自动化系列讲座(2011级-2)-1

一、基于PC控制的开放式自动化系统

二、beckhoff楼宇自动化

昆明理工大学杨承志

自动化系列讲座(09级-2)

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技术是一种运用控制理论、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；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PLC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

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IT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：

Schneider（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e—Factory

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Yokogawa（横河）的Vigilant

Plant

警醒的工厂Beckhoff（倍福）的基于PC控制的开放式自动化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。强调与第三方系统和软件的协同和连接。Beckhoff基于PC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IEC61131-3编程标准。Beckhoff/工业PCBeckhoff

可为各种应用场合提供适用的工业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/OBeckhoff

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IP20的总线端子模块到防护等级为IP67的总线端子盒，品种齐全，应有尽有，适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控制软件工业PCPC现场总线接口卡总线端子现场总线端子盒光导总线嵌入式PC—PAC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1服务工程师机器2机器3PC-控制PC-控制PC-控制视频监视用户现场服务器服务器PC工作站PC工作站客户工程师无线局域网诊断用笔记本电脑ISDN,调制解调器,互联网远程网无线局域网局域网视频监视视频监视视频监视ISDN,调制解调器,互联网

分为4层的IT系统:基于PC并采用

NT技术的系统:

管理层过程管理过程监视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IT管理层服务器生产模型PC工作站PC-控制PC-控制PC用作传统PLCPC工作站

主控系统:

基于NT的PC控制PC技术I/O:开放的现场总线系统TitlepagePC控制:PC兼容的开放式控制系统结构比较:传统方式与PC控制技术新自动化结构:工业PC机作控制系统执行:

PC控制的基本任务PC控制: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,PC实现操作员界面处理HMI程序并完成通信任务在三个系统中它的CPU功能最强

传统的PLC带有协处理器卡的标准PLCI/0通过现场总线或并行电缆LeistungDUDU......32\32\可视化界面IPCPLCNC控制

NC-对PLC的位移控制位移闭环控制在专门的NC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

在这个自动化结构中，PC实现操作员界面处理HMI程序并完成通信任务在三个系统中它的CPU功能最强

协处理器-PLC标准的PLC作成协处理器卡I/O通过现场总线

NC-移动控制通过协处理器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驱动单元现场总线IPC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

优点集中的结构提供了较好的灵活性接口少，效率高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PC上的PLC具有硬实时能力的软件PLCI/O通过现场总线实现通信,支持所有标准

NC-在PC上的运动控制位移闭环控制在PC处理器上执行位置测量和速度控制通过现场总线与MC循环时间同步进行交换I/OforPLC伺服,FI,继电器位置测量3相电机vsIPC可视化界面I/ONC移动控制IEC61131-3PLC驱动单元新自动化结构:工业PC作控制系统扫描仪电话上网打印机ProfibusInterbusCANopenDeviceNetLightbusSercosEthernetDOS/WindowsNT/CEI/O映射应用程序平台操作员界面ScadaWindows应用程序程序开发平台

SystemManagerPLCNCPTPNCII/OServerPLCServerNCPTPServerNCIServer实时核扩展用户模式核模式VGA显示器ModemRS232C并行口局域网软盘硬盘NCPTP（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

I/O,PLC,NCPTP,NCI/CNC高度集成在一个平台中视频：IntroduceTwinCATNCPTP（点到点轴定位）TwinCATNCI（3D轴插补-通过PC跟踪轨迹）TwinCATCNC

（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：XFC控制技术视频：XFC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!(仅!)在软件上实现:稳定而快速地执行

基准:执行时间混合的位和字指令装载,存贮,比较

基准:系统限制软PLC程序(兆字节)兆字节标志存储器极大的I/O处理映象(兆字节)80012001000800600400200070451523标准PLCPC上的软PLC标准PLC对1000个PLC指令的执行时间快速PLCPentium233AMDK6-2333PentiumIII600Executiontime/µs

不同平台上PLC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[µs/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

NCPTP基准

系统设计:可优化循环时间和坐标

数量系统设计推荐:大约50%的负载用作NC-任务,剩余容量用于

PLC和NT下的HMI程序

基准:执行时间具有外形轮廓定位附加位移闭环控制

循环时间和执行时间

建立系统负载执行时间/循环时间×100=系统负载(%)在奔腾III系统上每个轴约需13µs执行时间35030025020015010050015102030Executiontime/µs52µs

75µs

132µs

252µs

370µs

400450在Intel奔腾III500MHz系统上，软NCPTP对N个坐标的执行时间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

硬件:可视化PC,PLC,NC/CNC模块,微处理器系

统

软件:多个操作系统,编程语言,编程系统接口:在硬件设备之间,在软件系统之间,集中式配

电柜

成本100%40%传统PCC复杂性传统100%60%PCC降低-40%降低-60%

PC控制组成硬件:PC和现场总线,支持所有标准软件:WindowsNT操作系统,PLC,NCPTP,NCI,倍福TwinCAT,

应用程序:Windows软件产品和C,C++,VB,

Delphi接口:标准化软件接口,分布式配电柜

优点：成本低减少了组件:

可靠性增加,改善了互换性

降低复杂性:

减少工程量,把较多的时间

用于过程的优化上系统比较标准化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