一、基于PC限制的開放式自動化系統

二、beckhoff樓宇自動化

昆明理工高校楊承志自動化系列講座(09級-2)

一、基于PC限制技術的開放式自動化

工業自動化工業自動化技術是一種運用限制理論、儀器儀表、計算機和其它信息技術，對工業生產過程實現檢測、限制、優化、調度、管理和決策，達到增加產量、提高質量、降低消耗、確保平安等目的的綜合性技術。主要包括工業自動化軟件、硬件裝置和系統網絡構架三大部分。工業自動化主要包含三個層次從下往上依次是基礎自動化、過程自動化和管理自動化，其核心是基礎自動化和過程自動化。傳統的自動化系統中：基礎自動化基本被PLC和DCS所壟斷；過程自動化和管理自動化部分主要是由過程計算機組成。

基礎自動化限制系統主要構成？簡潔講，用于連續生產流程的（電力、化工）限制系統即DCS，用于非連續生產過程的（冶金、造紙、紡織、機械加工等制造領域及環保等）的限制器為PLC。PLC用途廣泛，既解決單機自控，也供應流水線和工廠自動化解決方案。20世紀90年頭以來，由于PC-based的工業計算機（簡稱工業PC）的發展，以工業PC、I/O裝置、監控裝置、限制網絡組成的PC-based的自動化系統得到了快速普及，成為實現低成本工業自動化的重要途徑。

由于基于PC的限制器被證明可以像PLC一樣牢靠，并且被操作和維護人員接受，所以，生產限制正在大量接受PC限制方案。基于PC的限制系統易于安裝和運用，有高級的診斷功能，為系統集成商供應了更敏捷的選擇，從長遠角度看，PC限制系統維護成本低。由于PLC受PC限制模式替代的威逼最大，所以PLC供應商對PC的應用感到很擔憂。事實上，他們現在也加入到了PC限制“浪潮”中。

十多年前，當“軟PLC”出現時，業界曾認為工業PC將會取代PLC。然而，時至今日工業PC并沒有代替PLC，主要有兩個緣由：一個是系統集成緣由；另一個是軟件操作系統Windows

NT的緣由。一個成功的PC-based限制系統要具備兩點：一是全部工作要由一個平臺上的軟件完成；二是向客戶供應所須要的全部東西。可以預見，工業PC與PLC的競爭將主要在高端應用上，由于其數據困難且設備集成度高，工業PC不行能與低價的微型PLC競爭，這也是PLC市場仍在增長的緣由。從發展趨勢看，限制系統的將來很可能存在于工業PC

和

PLC融合之間，這些融合的跡象已經出現。工業自動化不斷向前發展的方向已經顯現

那就是系統集成

在經濟高速發展、需求多元化的時代，自動化在促進現代工業進步、經濟發展發揮著越來越重要的作用。從早期的PLC、DCS、伺服及變頻器等單一產品的安裝與調試，到現在集多種產品的困難應用，都有自動化系統集成在發揮著重要的作用。而在現今，隨著工業以太網等通信網絡技術的發展，自動化技術更是打破了單機設備的運用范圍，擺脫了局部自動化的限制，在朝著更高的車間級，廠級甚至是集團公司級的方向發展。系統集成有著它自己的特點系統集成是在系統工程科學方法的指導下，依據用戶需求，優選各種技術和產品，將各個分別的子系統連接成為一個完整牢靠經濟和有效的整體，并使之能彼此協調工作，發揮整體效益，達到整體性能最優。這就要求系統集成必須要以滿足用戶需求為根本動身點的，因為這種需求干脆以客戶為中心，是最符合用戶需求的。系統集成的目標是要使整體性能達到最優，即全部部件和裝置合在一起后不但能工作，而且全系統是低成本的、高效率的、性能勻整的、可擴充性和可維護的系統。

在實際運用中系統集成是通過總線、以太網及IT技術將各個分別的設備、功能和信息等集成到統一的系統之中，使資源達到充分共享，實現集中、高效及便利的管理。這就要求系統中的每一個部分要能夠彼此兼容，能發揮出最大效應。系統集成中的零部件產品的選擇原則是適合，首先要適合用戶的需求和投資規模，未必是選擇最好最貴的產品。

系統集成涉及到多產品、多功能的集成，如產品功能集成、軟件集成及網絡集成等。同時系統集成解決的是多個產品的兼容性及多種協議的兼容性，如何選擇適合的系統平臺與軟件是系統集成的關鍵。這對系統集成商是一個考驗。現代自動化集成體系架構的現狀全球有影響力的限制系統供應商現今紛紛推出全集成架構，如：

Schneider（施耐德）的Transparent

Ready

透亮就緒Siemens

（西門子）的Total

Integrated

Automation

全集成自動化Rockwell

Automation的Integrated

Architecture

集成架構Mitsubishi（三菱）的e—Factory

可視化工廠ABB的Industrial

IT

工業信息系統Emerson

Process（愛默生）的Plant

Web

工廠管網Invensys

Process(Foxboro)（英維思）的

ECS(Enterprise

Control

System)—企業限制系統Yokogawa（橫河）的Vigilant

Plant

警醒的工廠Beckhoff（倍福）的基于PC限制的開放式自動化系統自動化集成體系架構的特點他們有各自設計的理念，但有其共同點：強調企業信息和限制系統的集成，即自動化限制系統—制造（或生產）執行系統—業務管理系統（企業資源規劃）的集成。

強調為工程設計和組態（工藝設計、設備設計、自動化設計和編程等）、調試投運、運行操作、資產管理和優化、維護等各環節供應統一平臺。

在限制層強調用統一平臺解決電控、儀控、運控等多專業的功能性的要求。強調限制層、執行層和管理層不同網絡的無縫連接和供應信息數據的高效交換。強調與第三方系統和軟件的協同和連接。Beckhoff基于PC限制技術的開放式自動化Beckhoff/自動化Beckhoff為自動化各個領域供應不同性能等級的綜合性系統解決方案。Beckhoff的限制技術具有可升級性，從高性能工業PC到迷你PLC一應俱全，可精確適用于各種應用場合。TwinCAT自動化軟件在單個軟件包里集成了帶PLC、NC(數控)和CNC(數控機床))功能的實時限制系統。全部Beckhoff限制器都接受TwinCAT進行編程，符合全球公認的IEC61131-3編程標準。Beckhoff/工業PCBeckhoff可為各種應用場合供應適用的工業PC。Beckhoff的工業PC同時具備基于開放式標準的高質量組件和獨特的機箱結構設計，是滿足各種限制需求的志向選擇。嵌入式PC是一種模塊化工業PC，外形更為小巧，適用于DIN導軌安裝。除了自動化領域之外，凡是對PC的牢靠性和堅實性要求較高的場合，Beckhoff的工業PC都將是您志向的選擇。Beckhoff/I/OBeckhoff的自動化技術適用于各種信號和各種現場總線。Beckhoff為全部的通用I/O和現場總線系統供應全系列的組件。從防護等級為IP20的總線端子模塊到防護等級為IP67的總線端子盒，品種齊全，無奇不有，適用于全部重要的信號類型和現場總線系統。除了傳統的現場總線系統之外，高性能的EtherCAT(開放的實時以太網絡通訊協議)技術也為限制技術領域帶來了巨大發展潛力。Beckhoff/運動限制自動化軟件TwinCAT供應了運動限制解決方案，與其相結合，Beckhoff驅動技術代表著一種領先而又全面的驅動系統技術。Beckhoff基于PC的限制技術是高動態需求的單軸和多軸定位任務的志向選擇。帶有高性能EtherCAT通訊系統的AX5000伺服驅動系列可供應最高性能與動態性。Beckhoff系統概圖TwinCAT限制軟件工業PCPC現場總線接口卡總線端子現場總線端子盒光導總線嵌入式PC—PAC驅動技術DALIFipio信息技術與自動化技術的完備結合

全部集成于NT（新技術）系統，利用全部NT供應服務機器1服務工程師機器2機器3PC-限制PC-限制PC-限制視頻監視用戶現場服務器服務器PC工作站PC工作站客戶工程師無線局域網診斷用筆記本電腦ISDN,調制解調器,互聯網遠程網無線局域網局域網視頻監視視頻監視視頻監視ISDN,調制解調器,互聯網分為4層的IT系統:基于PC并接受NT技術的系統:管理層過程管理過程監視過程限制信息技術與自動化技術的完備結合

對管理層和生產層的IT集成局域網IT管理層服務器生產模型PC工作站PC-限制PC-限制PC用作傳統PLCPC工作站主控系統:基于NT的PC限制PC技術I/O:開放的現場總線系統TitlepagePC控制:PC兼容的開放式控制系統結構比較:傳統方式與PC控制技術新自動化結構:工業PC機作控制系統執行:

PC控制的基本任務PC控制:信息技術與自動化技術的結合結構比較:傳統方式與PC限制技術

傳統的PLC和NC

在自動化結構中,PC實現操作員界面處理HMI程序并完成通信任務在三個系統中它的CPU功能最強

傳統的PLC帶有協處理器卡的標準PLCI/0通過現場總線或并行電纜LeistungDUDU......32\32\可視化界面IPCPLCNC限制NC-對PLC的位移限制位移閉環限制在特地的NC硬件協處理器上執行位置測量和速度限制是通過并行電纜處理的

在這個自動化結構中，PC實現操作員界面處理HMI程序并完成通信任務在三個系統中它的CPU功能最強

協處理器-PLC標準的PLC作成協處理器卡I/O通過現場總線NC-移動限制通過協處理器在協處理器卡上執行移動限制位置測量和速度限制是通過并行電纜處理的結構比較:傳統方式與PC限制技術

PLC和NC作成PC的協處理器卡DUDUSPSNC...I/O驅動單元現場總線IPC可視化界面PLCNC結構比較:傳統方式與PC限制技術

在PC上的PLC和運動限制優點集中的結構供應了較好的敏捷性接口少，效率高現場部件通常是非智能型的，不用設置即可被簡潔地更換在PC上的PLC具有硬實時實力的軟件PLCI/O通過現場總線實現通信,支持全部標準NC-在PC上的運動限制位移閉環限制在PC處理器上執行位置測量和速度限制通過現場總線與MC循環時間同步進行交換I/OforPLC伺服,FI,繼電器位置測量3相電機vsIPC可視化界面I/ONC移動限制IEC61131-3PLC驅動單元新自動化結構:工業PC作限制系統掃描儀電話上網打印機ProfibusInterbusCANopenDeviceNetLightbusSercosEthernetDOS/WindowsNT/CEI/O映射應用程序平臺操作員界面ScadaWindows應用程序程序開發平臺

SystemManagerPLCNCPTPNCII/OServerPLCServerNCPTPServerNCIServer實時核擴展用戶模式核模式VGA顯示器ModemRS232C并行口局域網軟盤硬盤NCPTP（點到點軸定位）NCI（3D軸插補-通過PC跟蹤軌跡）倍福的PC限制理念:在工業PC平臺上的TwinCAT結構

TwinCAT—軟件平臺及功能

I/O,PLC,NCPTP,NCI/CNC高度集成在一個平臺中視頻：IntroduceTwinCATNCPTP（點到點軸定位）TwinCATNCI（3D軸插補-通過PC跟蹤軌跡）TwinCATCNC

（用于困難應用場合的高性能數控解決方案）EtherCAT極速限制理念視頻：XFC限制技術視頻：XFC茶葉包裝機新自動化結構:工業PC作限制系統

軟PLC/標準PLC基準系統實力和資源穩定增加!(僅!)在軟件上實現:穩定而快速地執行

基準:執行時間混合的位和字指令裝載,存貯,比較基準:系統限制軟PLC程序(兆字節)兆字節標記存儲器極大的I/O處理映象(兆字節)80012001000800600400200070451523標準PLCPC上的軟PLC標準PLC對1000個PLC指令的執行時間快速PLCPentium233AMDK6-2333PentiumIII600Executiontime/μs

不同平臺上PLC的處理時間整數運算16/32位位運算1/16/32位混合運算執行時間[μs/1.000代碼行]5592500060002657.01495.6362.2381.524.5613.957.344.83.876.2新自動化結構:工業PC作限制系統

軟NCPTP基準系統設計:可優化循環時間和坐標

數量系統設計舉薦:大約50%的負載用作NC-任務,剩余容量用于PLC和NT下的HMI程序基準:執行時間具有外形輪廓定位附加位移閉環限制

循環時間和執行時間

建立系統負載執行時間/循環時間×100=系統負載(%)在奔騰III系統上每個軸約需13μs執行時間35030025020015010050015102030Executiontime/μs52μs

75μs

132μs

252μs

370μs

400450在Intel奔騰III500MHz系統上，軟NCPTP對N個坐標的執行時間坐標數量新自動化結構:工業PC作限制系統

PC限制與傳統限制的比較傳統限制組成硬件:可視化PC,PLC,NC/CNC模塊,微處理器系

統軟件:多個操作系統,編程語言,編程系統接口:在硬件設備之間,在軟件系統之間,集中式配

電柜

成本100%40%傳統PCC困難性傳統100%60%PCC降低-40%降低-60%PC限制組成硬件:PC和現場總線,支持全部標準軟件:WindowsNT操作系統,PLC,NCPTP,NCI,倍福TwinCAT,

應用程序:Windows軟件產品和C,C++,VB,

Delphi接口:標準化軟件接口,分布式配電柜

優點：成本低削減了組件:牢靠性增加,改善了互換性降低困難性:削減工程量,把較多的時間用于過程的優化上系統比較標準化PC硬件，便利更換。通過現場總線使現場總線I/O達到標準化，因此便利更換。Intel?x86處理器系列和微軟操作系統可保持很好的