集中控制:智能软件、网络胜过智能硬件

在软件中集成PLC、安全、运动、机器人/运动学和通信功能，机器设计更容易，辅助控制点(硬件)更少，基于软件的设备取代硬件功能。

在确定机器的控制体系结构时，有许多重要的因素需要考虑，并且系统中将包含许多不同类型的设备。其中一些设备具有内置智能(“智能设备”)，而另一些则更基本，使用中央控制器处理和响应数据。当考虑到系统可靠性和可维护性时，简单性和灵活性是成功的最重要的关键。

当然，机器制造商(原始设备制造商，oem)更喜欢自动化和控制架构有助于减少构建和调试系统所需的时间和精力。因此，对于工程师来说，尽可能多地重用已有的工程工作是很重要的。这有助于减少单个设备和系统的配置时间。同时，设备终端用户需要机器架构来促进良好的整体设备效率(OEE)，并在发生意外故障或维护需求时最大限度地减少对生产的影响。实现这些目标的最有效和最可靠的方法是在以前由专用专用硬件占据的领域增加智能软件的使用。

简化的控制器架构意味着机器(或机器)的核心是围绕一个控制器和一个网络构建的，所有这些都是使用一个软件平台配置和编程的，该软件平台本身具有一个主要的开发环境。在一个平台内，可以将可编程逻辑控制器(PLC)、安全、运动、机器人/运动学和通信功能主要集成在软件中，同时减少辅助控制点(硬件)的数量，并以“软件”设备取代“智能”硬件设备。现场数据由标准I/O设备采集，由运行智能软件的中央控制器进行处理。这减少了机器上的“黑盒”硬件的数量以及与该硬件相关的配置。这可以显著节省成本，减少潜在的故障点，从而简化系统调试和维护。

PC控制速度快

从历史上看，在依赖多个黑匣子设备实现特殊功能的系统中，10-20毫秒的周期时间很常见。通常，与这些设备的通信是异步的，并且由于缺乏与系统响应相关的确定性而导致相应的不准确性。然而，高性能PC控制器的技术进步使周期时间很容易减少到1-2毫秒范围内，运行速度可能快至50 μs。周期时间减少了10倍。因此，控制回路和时间敏感算法可以从分布式硬件(智能设备)转移到中央机器控制器中，从而进一步节省成本并在应用程序中提高设计灵活性。

如果系统能够比许多需要复杂通信和握手的分布式小型控制器运行更快、更强大的控制算法，集中控制技术就会特别有利。现代工业pc (ipc)通常以更低的成本提供更高的处理能力和内存，甚至比大量小型分布式控制器的总和还要低。

高效的工程，灵活的网络，软件

这个等式超越了硬件与软件的关系;还需要考虑网络因素。对于大多数控制工程师来说，复杂性从一开始就渗透到项目中，甚至可能从第一个管理交换机和子网开始。接下来是将“智能”设备添加到基于TCP/IP的网络中。随着每台设备加入到网络中，复杂性会迅速增加，设备和网络所需的配置时间和精力也会增加。

相比之下，当实现真正的工业以太网系统(如EtherCAT)时，用户通过消除控制器和(远程)I/O之间的管理交换机的需要，立即简化了系统。将网络交换机从现场总线系统中移除，使EtherCAT能够将远程设备的确定数据传递到中央控制器。这带来了在中央CPU中处理控制算法的可能性，从而消除了对各种智能设备的需求。

统一编程

回到软件方面，使用统一的基于pc的控制系统是利用现代多核处理器的全部功能来简化控制架构和集中处理算法的催化剂。有了这样的软件，实时任务可以分配到不同的处理器内核。例如，PLC运行时可以在一个核心上运行，而运动控制和HMI分别在第二个和第三个核心上运行。任务被单独分配给一个核心，并且这些核心的利用率可以单独指定。使用这种“核心隔离”使单个核心对操作系统(OS)“不可见”，使它们能够专门用于实时自动化和控制任务。然后，这些隔离核心上的资源完全可用于控制软件，用于算法处理，运动控制，通信或其他功能。操作系统只能使用分配给它的内核，因此，统一软件可以使用隔离的内核，而不受操作系统的影响。多核利用和隔离可以在编程环境中快速配置。

速度设置

通过运动控制工具集可以实现PC处理能力的最佳利用。多年来，对单个驱动器进行重复和费力的编程一直是一项可选的活动。早在90年代，可用的软件就可以在中央控制器上对机器上的所有驱动器进行编程和参数化。随着最近的进步，标准PC CPU的容量使位置控制回路能够在中央控制器上计算，而不是在单独的运动控制CPU或运动卡中。在这种情况下，伺服驱动器或步进驱动器只需要关闭电流和转矩回路的能力，而在编程软件中关闭位置回路。这使得可以使用更具成本效益的驱动器，具有更小的占地面积，以及促进更容易的轴传动或电子凸轮轴在一起的能力。这可以消除昂贵的机械装置，使系统比机械凸轮灵活得多。这种能力和灵活性使得可以同时定位多个轴，添加机器人运动学，并执行基于g代码的内插运动，所有这些都可以同时在一个基于pc的控制器上完成。这些运动任务可以在同一个控制器上运行，可以在单独的CPU内核上运行，也可以在同一个CPU内核上运行，所有这些都是实时执行的。这消除了对单独的运动控制硬件和逻辑控制硬件的需要。 In addition to previously mentioned methods, these can be programmed using a wide range of available software tools, including the typical PLC programming languages, PLC Open function blocks, C++, and more.

状态监测

中央控制减少所需硬件数量的另一个例子是在状态监测领域。在其他任务中，这些系统可以记录电机轴承、轴或机器其他机械部件的振动。在故障发生之前，对这些数据进行分析，以检测机器操作或硬件的磨损和损坏。传统上，状态监测也使用专门的黑匣子硬件来完成，该硬件处理具有通常有限特征集的信号。如果需要更多的功能，通常必须向系统中添加额外的硬件模块，这会使前面讨论的问题复杂化。另外，通过使用更标准的信号输入设备，可以在软件中添加额外的功能或处理算法，而不是在高度专业化的硬件中添加。可以通过具有与“常规”模拟和数字I/O相同的物理格式、网络和软件环境的I/O终端收集状态监测数据。

比专用的“智能”设备更聪明

强大的中央控制器与智能软件和确定性网络(如EtherCAT)相结合，使工程师能够将其他类型的设备添加到主网络中，这些设备在过去可能更难集成，例如温度控制器。温度控制是另一个解决方案的例子，传统上使用独立的黑盒硬件，该硬件连接到热电偶作为输入，并具有控制加热器/冷却器的输出。这种硬件通常只有几个导航按钮，但必须设置许多参数才能使应用程序最佳地工作。通常，这些设置是由机械OEM在控制器中设置的，这些设置的文档可能很难在最需要的时候妥善管理和长期使用。在这个温度控制示例中，在软件中选择EtherCAT主机并使用标准EtherCAT I/O硬件，将允许从用于整体自动化和控制编程的相同开发环境中访问硬件设备参数。

这也便于访问从设备的参数“启动列表”。一旦配置了EtherCAT从设备，这些参数就可以移到启动列表中。这个参数列表及其值将在初始化EtherCAT网络时自动加载到设备中。这将在控制器上电或手动重新激活时发生。更换EtherCAT设备非常简单，只需关闭设备电源并安装新设备即可。机器上电后，参数恢复到新设备，大大减少设备停机时间。

此外，通过将硬件和控制逻辑的参数化引入功能强大的基于软件的平台，OEM和最终用户还可以获得其他有用的好处。例如，编程软件可以与修订控制软件(如Microsoft Team Foundation Server、GIT或subversion软件)无缝集成。这意味着一旦参数值确定并存储在启动列表中，就可以将设备设置存档，并与其他项目元素(如PLC程序、安全配置甚至伺服驱动设置)一起控制修改。可以使用该设备类型导入参数的存档并将其应用于未来的项目。这进一步扩展了代码重用策略，而不是PLC功能块，一直到设备配置，这使得更有效地利用工程时间。

流线型的建筑

机器架构总是需要各种不同的现场设备。然而，在系统设计之初，工程师应该选择一个最小化复杂性的核心控制平台。在尽可能少的软件平台上为尽可能多的设备编写尽可能多的系统功能是最有效的——理想情况下，只有一个。利用一个不需要托管交换机和路由器的系统级网络也很重要，它是由一个硬件控制器上的一个软件平台驱动的。指定要在该网络上使用的设备应该始终允许参数化的重用，并在更换硬件时启用自动重新参数化，同时将数据发送回中央控制器进行处理。在系统设计期间遵循这些要点将通过增强架构的简单性来提高成功的几率和竞争优势。更精简的硬件和网络体系结构本质上更容易实现、支持和维护。

- Daymon Thompson是倍福自动化的TwinCAT 3产品专家。编辑:马克T.霍斯克，内容经理，CFE媒体，控制工程，mhoske@cfemedia.com。

关键概念

• 基于pc的控制，采用统一的编程软件，简化了机器结构的系统设计。
• 使用一个不需要管理交换机和路由器的全系统网络。
• 重用设备参数有助于增强、维护和升级。

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