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    工业控制器(例如这种传统的PLC/PAC)通常安装在它们所监视和自动控制的设备或过程所在的本地控制面板中。本文图片来源:Opto 22

    作者 | Benson Hougland

    选择最佳的工业控制器,需要根据不同应用的各自特点来评估自动化、通信和安全方面的需求。

    在以前,提供可靠的实时控制功能是负责自动化机械、设备和过程的人员的主要工作目标。如果设计人员和工程师可以选择数字控制平台,将其与现场设备集成,通过编程使其能够按照预期的方式运行,其系统能够可靠运行长达数十年,那么这项工作就完成的很好。

    现在的情况要好很多,但涉及的范围更广,因为有更多新的控制技术可供选择。由于用户希望优化运行性能、提高可视性以及与监控系统之间的出色连接性,因此需要更多的参与。由于最终用户需要更多的高级功能,因此基本功能已不能满足需求。作为响应,设计人员和原始设备制造商(OEM)必须评估市场上可选的控制器,以便为每个自动化应用提供合适的功能组合。

    这项工作首先要做出的基本决定是:从物理和电气方面考虑,在需要控制器运行的地方,该控制器是否能够正常工作。除了基本要求之外,还有更高级的标准:是否具有编程选项、网络连接、安全性、通信协议、灵活性和可扩展性等。基于这些因素,本文比较了几种流行的控制器类型,以帮助设计人员可以更多了解对他们的应用至关重要的因素。

    4 种类型的控制器

    在实现机器和过程自动化方面,制造业正受益于数字控制平台的不断进步。该技术通常被称为运营技术(OT)。任何OT 控制平台,都包含控制器和相关产品,例如输入/ 输出 (I/O)模块、操作员接口终端、人机界面(HMI)、仪表和其它设备。

    对于自动化系统来说控制器相当于大脑,它决定了详细的设计路径,因此必须尽早选择控制器组件。尽管产品在功能上有所重叠,但以下是OT 项目中最受欢迎的4 种控制器类型:

    1 可编程逻辑控制器(PLC)

    提供基本但功能强大的控制选项,尤其适用于离散控制应用。

    2 可编程自动化控制器(PAC)

    与PLC类似,但在通讯、数据处理和过程控制应用方面,通常更先进。

    3 工业计算机(IPC)

    坚固耐用、功能强大的计算机,用户需要投入大量工作来集成硬件、软件和远程输入/ 输出(I/O)以实现控制功能。

    4 边缘可编程工业控制器(简称边缘控制器)

    内置PLC/PAC 功能,但结合了高级编程和安全选项、本地可视化和广泛的通信功能,就像PC 一样。

    在为应用选择控制器时,通常会有多个可行的答案。为了选择最合适的控制器,需要评估多个特性,并考虑不同应用环境下的具体应用情况。

    在任何自动化项目中,控制器都扮演着核心角色(见图2)。它们可能需要担负如下功能的实现:

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    图2 :工业自动化控制器必须在现场运行直接控制设备,与其它智能设备进行交互并与监控系统进行良好通信。

    • 监视和控制I/O 点;

    • 与其它控制器进行交互;

    • 与智能现场设备连接;

    • 与操作员接口终端和HMI 可视化系统接口;

    • 与监控和企业级系统进行通信。

    每个应用都是唯一的,因此审查潜在的重要标准清单,了解相关事项,对于确定哪种控制器类型最适合该应用大有裨益。表1 列出了控制器选择标准的清单,可按主题(例如,形状因数、可编程性、安全性等)进行核查。这些建议的权重是基于大多数情境下的评估,具体性能可能会因特定的应用而异。

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    PLC 和PAC,经典之选

    PLC 和PAC 都是针对OT 角色而构建和优化的,代表了经典的控制器选择。当然,PLC 和功能更全的PAC,已成为大多数机器和很多过程的主要控制产品。它们快速、可靠且价格合理,完全适合恶劣的工业环境。还有其它一些补充产品(如操作员接口终端和HMI),也可以向这些平台提供可视化以及其它功能。

    但是,许多PLC 和PAC 受累于专有连接、专用软件和许可成本。从现场设备和I/O 网络的角度来看,由于使用以太网和标准化工业协议,这种情况已大大改善。同样,随着PLC/PAC 采用IEC 61131-3 编程语言和跨平台编程环境(如CODESYS),软件也变得更开放。不过,PLC/PAC 平台中一些老旧的因素可能会具有某种惯性作用,会延缓最新技术的应用。通常,在对高级网络和安全功能的支持普遍较弱的情况下,这种惯性最为明显。在OT 层级中,PLC/PAC 提供了良好的连接性,但是它们往往缺乏对以IT 为中心的编程语言和协议(例如HTTPS 和消息队列遥测传输(MQTT))的支持。对于需要内置连接到以IT 为中心的企业应用程序和数据库的应用来讲,用户通常需要集成其它硬件和软件来弥合两者之间的差距。

    安全因素也与此类似。在PLC/PAC 刚诞生时,现代意义上的网络安全基本上都不存在。如果将PC 和边缘控制器通常包含的功能,例如安全用户帐户、加密的通信和虚拟专用网络(VPN)配置到PLC/PAC 上,这需要最终用户支付高昂的费用,并承担一定的风险。更好的选择是,确保任何必须的安全功能都是控制平台固有的功能。

    提供更多功能的IPC

    由于PC 技术变得更容易获得,而且更具有性价比,许多用户开始将PC 用于工业控制领域。PC 的商业基因和规模经济性,确保了对硬件和操作系统平台的充分理解,并且PC 解决方案具有足够的计算能力和显示选项。

    但是,用户很快发现商用PC作为工业控制器应用,存在很多先天不足。为了应对这种情况,供应商研发出了坚固耐用的PC或IPC,这样它们就可以在机器环境中可靠地运行。这样,用户就可以将IPC 用作自动化、可视化和通信的多合一控制平台。

    IPC 还为用户提供了一种执行更高级编程或数据处理选项的方式,并且比PLC/PAC 更具优势:这些系统可用于与IT 为中心的通信并与许多IoT 接口。

    但是,基于IPC 的控制有很多工作需要您亲自动手。最终用户必须选择基本的IPC,并自己配置其它硬件和软件产品,形成一个统一的、结构紧凑的软件包,以实现控制、可视化、通信协议和远程输入/ 输出(I/O)解决方案的集成。自己动手的结果可能会产生理想的匹配和选择,但它也可能成为一个定制系统,在技术支持方面存在一定的挑战,并且随着时间的推移,可能会更加难以管理。

    尽管IPC 的灵活性使其在成为工业控制器方面具有一定的吸引力,但创建和维护一个完整的系统仍存在许多障碍。

    边缘控制器的成本效益

    边缘控制器设备是工业自动化领域的最新发展。新一代控制器的设计,旨在利用最新的IT 通信和物联网方面的技术进步,同时保留PLC/PAC 在OT 方面的优势。对于许多应用而言,这种多种技术的组合能够满足多种应用需求,使边缘控制器非常适合工业应用。

    边缘控制器具有OT 解决方案的优点,而且它们坚固耐用,可承受极端温度,并提供众多的集成I/O。可以选择流程图或满足IEC 61131 标准的编程语言对某些边缘控制器进行编程(图3)。边缘控制器可以直接替换现有的PLC/PAC 应用,也可以直接应用于新项目。

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    图3 :边缘可编程工业控制器,包括传统的以OT 为中心的控制器功能,还集成了以IT 为中心的网络和移动技术。

    对OT 环境友好的边缘控制器还有其它优势。例如,一个配置了板载触摸屏显示器的边缘控制器可以充当本地HMI。它还可以用于系统配置和诊断,使支持人员无需依赖其它设备。内置网络、USB 和HDMI 端口,使用户可以轻松地与边缘控制器接口。在后台运行嵌入式Linux,边缘控制器可使用该版本或类似的嵌入式操作系统。尽管用户可以像与PLC/PAC 一样与之交互,但还可以实施更高级的功能。边缘控制器的PC血统,使其能够同时使用扩展编程语言(例如C++,Java 和Python),从而为用户提供了编程灵活性。

    对任何控制应用, 边缘控制器都可以在本地以独立模式运行。当它们连接到位于边缘的传感器和设备上,过滤和处理物联网(IoT)数据,并与本地或云端的企业系统通信时,就会带来更大的价值。如果它们具有面向设备的通信协议、以及用于配置拖放数据连接的协议,则更是如此。具有这些功能的边缘控制器,消除了对中继硬件或软件层的需求(参见图4)。

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    图4 :本机IT 和OT 通信功能,使边缘控制器能够展平自动化架构,从而避免了复杂的硬件和软件中继层。

    与PLC/PAC 不同,边缘控制器内置了安全性,特别是一些控制器可提供一对分段的、不可路由的以太网端口:一个用于OT 网络等受信网络的端口,而另一个则用于连接因特网等不受信任网络的端口连接。安全的帐户可直接在控制器级别进行处理,数据通信经过加密,并包含内置VPN。所有这些措施都有助于使控制系统具有可移动性,以及更好的网络安全性。

    边缘控制器可以为工业自动化应用提供像PLC/PAC 一样灵活的OT 控制平台,同时还具有IPC 的优点。作为具有板载可视化和安全连接的、全面的多合一解决方案,边缘控制器是非常具有成本效益的控制器。对于最终用户而言,有更多选择当然更好。多年以来,在自动化和控制平台方面,最终用户和OEM 厂商已经享受了PLC、PAC和IPC 所带来的可靠选择。结合了这三种领先控制器的优点,现代边缘控制器为制造企业提供了一个具有吸引力的选择。

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    工业控制器(例如这种传统的PLC/PAC)通常安装在它们所监视和自动控制的设备或过程所在的本地控制面板中。本文图片来源:Opto 22

    作者 | Benson Hougland

    选择最佳的工业控制器,需要根据不同应用的各自特点来评估自动化、通信和安全方面的需求。

    在以前,提供可靠的实时控制功能是负责自动化机械、设备和过程的人员的主要工作目标。如果设计人员和工程师可以选择数字控制平台,将其与现场设备集成,通过编程使其能够按照预期的方式运行,其系统能够可靠运行长达数十年,那么这项工作就完成的很好。

    现在的情况要好很多,但涉及的范围更广,因为有更多新的控制技术可供选择。由于用户希望优化运行性能、提高可视性以及与监控系统之间的出色连接性,因此需要更多的参与。由于最终用户需要更多的高级功能,因此基本功能已不能满足需求。作为响应,设计人员和原始设备制造商(OEM)必须评估市场上可选的控制器,以便为每个自动化应用提供合适的功能组合。

    这项工作首先要做出的基本决定是:从物理和电气方面考虑,在需要控制器运行的地方,该控制器是否能够正常工作。除了基本要求之外,还有更高级的标准:是否具有编程选项、网络连接、安全性、通信协议、灵活性和可扩展性等。基于这些因素,本文比较了几种流行的控制器类型,以帮助设计人员可以更多了解对他们的应用至关重要的因素。

     4 种类型的控制器 

    在实现机器和过程自动化方面,制造业正受益于数字控制平台的不断进步。该技术通常被称为运营技术(OT)。任何OT 控制平台,都包含控制器和相关产品,例如输入/ 输出 (I/O)模块、操作员接口终端、人机界面(HMI)、仪表和其它设备。

    对于自动化系统来说控制器相当于大脑,它决定了详细的设计路径,因此必须尽早选择控制器组件。尽管产品在功能上有所重叠,但以下是OT 项目中最受欢迎的4 种控制器类型:

    1

    可编程逻辑控制器(PLC)

    提供基本但功能强大的控制选项,尤其适用于离散控制应用。

    2

    可编程自动化控制器(PAC)

    与PLC类似,但在通讯、数据处理和过程控制应用方面,通常更先进。

    3

    工业计算机(IPC)

    坚固耐用、功能强大的计算机,用户需要投入大量工作来集成硬件、软件和远程输入/ 输出(I/O)以实现控制功能。

    4

    边缘可编程工业控制器(简称边缘控制器)

    内置PLC/PAC 功能,但结合了高级编程和安全选项、本地可视化和广泛的通信功能,就像PC 一样。

    在为应用选择控制器时,通常会有多个可行的答案。为了选择最合适的控制器,需要评估多个特性,并考虑不同应用环境下的具体应用情况。

    在任何自动化项目中,控制器都扮演着核心角色(见图2)。它们可能需要担负如下功能的实现:

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    图2 :工业自动化控制器必须在现场运行直接控制设备,与其它智能设备进行交互并与监控系统进行良好通信。

    • 监视和控制I/O 点;

    • 与其它控制器进行交互;

    • 与智能现场设备连接;

    • 与操作员接口终端和HMI 可视化系统接口;

    • 与监控和企业级系统进行通信。

    每个应用都是唯一的,因此审查潜在的重要标准清单,了解相关事项,对于确定哪种控制器类型最适合该应用大有裨益。表1 列出了控制器选择标准的清单,可按主题(例如,形状因数、可编程性、安全性等)进行核查。这些建议的权重是基于大多数情境下的评估,具体性能可能会因特定的应用而异。

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     PLC 和PAC,经典之选 

    PLC 和PAC 都是针对OT 角色而构建和优化的,代表了经典的控制器选择。当然,PLC 和功能更全的PAC,已成为大多数机器和很多过程的主要控制产品。它们快速、可靠且价格合理,完全适合恶劣的工业环境。还有其它一些补充产品(如操作员接口终端和HMI),也可以向这些平台提供可视化以及其它功能。

    但是,许多PLC 和PAC 受累于专有连接、专用软件和许可成本。从现场设备和I/O 网络的角度来看,由于使用以太网和标准化工业协议,这种情况已大大改善。同样,随着PLC/PAC 采用IEC 61131-3 编程语言和跨平台编程环境(如CODESYS),软件也变得更开放。不过,PLC/PAC 平台中一些老旧的因素可能会具有某种惯性作用,会延缓最新技术的应用。通常,在对高级网络和安全功能的支持普遍较弱的情况下,这种惯性最为明显。在OT 层级中,PLC/PAC 提供了良好的连接性,但是它们往往缺乏对以IT 为中心的编程语言和协议(例如HTTPS 和消息队列遥测传输(MQTT))的支持。对于需要内置连接到以IT 为中心的企业应用程序和数据库的应用来讲,用户通常需要集成其它硬件和软件来弥合两者之间的差距。

    安全因素也与此类似。在PLC/PAC 刚诞生时,现代意义上的网络安全基本上都不存在。如果将PC 和边缘控制器通常包含的功能,例如安全用户帐户、加密的通信和虚拟专用网络(VPN)配置到PLC/PAC 上,这需要最终用户支付高昂的费用,并承担一定的风险。更好的选择是,确保任何必须的安全功能都是控制平台固有的功能。

     提供更多功能的IPC 

    由于PC 技术变得更容易获得,而且更具有性价比,许多用户开始将PC 用于工业控制领域。PC 的商业基因和规模经济性,确保了对硬件和操作系统平台的充分理解,并且PC 解决方案具有足够的计算能力和显示选项。

    但是,用户很快发现商用PC作为工业控制器应用,存在很多先天不足。为了应对这种情况,供应商研发出了坚固耐用的PC或IPC,这样它们就可以在机器环境中可靠地运行。这样,用户就可以将IPC 用作自动化、可视化和通信的多合一控制平台。

    IPC 还为用户提供了一种执行更高级编程或数据处理选项的方式,并且比PLC/PAC 更具优势:这些系统可用于与IT 为中心的通信并与许多IoT 接口。

    但是,基于IPC 的控制有很多工作需要您亲自动手。最终用户必须选择基本的IPC,并自己配置其它硬件和软件产品,形成一个统一的、结构紧凑的软件包,以实现控制、可视化、通信协议和远程输入/ 输出(I/O)解决方案的集成。自己动手的结果可能会产生理想的匹配和选择,但它也可能成为一个定制系统,在技术支持方面存在一定的挑战,并且随着时间的推移,可能会更加难以管理。

    尽管IPC 的灵活性使其在成为工业控制器方面具有一定的吸引力,但创建和维护一个完整的系统仍存在许多障碍。

     边缘控制器的成本效益 

    边缘控制器设备是工业自动化领域的最新发展。新一代控制器的设计,旨在利用最新的IT 通信和物联网方面的技术进步,同时保留PLC/PAC 在OT 方面的优势。对于许多应用而言,这种多种技术的组合能够满足多种应用需求,使边缘控制器非常适合工业应用。

    边缘控制器具有OT 解决方案的优点,而且它们坚固耐用,可承受极端温度,并提供众多的集成I/O。可以选择流程图或满足IEC 61131 标准的编程语言对某些边缘控制器进行编程(图3)。边缘控制器可以直接替换现有的PLC/PAC 应用,也可以直接应用于新项目。

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    图3 :边缘可编程工业控制器,包括传统的以OT 为中心的控制器功能,还集成了以IT 为中心的网络和移动技术。

    对OT 环境友好的边缘控制器还有其它优势。例如,一个配置了板载触摸屏显示器的边缘控制器可以充当本地HMI。它还可以用于系统配置和诊断,使支持人员无需依赖其它设备。内置网络、USB 和HDMI 端口,使用户可以轻松地与边缘控制器接口。在后台运行嵌入式Linux,边缘控制器可使用该版本或类似的嵌入式操作系统。尽管用户可以像与PLC/PAC 一样与之交互,但还可以实施更高级的功能。边缘控制器的PC血统,使其能够同时使用扩展编程语言(例如C++,Java 和Python),从而为用户提供了编程灵活性。

    对任何控制应用, 边缘控制器都可以在本地以独立模式运行。当它们连接到位于边缘的传感器和设备上,过滤和处理物联网(IoT)数据,并与本地或云端的企业系统通信时,就会带来更大的价值。如果它们具有面向设备的通信协议、以及用于配置拖放数据连接的协议,则更是如此。具有这些功能的边缘控制器,消除了对中继硬件或软件层的需求(参见图4)。

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    图4 :本机IT 和OT 通信功能,使边缘控制器能够展平自动化架构,从而避免了复杂的硬件和软件中继层。

    与PLC/PAC 不同,边缘控制器内置了安全性,特别是一些控制器可提供一对分段的、不可路由的以太网端口:一个用于OT 网络等受信网络的端口,而另一个则用于连接因特网等不受信任网络的端口连接。安全的帐户可直接在控制器级别进行处理,数据通信经过加密,并包含内置VPN。所有这些措施都有助于使控制系统具有可移动性,以及更好的网络安全性。

    边缘控制器可以为工业自动化应用提供像PLC/PAC 一样灵活的OT 控制平台,同时还具有IPC 的优点。作为具有板载可视化和安全连接的、全面的多合一解决方案,边缘控制器是非常具有成本效益的控制器。对于最终用户而言,有更多选择当然更好。多年以来,在自动化和控制平台方面,最终用户和OEM 厂商已经享受了PLC、PAC和IPC 所带来的可靠选择。结合了这三种领先控制器的优点,现代边缘控制器为制造企业提供了一个具有吸引力的选择。

    - END -

    本文来自于控制工程中文版(CONTROL ENGINEERING China)2020年05月刊《封面故事》栏目,原标题为:如何评估和选择工业控制器?

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     我们计划组建以下技术类别群:158b4821c011dc1a38b774ac2f1dc785.png

    TSN网络群

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    PLC群

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    DCS群

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    机器视觉群

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    机器人群

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    工业软件群

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    运动控制群

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    传感器群

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    工业安全群

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    仪器仪表群

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    AI/AR群

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    识别右侧二维码发送“姓名+技术兴趣+城市”添加小编微信(cec_editor),审核后将邀您加入相应技术群。

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  • PID控制属于工业中应用非常广泛的控制方法,为了使控制量稳定在某个数值,或者某个范围。比如对温度的控制,对电机转速的控制,这些我们看来很简单,但其实这在工业生产中却往往是至关重要的,比如温度控制,不同...

    PID控制属于工业中应用非常广泛的控制方法,为了使控制量稳定在某个数值,或者某个范围。比如对温度的控制,对电机转速的控制,这些我们看来很简单,但其实这在工业生产中却往往是至关重要的,比如温度控制,不同温度下成型的材料,质量和性能可能差别很大,有可能温度不合格环境下生产出来的产品就是次品。所以PID控制在工业应用领域及其重要。它和我们现在流行的人工智能,我感觉在用途上是不太一样的。人工智能的发展能够促进PID的发展,但是无法取代PID。

    针对自动控制算法,是有一套完整的理论体系的。比如我们要控制一台平衡车,那么通过对车辆的建模,然后使用自动控制理论来加以分析,是可以得到PID的三个关键参数的。但是在实际要求不太严格的应用中,我们往往采用经验的方法来确定这三个参数。

    简单讲解一下这三个参数:

    P:比例控制系数

    比例控制是一种最简单的控制方式。将控制输出与目标输入误差乘以一定的系数,作为控制的输入。但是需要注意的是,仅在比例系数控制的条件下,是无法获得目标值的。

    I:积分控制

    在积分控制中,将控制输出与输入误差进行累计(即积分),再乘以一定的系数,作为控制的输入。比例+积分(PI)控制器,可以使系统最终获得稳定的控制目标值。

    D:微分控制

    微分控制是PID自动控制的高级应用,它的引入,可提高整个系统的抗扰性。比方说,我们队电机进行定速控制,运行中,出现一些干扰,比如风引起的电机转速变化。这时候微分控制可以将系统快速的带回稳定状态。

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空空如也

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