如何构建基于pc的控制系统

关键字 基于pc的控制 控制软件 工业电脑 开放系统 系统集成商 栏: 何时使用积分器进行基于pc的控制系统

基于pc的控制可能是不能在晚宴上讨论的话题之一，与政治和宗教一样。许多公司都把自己的生存完全押在了控制市场上，许多公司将控制市场视为“我们与他们的竞争”。然而，这个概念足够强大，也引起了大型PLC制造商的注意——所以“他们”通常也是“我们”!

毫无疑问，推动采用这种技术的强大力量是电子商务。许多公司都把自己的未来押在网上销售上。这种销售模式对制造业的实时信息要求很高，既要为客户服务，又要为生产计划主服务。谁有这些实时信息?控制工程师把它锁在他们的控制器里。PC和微软Windows数据通信技术，如COM、DCOM和OPC，都向企业提供数据，并接收生产数据，提供灵活的制造。

Think & Do软件公司(密歇根州安娜堡)总裁肯·斯宾塞说:“互联网意味着即时通信。公司规划需要将控制与电子商务系统集成起来。这就是使用微软Windows DNA(分布式互联网体系结构)技术的基于pc的控制的力量。这不仅是PLC的替代品，而且还为业务增加了重大价值。”

Jess Bowling是Phoenix Contact (Harrisburg, Pa.)集成商Hughes Automation (Graham, N.C.) MES制造服务总监，他从集成商的角度提出了自己的观点。“我注意到一个微妙的重新聚焦，从一个控制体系结构来促进过程自动化，到一个过程自动化体系结构来支持数据自动化。这种转变主要是由生产和业务经理的期望推动的。控制系统设计现在必须支持支持业务模型的数据可用性。”

建立一个系统

最好将基于pc的控制视为一个系统。与plc不同的是，PC控制本质上是分布式的。该系统由PC机、软件控制引擎、编程软件、数据通信软件、通信卡、I/O设备网络和I/O模块组成。

在考虑单个组件之前，要做的第一件事是将第一个基于pc的控制系统的实现作为一个典型的工程项目来考虑。这意味着，首先要定义项目的范围。这种类型的控件的美妙之处在于它能够添加新功能。潜藏的魔鬼是添加新功能的能力。

Julien Chouinard, AlterSys公司(Longueuil, Quebec, Canada)的总裁，从1984年就开始安装基于pc的控制系统。他指出:“最大的错误是，在开始一个项目时心中有一些东西，但最后却说，‘既然我们在做这个，为什么我们不……?“不要在构建第一个系统时就试图发展系统。一次只做一小部分。请在合理范围内完成第一个项目，然后进行下一步。”

Chouinard先生说，实施应该作为一个软件项目。个人电脑允许更多的通信、计算、报告和与其他系统一起工作。制定严格的程序来处理这种互联网络。临别前的一条建议是，“使用开放式控制并不意味着使用廉价设备。像选择任何PLC项目一样仔细选择硬件和I/O设备。看看电涌和环境条件。不要在工业应用中使用TTL信号和实验室设备。您不仅要更换PLC，而且现在可以对系统做更多的事情。确保你所采用的技术是你能够处理的。”

MDSI(安娜堡，密歇根州)通过在旧机床上改造基于pc的CNC的许多项目积累了经验。产品工程师Bob McGinnis将计划分为三个主要部分:机器规格和项目计划;机电一体化;以及软件开发和安装。

McGinnis先生说:“首先要确定伺服系统和机械配置。然后定义控制硬件需求。这包括PC选择、I/O规范、操作站设计和电气组件要求。最后，确定软件需求。定义软逻辑、用户界面和配置文件。”

六步计划

越野软件公司(密歇根州安娜堡)的技术营销副总裁David Gee认为，“基于pc的控制项目仍然是一个项目。我们推荐六个步骤来成功实施一个系统。首先通过流程叙述和流程流程图来理解操作顺序。接下来，开发包含诊断策略的功能描述。接着进行安装设计，然后开发控制程序。接下来对系统进行测试和调试，最后进行修改和优化。”

根据Gee先生的说法，重要的设计步骤包括指定I/O子系统，确保为机器的需求提供正确的解决方案。识别主机活动成为编程工作的顶级流程图。可重用子程序是通过识别公共控制活动派生出来的。找出可能出错的地方，以便在程序中开发异常条件。最后，确定操作员将如何指导人机界面的发展。

有些人选择基于pc的控件，因为它是一种“开放的”架构。许多供应商为这个平台开发，为系统设计人员提供选择。GE发那科自动化(Melrose Park, Ill.)工业平台业务部门主管Larry Ricci警告说:“仔细检查控制、HMI和通信软件与控制器和I/O设备硬件之间的联系。我们仍然没有通用的即插即用。确保PC平台支持所选择的操作系统。”

GE发那科自动化(Charlottesville, Va.)控制软件产品部门经理布鲁斯·富勒建议利用所有的选择。“探索各种控制选项。虽然Windows NT适用于大多数应用程序，但用户可能希望在一些关键应用程序中使用像VenturCom的RTX这样的实时扩展。Windows CE是另一个考虑的选择，因为它占地面积小，价格便宜。”

有时不同的供应商会提供系统的各个部分。在这种情况下，富勒先生补充说:“要了解谁对这个系统负责。从一个供应商那里购买整个系统作为捆绑解决方案，可以防止对多供应商系统的潜在指责。另一点是在实施之前评估和测试所有设备。这将在启动时节省时间和金钱。如果出现问题，要有一个灾难恢复计划。”

并非所有的电脑都一样

一提到基于PC的控制，人们就会联想到工厂里一台台式“白盒”PC，后面挂着一堆电线。实际上，个人电脑有很多种形状、大小和环保等级。Venture Development Corp. (Natick, Mass.)在本期《市场更新》(Market Update)中发表的研究报告显示，70%用于工业自动化的个人电脑都针对工厂环境进行了加固。小型“互联网设备”的开发将在不远的将来扩展到控制设备。

美国国家仪器公司(National Instruments, Austin, Tex.)的工业自动化产品经理Ryan McDonald建议，评估应用程序的速度和安全需求，然后决定控制应该驻留在哪里。它可能是在Windows NT标准盒中，也可能是CompactPCI工业计算机或小型分布式Windows CE控制器中。安全或其他类似情况可能需要实时操作系统(RTOS)来降低操作系统意外关闭的风险。

购买PC硬件时要注意的另一项是处理器芯片。Nematron(密歇根州安娜堡)软件经理Aldo Marcuzzi指出，英特尔有一个嵌入式芯片路线图。本指南详细介绍了一段时间内产品的发展和维护。“不要只追求最新的Pxx芯片，”他补充道。“它将在三个月内被淘汰，你将面临潜在的升级问题。”

来自加拿大安大略省伦敦市的用户工程师迈克尔·格里芬(Michael Griffin)表示，他多年的个人电脑制造经验表明，只有硬盘驱动器和电源出现了问题。他建议购买一台可以随时使用这些组件的电脑，以便于维修。

格里芬先生一直无法确定电源故障的原因。许多制造商现在提供闪存来代替硬盘，但这种解决方案并非没有问题。

Joseph Rubino, Cutler-Hammer (Westerville, O.)应用工程师，提供了在系统设计中需要考虑的几个硬件项目。通过为设备指定适当的NEMA等级来考虑工作环境。由于内存对于系统速度来说通常比CPU更重要，并且不可能跟上处理器的进步，所以购买项目能够负担得起的最多的内存和硬盘驱动器。评估应用程序的串口容量。如果要在一个电源循环后保留内存中的值，则可能需要电池支持的RAM。

其他硬件方面的考虑包括电源和浪涌保护。查看电源线噪音和使用情况，以确定是否需要隔离或专用电源馈电。电源线经常被检查电压激增和瞬变，但鲁比诺提醒用户也要检查电话、同轴、串行和其他通信。

不要节省内存

里克•哈德森(Rick Hudson)是Emco公司(北卡罗来纳州夏洛特市)信息系统总经理。该公司是一家使用VMIC (Huntsville, alabama)产品的系统集成商。他说:“特别是如果您正在使用Windows NT，就不要节省内存。根据我们的经验，如果将内存数量最小化，就会消除处理器速度方面的任何优势。另一个占用CPU时间的小偷是对串行通信的依赖。如果您使用现场总线，外接插件卡将接管网络处理，这将释放一些CPU时间。”

据Hudson先生说，关于内存开销的另一个考虑因素是使用OPC。由于内存限制，一些应用程序需要绕过OPC。使用自定义c可编程块的能力有助于这种情况。系统速度的考虑是现场总线I/O设备的类型。罗克韦尔自动化公司(Rockwell Automation, O. Mayfield Heights)产品开发经理Dave Rohn指出了几个硬件问题。“一定要控制你在系统中加载的驱动程序。确保只使用特定卡的供应商批准的驱动程序。不匹配可能会产生奇怪的后果。防止硬盘故障的一种方法是RAID(廉价磁盘冗余阵列)。RAID可以在一个驱动器故障时提供近乎无缝的切换。”

在谈到软件问题时，罗恩先生说:“在考虑使用哪种操作系统时，请记住，已经有大量熟悉Windows NT的人才。考虑一下已经为更快的开发而闻名的编程语言。源代码控制再怎么强调也不为过。尽早构建并经常构建。从软件工程师展示原型的第一天开始，用‘烟雾测试’来验证每个构建，并每周运行回归。”

欧姆龙电子(Omron Electronics, Schaumburg，伊利诺伊州)工业自动化市场经理戴夫·奎贝曼(Dave Quebbemann)建议评估软件的在线调试功能。“你还需要解决编程语言的问题。你想要梯形图还是其他语言?你能分段编程然后合并吗?该软件能同时处理不同的现场总线系统吗?软件是否兼容OPC ?”

连接外部世界

Think & Do软件产品经理Gary Marchuk指出，成功构建基于pc的控制系统的关键因素是易于集成I/O或智能网络。他补充说:“几乎所有的总线系统都在设备或传感器中内置智能，以提供诊断、统计、安全和/或维护信息等信息。评估候选软件控制系统这方面的能力。”

I/O网络是计算机控制的神经系统。它通过感官输入和激活输出将大脑与外界连接起来。不考虑系统中这一因素的所有后果将导致不愉快的情况。

西门子能源与自动化(Alpharetta, Ga.)产品营销经理Matthias Hoffmann表示:“除了开放操作系统的好处以及PLC和HMI功能的结合外，用户还应该选择开放网络进行信息和控制。由于许多基于pc的控制系统都用于关键应用程序，因此要确保所选择的网络通过提供必要的带宽来提高系统性能。网络应该能够将现场I/O设备带入安全的、预定义的状态。还要评估配置、设置和布线的便利性。

“网络接口卡的选择应该慎重考虑。板载处理器降低主机CPU负载。数据一致性确保接收到的数据来自总线的一次扫描，而不是两次扫描的危险组合。”

系统的三种类型

用pc控制酿造啤酒?新比利时啤酒厂(New Belgium Brewery, Ft. Collins, Colo.)用Opto 22 (Temecula, california)的系统做到了这一点。高级控制系统工程师Igor Valuyev研究了该系统的各种风格，以找到最适合他的应用程序。

他说道:“基于pc的控制有三种类型。第一种，也是最广为人知的，100%运行在操作系统上，通常是Windows NT，适合于不需要高可用性的应用程序。再往上一步，仍然是100%的PC控制，因为它运行在英特尔芯片上，但操作系统运行在InTime或RTX等实时内核上。第三种是把控制放在PC卡上。这样可以在使用PC的数据库、通信和HMI功能的同时实现实时控制。

“每一种口味的成本通常都会上升，但可靠性可能是最重要的问题。当你选择站台时，要权衡这些问题，再加上你打算使用的公交车。”

施耐德电气(Schneider Electric，马萨诸塞州北安多弗)对个人电脑的回应就是采用第三种方式。如果操作系统甚至计算机电源下降，控制引擎仍将运行。这给那些还没有准备好信任操作系统的人带来了安慰。

另一家公司是CTC Parker (Milford, O.)，为那些还没有准备好完全使用PC控制的人推广混合解决方案。

虽然FUD因素(恐惧、不确定性和怀疑)仍然存在，特别是围绕着操作系统，但毫无疑问，许多成功的基于pc的控制系统只是为了维持制造业的运行。如果对当前业务趋势的分析是正确的，那么更多的工程师将把这些技巧用于设计和实现的严峻考验。

何时使用积分器进行基于pc的控制系统

基于pc的控制的好处是，用户可以在购物车中选择最好的计算机、操作系统、编程和控制软件、网络和I/O设备来适应应用程序。坏事也可能是同一件事。除非购买了捆绑的解决方案，否则必须有人把它们组合在一起。

cmetrix(犹他州盐湖城)集成商Advanced Automation(南卡罗来纳州格林维尔)的总裁斯科特·麦克瑞(Scott McCrary)为那些不喜欢独自工作的人提供了以下建议:

让你自己和组织了解一下这个系统，在所有人都确信它的好处之前，不要实施它;

不要期望集成商在组织内部组织辩论，也不要在没有管理层承诺的情况下启动大型集成商项目;

让组织内的IT社区参与进来;

利用集成商的经验——也许你可以做未来的实现;

询问集成商在硬件、软件、标准、实施和培训方面的经验;

明确必须遵守的标准;而且,

期望尽可能将积分器的选择与系统组件的选择分开。

您是否具有本内容中提到的主题的经验和专业知识?你应该考虑为我们的CFE媒体编辑团队做出贡献，并获得你和你的公司应得的认可。点击在这里开始这个过程。