PC控制将占据PLC市场40%?

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鸣鱼摘要:PLCnext技术是一个执行Linux操作系统(带有OSADL实时修补程序)的开放的固件平台。

前段时间,美国一位高级自动化人士声称,PC控制将占PLC市场份额的40%,这引起了很多人对PC控制的前世的兴趣。为了搞清楚PC控制的来龙去脉,以及未来是否有发展空间,首先要回顾PC控制的发展历程。


PC机控制开发背景。


1981年,IBM推出了个人电脑PC,使用的操作系统是微软推出的标准磁盘操作系统(DOS)。PC是一种通用计算机,成本远低于当时流行的小型机。从硬件的角度来看,PC的架构为扩展卡提供了开放的硬件总线,极大地激发了大量开发者的创新和创造力。从软件的角度来看,操作系统的开放性为各个应用领域的开发者提供了适应各种场景的机会。换句话说,PC平台的开放性极大地拓展了各种适用的应用,释放了科技人员的创造力,打造了服务于各种需求的软件开发生态系统。因此,毫不夸张地说,随着PC的诞生,计算机应用开始了一场新的革命,这极大地造福了工业自动化领域。


随着个人电脑和DOS操作系统的逐渐普及,出现了第三方图形软件,也出现了一些开发图形显示的新公司,包括Intel Resolution、Iconics和USDATA。1985年问世的微软视窗操作系统对工业自动化产生了深远的影响。Dennis Morin于1987年创立Wonderware Company,领导开发了Windows操作系统环境下的人机界面软件InTouch。目标是使运营商能够方便高效地监控运营过程,并为IT技术和业务系统增加一些额外的性能和开放接口。这款软件产品的推出,标志着微软的工业软件革命将离散制造业和流程工业的控制系统架构转向了第三方开发者。即使在发展初期,流程行业也不看好这个方案,认为不适合流程行业的要求,但时间和应用是最好的判断。最后,这一趋势淘汰了原有的性价比优异的DCS专用操作员控制台。


与此同时,1985年,PC控制的重要方向出现。当时的PC控制基本上是用个人电脑运行控制程序和过程显示程序,其中有些是过程工业主要使用的PID控制程序,有些是PLC控制逻辑程序和顺序控制程序。输入/输出可以是开关输入/输出或模拟输入/输出,使用插入电脑总线的扩展板。无论是DOS还是Windows操作系统,由于不能满足实时控制和时间确定性控制的要求,需要对操作系统进行改造或者采用特殊的实时操作系统,比如Windows CE嵌入式操作系统的通用平台。此外,IBM PC板设计和芯片组被开发成许多不同的背板总线,如PC104、VME总线和PCI。通过这种方式,控制软件被允许驻留在嵌入式系统中,并且可以获得更好的控制方法。


显然,这种制度的优缺点同样明显。好处是随着PC的成本越来越低,PC控制的成本也会下降。控制和流量显示集中在一台PC上,与PLC不同,如果要配备流量显示,需要选择另一台PC进行流量显示或专用HMI设备。缺点是PC无法在恶劣的工业环境中使用,其电磁兼容性和环境适应性远远不能满足工业应用的要求。如果改用IPC,其成本优势将不复存在。此外,如果对其实时性和时间确定性没有很好的解决方案,将大大限制其适用范围。


这里附上一个小插曲。在PC机诞生之前,PC机的简称特指可编程控制器。然而PC诞生之后,因为它的通用性涵盖了科技、工业、商业、交通,甚至教育、文化、办公管理等各个领域。,巨大的影响力和实力迫使PLC改名为PLC可编程逻辑控制器,响亮的名字PC被赋予了个人电脑。这发生在20世纪80年代中期。


PC控制发展历史回顾。


最早的基于个人电脑的控制系统之一是由罗恩·拉瓦雷在20世纪80年代中期开发的FloPro。它以流程图为基础,构成了描述和表达工艺流程的决策方法。然而,他的第一个项目是一个后处理程序,该程序使用惠普的惠普-85生成的代码将流程图符号转换为梯形图逻辑。他向古尔德·莫迪康公司展示了自己的发展,古尔德·莫迪康公司提议购买这项技术,但由于某种未知的原因放弃了。FloPro搬到IBM PC上,随着通信卡连接到Allen-Bradley远程I/O系统,FloPro进入通用汽车的开发领域,一个新的例子诞生了。

迈克·克莱因创立了一家名为“障碍赛”的流程图公司,长期以来在计算机控制领域取得了成功。它基于Windows,其提供的流程图编程软件比FloPro有着好得多的界面,获得了广泛的好评。2000年前,作者获得了公司出版的PC控制技术专著。


障碍赛也与一些公司建立了联盟,事实上,它催生了更多的公司来推广流程图编程软件的应用,比如Think&Do。Think&Do公司的销售经理是上海人,毕业于上海理工大学。他在2000年后的几年里,在中国(主要是上海和北京)举办了研讨会,还访问了一些研究所、企业和大学,希望为流程图编程语言开辟一条道路。记得有机构用Think&Do提供的流程图软件做过一些项目,比如北京邮电部门的邮件分拣装置。我曾经和销售经理讨论过这种编程语言的未来,直言很难推广,因为当时国际标准IEC61131-3已经被国际业界牢牢认可,这个标准中的顺序功能图(SFC)完全可以取代FloPro这样的流程图编程语言。实际开发证明了笔者的判断,现在SFC已经成为PLC控制软件的固件。现在,作为一个基于状态的控制软件系统,它可以在硬件上实现,并且得到了广泛的应用。之后,障碍赛和Think & Do合并,组成了整个维塔利公司,被凤凰美国公司收购,但整体上并不太成功。


另一家由FloPro创立的公司是FlexI SProcess Control。介绍了一种后处理程序,采用SFC编写的控制算法,并将其转换为艾伦·布拉德利(AB)公司PLC-5子程序的梯形图逻辑。它真的很流畅,做得很好,但是在图形语言方面有一些来自行业的阻力,因为开发人员没有按照需要思考。他们的思维是为阶梯逻辑的发展做准备的,大部分都是一步一个脚印的进行。

实际上,科技界并不排斥一种新颖的想法和新的方法来创建控制过程程序,但创建者必须拥有一定的资源,需要长期的维护、升级和技术支持。例如,FloPro在加拿大温莎的一个项目中遭遇了挫折,因为系统集成商批评该软件可视化效果差,缺乏故障排除工具。多伦多的耐克配送中心有一个系统,仍然运行障碍赛的流程图软件。问题是,如果系统出现问题,将很难找到任何资源来提供支持和帮助。总之,流程图编程语言及其平台之所以没有取得预期的成功,是因为从事该方向开发和推广的公司没有得到足够的资源支持,市场的推动也不足以支撑其长期的坚持和发展。但是从图1所示的应用程序编程示例来看,它还是有其明显的优势:逻辑清晰,易于理解,甚至可以用自然语言表达。


图1  采用流程图编程语言编程的程序示例
图1显示了用流程图编程语言编程的程序示例。

障碍赛的流程图编程是否走进了死胡同?不是这样的,至少在美国有很多粉丝。比如OPTO22的控制器还在使用这个编程工具,而EPIC groove这种近几年推出的边缘可编程工业控制器还在提供流程图编程工具。凤凰于2008年为中小型应用开发的可编程控制器(ILC150 VLC系列)是一个紧凑、低价格的嵌入式平台。从其工业以太网(industrial EtherNet/IP)的角度来看,它是面向美国市场的产品。PLC采用了障碍赛(VisualLogic Controller)的流程图编程软件,其版本为VLC7.2,凤凰还有一个产品线S-MAXVLC,也使用了这个编程工具。

PC控制,将占据PLC市场的40%?
图2  德国菲尼克斯公司的ILC150 VLC系列PLC
图2德国凤凰公司ILC150 VLC系列PLC。

美国也有所谓的低图编程,流程图编程也属于这一类。另外,国内比较熟悉的NI的LabView平台,为库提供了各种基本功能块,供用户对功能块进行编程,这也属于低图形化编程的范畴。

事实上,1985年后,国内许多单位开始探索使用PC机开发控制系统。作者参与了上海工业自动化仪表研究所的一个纸控系统开发项目,使用了长城0520C(Intel8086,带8087协处理器,用于浮点运算)。除了人机界面、I/O和与纸张定量和水分测量装置的通讯进行数据采集外,他还承担了纸张过程控制模型的操作。由于计算能力有限,为了保证具有大量矩阵运算的控制模型能够在一秒钟内完成,程序采用汇编语言编写。该系统已在北京第一造纸厂的长网造纸机上投入运行。

20世纪90年代中后期,我国工控市场出现了适用于中小型DCS系统的PC基产品,由于其成本远低于正规厂家的DCS,也获得了一定的市场份额。但国内正规DCS厂商如孔众、和利时、优文等一直在成长,产品质量和规模在提升,价格在下降。这种基于PC机的DCS已经逐渐退出市场。但国内很少使用PC开发软PLC控制,除非使用国外相关软件。也许是因为这个基于IEC61131-3的软件的开发需要一个相当扎实的基础。

PC机的PLC控制开辟了工业控制应用的新天地。

IEC61131-3发布已近30年,已成为国际工控界广泛接受的控制软件平台基本标准。在PC控制的发源地美国,似乎很少有基于PC的具有国际规模和影响力的硬件平台,如德国的北孚和奥地利的B&R,但运行着与IEC-61131兼容的控制软件。它似乎继承了基于PC控制的原始思想和原始优势和好处。当然像美国OPTO22这种手握PC控制和PLC,或者曾经作为可编程自动控制器PAC出现的人,也有非常好的产品。

在产品定位上,这些基于PLC的PC控制产品大多属于中高端,吸收了PLC产品可靠性高、环境适应性强、电磁兼容性高的优点,可以直接应用于恶劣的工业环境。其模块化的机械结构继承了PLC灵活配置的特点。I/O模块的多样性完全可以满足各种工业现场的需求。在用户眼中,它们都具备了PLC应该具备的功能。

更吸引用户的是其CPU的处理能力超过普通PLC,其综合工程开发软件平台(如B&R自动化工作室、富弼TwinCAT3)超过普通PLC。一个统一的软件平台可以提供PLC系统几乎所有的编程和配置功能,如逻辑控制、顺序控制、运动控制、人机界面、文档管理等。丰富的应用程序库、与第三方仿真软件和可视化软件的便捷链接、与IIoT的链接等。,都为用户开发中高档应用提供了良好的条件。

以上基于PLC的PC控制主要采用X86架构。还有一种新型PLC,可以归入同一类别。典型代表是德国凤凰城的PLCnext和德国冷茨的新型PLC。它们的共同特点是既有实时PLC,也有可以直接链接IT的非实时系统(包括云、IIoT、数据中心等)。)在一个系统中,这为OT和IT的集成提供了解决方案。通过建立开放实时操作系统、开放编程环境、开放通信接口和开放用户界面四大开放平台,PLCnext将传统稳定的PLC的灵活性和开放性与现代软件工程相结合,满足智能制造的日常需求。在同一系统中实现传统PLC的实时控制的同时,引入了基于互联网的非实时任务,依托全局数据空之间的中间件,为不同的实时数据处理方式和非实时数据处理方式提供了数据交换方式。

PLCnext技术是一个开放的固件平台,执行Linux操作系统(带有OSADL实时补丁)。固件形式的各种组件构建核心功能,包括系统组件、服务组件、I/O组件和中间件。中间件起到了将PLCnext固件平台与操作系统隔离的作用。公共类的集合用于为用户提供调用系统功能(如文件操作、套接字服务或线程服务)的可能性。中间件中包含的global data 空之间的GDS是PLCnext技术中的一个特殊组件,它通过所谓的“数据端口”来保证单个组件实时数据交换的一致性。

PC控制,将占据PLC市场的40%?
图3  PLCnext的系统架构集实时控制和非实时处理于一体
图3 PLC Next的系统架构集成了实时控制和非实时处理。

近年来,工业自动化市场上出现的新品种引起了广泛关注,即可安全接入工业互联网的可编程工业控制器,如美国霍尼韦尔的ControlEdge PLC、日本三菱电机的OPTO 22的GrooveEpic、美国三菱电机的MI5000、MI3000、MI2000和MI1000、中国台湾省研华科技的WISE-5000等。这种新的解决方案可以满足自动化和IIoT的要求。这种新型控制器集设备边缘、路由器边缘和计算边缘于一体,功能多、计算能力强、通信灵活。它可以直接访问各种I/O并执行PLC控制、数据采集和处理功能,还可以直接连接云端和数据中心(见图4)。这也是一个OT/IT融合的解决方案,PC控制了它的优势。

这些新的PLC架构和品种,无疑应该属于基于PLC的PC控制。基于PC的控制技术之所以潜力远未达到其可能的水平,是为了告诉工业自动化行业,随着智能制造和工业互联网的发展,基于PLC的PC控制将占据更多的PLC市场份额。

PC控制,将占据PLC市场的40%?
图4  OPTO 22的边缘可编程工业控制器的解决方案
图4 opto 22的边缘可编程工业控制器解决方案。

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在过去的几十年中,控制软件发生了许多变化,但有趣的是,大多数制造过程控制仍然采用可编程控制器,主要采用梯形图编程逻辑。支持这一论断的事实是,在过去的10年里,几乎每一个关于编程语言的调查结果都是以阶梯逻辑为主导的。当然,作为流程图编程的替代,顺序功能图语言SFC已经超过FBD和ST,排名第二。

问题是,可编程控制器仍然处于主流地位,但基于PC机的控制技术的潜力远远没有达到它所能达到的水平。PC控制通过PLC已经成为PLC家族的重要成员,并且还在进一步发展,不断挖掘其在集成软件平台上的优势,打造更适合市场需求、更符合用户需求的新功能、新模式、新架构,使得PC控制将占据中高端PLC市场预测的40%,相信是可以实现的。

作者:彭宇(上海工业自动化仪表研究所,PLCopen中国组织)。

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