子总线端子现场总线端子盒现场总线端子盒光导总线光导总线嵌入式嵌入式 PCPAC驱动技术驱动技术DALIFipio信息技术与自动化技术的完美结合全部集成于NT（新技术） 系统，利用所有NT 提供服务机器机器 1服务工程师服务工程师机器机器 2机器机器 3PC-控制控制PC-控制控制PC-控制控制视频视频 监视监视用户现场用户现场服务器服务器服务器服务器PC 工作站工作站PC 工作站工作站客户工程师客户工程师无线局域网诊断无线局域网诊断用笔记本电脑用笔记本电脑ISDN,调制解调器调制解调器,互联网互联网远程网远程网无线无线 局域网局域网局域网局域网视频视频 监视监视视频视频 监视监视视

13、频视频 监视监视ISDN,调制解调器调制解调器,互联网互联网 分分为为 4 层的层的 IT 系统系统: 基于基于PC 并并采用采用 NT 技术的系统技术的系统: 管理层管理层 过程管理过程管理 过程监视过程监视 过程控制过程控制信息技术与自动化技术的完美结合 对管理层和生产层的 IT 集成局域网局域网IT 管理层管理层服务器服务器生产模型生产模型PC 工作站工作站PC-控制控制PC- 控制控制PC用作传统用作传统PLCPC 工作站工作站 主控系统主控系统: 基于基于NT 的的 PC 控制控制 PC 技术技术 I/O: 开放的现场总线系统开放的现场总线系统 Title pagePC 控制控制:

14、PC 兼容的开放式控制系统兼容的开放式控制系统 结构比较结构比较: 传统方式与传统方式与PC PC 控制技术控制技术 新自动化结构新自动化结构: : 工业工业PCPC机作控制系统机作控制系统 执行执行: : PCPC控制的基本任务控制的基本任务 PC PC控制控制: : 信息技术与自动化技术的结合信息技术与自动化技术的结合结构比较: 传统方式与PC控制技术传统的 PLC 和 NC 在自动化结构中在自动化结构中, PC 实现操作员界面实现操作员界面 处理处理 HMI 程序并完成通信任务程序并完成通信任务 在三个系统中它的在三个系统中它的CPU功能最强功能最强 传统的传统的 PLC 带有协处理器卡

15、的标准带有协处理器卡的标准 PLC I/0 通过现场总线或并行电缆通过现场总线或并行电缆LeistungDUDU.32 32 可视化界面可视化界面PLCNC控制控制 NC - 对对PLC的位移控制的位移控制 位移闭环控制在专门的位移闭环控制在专门的NC硬件协处理器上执行硬件协处理器上执行 位置测量和速度控制是通过并行电缆处理的位置测量和速度控制是通过并行电缆处理的 在这个自动化结构中，在这个自动化结构中，PC 实现操作员界面实现操作员界面 处理处理 HMI 程序并完成通信任务程序并完成通信任务 在三个系统中它的在三个系统中它的CPU功能最强功能最强 协处理器协处理器 - PLC 标准的标准的P

16、LC作成协处理器卡作成协处理器卡 I/O 通过现场总线通过现场总线 NC - 移动控制通过协处理器移动控制通过协处理器 在协处理器卡上执行移动控制在协处理器卡上执行移动控制 位置测量和速度控制是通过并行电缆处理的位置测量和速度控制是通过并行电缆处理的结构比较: 传统方式与PC控制技术 PLC 和 NC 作成 PC 的协处理器卡DUDUSPSNC.I/O 驱动单元驱动单元现场总线现场总线可视化界面PLCNC结构比较: 传统方式与PC控制技术 在PC上的PLC 和运动控制 优点优点 集中的结构提供了较好的灵活性集中的结构提供了较好的灵活性 接口少，效率高接口少，效率高 现场部件通常是非智能型的，不

17、用设置即可被容易地更换现场部件通常是非智能型的，不用设置即可被容易地更换 在在PC上的上的PLC 具有硬实时能力的软件具有硬实时能力的软件PLC I/O 通过现场总线实现通信通过现场总线实现通信, 支持所有标准支持所有标准 NC - 在在PC上的运动控制上的运动控制 位移闭环控制在位移闭环控制在PC处理器上执行处理器上执行 位置测量和速度控制通过现场总线与位置测量和速度控制通过现场总线与 MC 循环时间同步循环时间同步 进行交换进行交换I/Ofor PLC伺服伺服, FI,继电器继电器位置测量位置测量3 相相电机电机vs可视化界面I/ONC 移动控制移动控制IEC61131-3 PLC驱动单元

18、驱动单元新自动化结构: 工业PC 作控制系统扫描仪扫描仪电话上网电话上网打印机打印机ProfibusInterbusCANopenDeviceNetLightbusSercosEthernet DOS / Windows NT / CEI/O 映射映射应用程序平台应用程序平台 操作员界面操作员界面 Scada Windows 应用程序应用程序程序开发平台程序开发平台 SystemManager PLC NC PTP NCI I/OServer PLCServer NC PTPServer NCI Server实时核扩展实时核扩展用户模式用户模式核模式核模式VGA显示器显示器ModemRS 23

19、2 C并行口并行口局域网局域网软软 盘盘硬盘硬盘NC PTP（ 点到点轴定位）NCI（3D 轴插补-通过 PC 跟踪轨迹）倍福的PC控制理念: 在工业PC平台上的TwinCAT结构 TwinCAT软件平台及功能软件平台及功能 I/O, PLC, NC PTP, NCI/CNC高度集成在一个平台中视频：视频：IntroduceTwinCAT NC PTP（ 点到点轴定位）TwinCAT NCI（3D 轴插补-通过 PC 跟踪轨迹）TwinCAT CNC（ 用于复杂应用场合的高性能数控解决方案）用于复杂应用场合的高性能数控解决方案）EtherCAT极速控制理念视频：视频：XFC控制技术控制技术视频

20、：视频：XFC茶叶包装机茶叶包装机新自动化结构: 工业PC 作控制系统 软 PLC / 标准 PLC 基准 系统能力和资源稳定增加系统能力和资源稳定增加 ! (仅仅!) 在软件上实现在软件上实现: 稳定而快速地执行稳定而快速地执行 基准基准: 执行时间执行时间 混合的位和字指令混合的位和字指令 装载装载, 存贮存贮, 比较比较 基准基准: 系统限制系统限制 软软PLC程序程序 (兆字节兆字节) 兆字节兆字节 标志存储器标志存储器 极大的极大的 I/O 处理映象处理映象 (兆字节兆字节)80012001000800600400200070451523标准 PLCPC上的软PLC标准 PLC对对1

21、000个个PLC指令的执行时间指令的执行时间快速 PLCPentium 233 AMD K6-2 333 Pentium III 600Execution time / s 不同平台上不同平台上 PLC 的处理时间的处理时间整数运算 16/32 位位运算 1/16/32位混合运算执行时间 s/1.000 代码行5592500060002657.01495.6362.2381.524.5613.957.344.83.876.2新自动化结构: 工业PC 作控制系统 软 NC PTP 基准 系统设计系统设计: 可优化循环时间和坐标可优化循环时间和坐标 数量数量 系统设计推荐系统设计推荐: 大约大约

22、50% 的负载用作的负载用作 NC -任务任务, 剩余容量用于剩余容量用于 PLC 和和 NT 下的下的 HMI 程序程序 基准基准: 执行时间执行时间 具有外形轮廓具有外形轮廓 定位定位 附加位移闭环控制附加位移闭环控制 循环时间和执行时间循环时间和执行时间建立系统负载建立系统负载 执行时间执行时间 / 循环时间循环时间100 =系统负载系统负载 (%) 在奔腾在奔腾III 系统上每个轴约需系统上每个轴约需13 s 执行时执行时间间350300250200150100 50015102030Execution time / s 52 s 75 s 132 s 252 s 370 s 4004

23、50在在 Intel 奔腾奔腾 III 500 MHz 系统上，软系统上，软 NC PTP 对对 N 个坐标的执行时间个坐标的执行时间坐标数量坐标数量新自动化结构: 工业PC 作控制系统 PC 控制与传统控制的比较 传统控制组成传统控制组成 硬件硬件: 可视化可视化 PC, PLC, NC/CNC 模块模块, 微处理器系微处理器系 统统 软件软件: 多个操作系统多个操作系统, 编程语言编程语言, 编程系统编程系统 接口接口: 在硬件设备之间在硬件设备之间, 在软件系统之间在软件系统之间, 集中式配集中式配 电柜电柜 成本成本100%40%传统传统PCC复杂性复杂性传统传统100%60%PCC降

24、低降低 - 40%降低降低- 60% PC 控制组成控制组成 硬件硬件: PC 和现场总线和现场总线, 支持所有标准支持所有标准 软件软件: Windows NT 操作系统操作系统, PLC, NC PTP, NCI, 倍福倍福 TwinCAT, 应用程序应用程序: Windows 软件产品和软件产品和 C, C+, VB, Delphi 接口接口: 标准化软件接口标准化软件接口, 分布式配电柜分布式配电柜 优点：优点： 成本低成本低 减少了组件减少了组件: 可靠性增加可靠性增加, 改善了互换性改善了互换性 降低复杂性降低复杂性: 减少工程量减少工程量, 把较多的时间把较多的时间 用于过程的优化上用于过程的优化上系统比较系统比较标准化 PC 硬件，方便更换。 通过现场总线使现场总线 I/O 达到标准化，因此方便更换。 Intel x86 处理器系列和微软操作系统可保持很好的一致性。PC 控制可提供