工业网络扩展了PLC的功能
将实时以太网与可视化、控制和通信功能相结合，使plc为制造商打开了一扇通往新水平的可见性和控制的大门。
工人在制造业中充当大脑和体力的时代早已一去不复返，而人机交互在工厂车间已变得司空见惯。一个主要的例子是PLC，多年来它一直是自动化和制造业的主力。通过与从传感器和机器防护到运动控制和先进的识别设备的接口，plc确保操作平稳运行(见图1)。通过plc提供的灵活性，制造商可以一次管理多台机器——实现更高水平的集成和过程自动化机器，并提高生产质量和操作成本。
PLC的优点是众所周知的。他们对提高效率的贡献和对工业以太网的幕后支持使这种强化控制成为可能。总之，这些技术使人与机器之间的交流成为无缝的、有利可图的组合。工业以太网由各种协议组成，具有确定性能力，为传统自动化系统提供了一种具有成本效益的替代方案。
凭借先进的功能，复杂的功能和简化的安装，PLC是现代制造业的基石。然而，为了有效地使用这些设备，用户必须了解网络所扮演的关键角色，以及必须考虑有效解决方案的个人需求。它们共同构成了一个统一的基础设施，可以从管理网络扩展到控制级和底层网络，提供了固有的可伸缩性，以继续满足不断增长的行业需求。
PLC技术故障
自诞生以来，plc已成为工业自动化的基石，通常是人类和机器之间的重要纽带。随着控制体系结构的不断变化和网络技术的不断进步，这些变化支持集成的hmi - plc，利用已建立的便携式编程环境。作为一个通用控制器，plc可以被编程来执行各种各样的任务——从启动和停止电机到数学计算操作。随着当今现代计算机的处理能力、数据存储和通信能力，plc提供了智能和坚固的现场级应用控制(见图2)。plc被设计成微型计算机，可以在各种具有挑战性的环境中提供可靠的运行，如极端温度、电气噪声、振动和冲击。
PLC通过它的I/O与它控制的环境进行交互。PLC输入接受来自多种类型的传感器、开关和其他控制设备的信号。PLC根据这些输入信号的值做出决策，这些输入信号与编写的程序有关，以利用它的力量使事情在其环境中发生。历史上，PLC程序是用梯形逻辑创建的，这种语言非常类似于基于继电器的布线原理图。然而，现代PLC编程并不局限于梯形逻辑。这些决策的结果通过PLC的输出发送到执行装置。在许多情况下，输入向PLC提供反馈以实现这些决策，而输出则以可以改变流程或环境的形式提供这些决策的结果。
公司优势:实现plc提供了许多性能好处，例如减少硬件需求，提高效率和减少浪费。现代plc是高度定制的解决方案，可以针对单个控制应用进行定制，同时在工厂车间消耗更少的空间(见图3)。
作为内置控制器，plc简化了安装，因为它们占用更少的机柜空间。此外，许多plc的可视化显示改善了机器/操作员的交互，提高了生产效率。例如，本地显示器与plc上易于使用的接口相结合，可以为机器操作员提供简单的指令，以及支持警报监控和/或配方管理的数据输入手段。
设计易于维护和故障排除，维修减少到简单地更换模块化，插件组件。出现故障的可能性和修复这些错误所需的时间大大减少，无需重新布线面板和设备。现在，可以通过重新输入逻辑来纠正错误。此外，每个主要部件中的故障检测电路和诊断指示器可以判断部件是否正常工作。使用编程工具，可以查看任何已编程的逻辑，以查看输入或输出是否打开或关闭。
通过网络扩展PLC功能
尽管plc为现场可视通信打开了大门，但正是它们与网络设备的集成，通过将实时以太网与可视化、控制和通信功能相结合，为制造商提供了一个新的可视和控制水平。
为了满足工业自动化日益增长的操作需求，网络不断扩大，在以前不可能实现的领域提供监测和控制功能。设备网络现在使用现场总线到以太网集成来开发企业范围的控制网络。将网络功能与plc相结合，使用户能够卸载主处理器任务，以便在现场进行分布式控制，使控制级设备更接近操作。此外，通过将控制与分布式I/O相结合，制造商可以通过简化数据采集、通信和工厂范围内的连接来降低总运营成本。
网络:plc要成为网络工具，用户必须拥有允许实时工业以太网的必要带宽。由于连接和通信需求不断扩大，plc必须增加对多种网络技术的支持。虽然没有适用于所有高级I/O解决方案的通用工业网络，但plc可以根据需要通过容纳多种协议将企业层连接到工厂。由于网络协议增加了功能，plc是驱动和支持这些附加功能的必要组件。
维护这些工业自动化网络仍然是确保这些集成系统继续运行的关键组成部分。可靠的网络至关重要。因此，维护网络可用性至关重要。这要求系统支持必要的带宽和高数据传输速率，以满足应用程序规格，以及维护操作期间的数据保护和连接故障时的快速恢复。
除了速度和可用性外，冗余对于持续的性能和可靠性也很重要。长时间的计划外系统停机可能成为工厂生产力的潜在威胁。然而，冗余技术不仅提供msec级的网络恢复，而且还可以大幅降低部署成本。
分布式控制:使用分布式控制允许自动化系统的各个部分在整个系统中分散和分散。这意味着系统的某些部分由位于直接控制区附近的独立控制器控制。这允许多种不同的形式因素，以满足各种各样的应用程序需求。此外，通过适当地在应用程序中分布I/O数据(在机柜中或在机器上)，制造商能够通过减少必要组件的数量来减少自动化和控制占用空间。
分布式控制使用户能够实现灵活的模块化设计，并在必要时添加精确数量的I/O扩展，为未来的扩展提供快速、经济有效的更新提供了固有的可伸缩性。分布式智能减少了PLC上的任何额外负载，还允许系统在使用相同的PLC控制自动化应用程序时进行扩展，以适应未来的功能需求。这意味着用户可以通过扩展尺寸和功能功能来丰富他们的系统，并且仍然标准化PLC系统。
在卸载过程中，从主处理器(PLC或pc控制)到分布式I/ o(位于机器上或机柜内)的一些控制功能减少了网络流量。这是因为通过分布式I/O，主处理器不需要向远程I/O请求输入状态或初始化输出。具有控制/可编程功能的分布式I/O系统可以处理某些任务，将通信降级为监督或将状态数据降级为主处理器。
通过启用远程I/O配置，制造商仅需要几个I/O点就可以实现高级连接(即使在广泛的地区)，为不同的行业和应用提供具有成本效益的控制解决方案。在需要广泛监测和控制的大型设施中，在每个场址配备一名控制员既不实际，也不符合成本效益。这将需要一个繁琐而昂贵的安装过程，需要每个I/O点都用长距离的电缆硬连接。例如，远程I/O系统可用于从远程工厂或设施位置获取数据。循环时间、计数、持续时间或事件等信息可以发送回PLC进行维护和管理报告。此外，硬连接增加了错误的可能性，例如错误连接，这可能需要过多的停机时间来纠正。
高级I/O功能:网络技术已经超越了标准数字输入、数字输出、模拟输入和模拟输出功能。例如，高级I/O可以包括RFID技术、用于运动和串行输入的SSID、数据记录、条形码和2D矩阵识别系统。更智能、更高级的I/O产生更大量的数据，集成plc必须能够管理这些数据。
典型的工厂环境正在寻求更严格的制造过程控制，这导致需要更多的离散I/O。plc配置了先进的I/O，如模拟信号处理、温度和rfid，所有这些都消耗了相当多的带宽。
例如，PROFINET使用三种不同的通信通道与plc和其他设备交换数据。标准TCP/IP通道用于参数化、配置和非循环读/写操作。RT (real-time)通道用于标准的循环数据传输和告警。RT通信绕过标准的TCP/IP接口，以加快与plc的数据交换。第三个通道，同步实时，是用于运动控制应用的高速通道。
在现场结合网络和plc
远程I / O:石油和天然气行业需要处理危险的工作环境，并依赖于精度和可靠性。对于一个不仅需要可靠性能，而且还必须适应不断变化的需求和不断增加的需求的应用程序，传统的控制解决方案并不理想，而是需要一个能够拆卸和运输的模块化解决方案。对于油气行业来说，必须采用创新的连接解决方案，在不牺牲性能或不受环境因素影响的情况下实现远距离通信。这些需求要求控制设备(如plc)与网络协议的可靠结合。
对于这些工厂，挑战在于克服设施的广泛设计，这要求网络能够容纳大量信号，并在保持备用地板容量的同时减少布线占用。使用具有危险区域快速断开接线系统的分布式I/O系统为复杂问题提供了经济有效的解决方案。易于配置的系统为处理应用程序提供了远程I/O功能。一根以太网电缆能够处理高通信量，将多达150个信号从工厂的各个远程部分传输回PLC。
在现场使用复杂的连接器系统来终止过程仪器，将这些信号整合到接线盒中，以提高效率。此外，通过实施屏蔽双绞线将信号从接线板传输到PLC柜，并通过铠装双绞线将接线板连接到仪表，不再需要将所有电缆单独运行回PLC。取而代之的是，过去的八根电线被合并成一根电缆。由于家用电缆插座的尺寸较小，所有信号最终终止的PLC机柜的尺寸也减小了。这将节省额外的成本。
此外，为了满足油气市场及其危险地点的个性化需求，这些设备必须正确安装。可供选择的选项包括2区/ 2区批准的以太网协议，巩固温度，4-20 mA和离散信号，并将它们高速发送到PLC。
增强的自动化:煤炭生产工厂有广泛的运输系统，贯穿整个设施，将煤炭从仓库运输到煤厂。这种运输系统必须在任何时候都是可靠的，以促进持续的工厂生产力。因此，自动化是一个明显的选择，但这需要在整个工厂安装无数的传感器和执行器，必须进行管理和维护。
为了满足这些特定的要求，使用现代现场总线系统在PLC和传感器/执行器之间进行信号传输，可以提供必要的自动化、控制和耐用性。采用模块化设计并提供坚固保护的现场总线系统，不仅可以提供所有设备之间的无干扰通信，还可以提供高度的数据完整性、抗振动保护和广泛的诊断功能。
考虑一个燃煤电厂的例子，该电厂包括两个运输站、两个煤粉厂和一个煤仓，煤尘从煤仓吹入窑炉。在这些站点中，煤炭是通过多条传送带运输的，因此在产品经过各个步骤时，保持详细的记录至关重要。每个输送带都有自己的控制柜，包括连接器、电机电路开关和分布式I/O(见图4)。模块化I/O站将模拟和数字信号传输到更高级别的plc，这些plc通过DeviceNet等网络协议反映传输系统的状态，包括进给速率、偏移量、膨胀、裂缝或填充水平数据等参数。PLC对获得的数据进行评估后，将工厂的状态提交给管理信息系统。所有这些控制都可以通过两个现场总线网络实现。
由于可靠、高效和灵活的现场总线技术提供了防错生产，制造商可以确保煤炭的连续运输。使用ip67级现场总线系统，该解决方案满足煤炭生产行业的高要求，具有简单的维护和快速诊断，结合易于和无错误的安装和低布线成本，最终确保高效和安全的工厂运行，即使在恶劣的环境中。
结论
没有两个制造环境是相同的。然而，制造商都有一个共同的动力，即生产高质量的产品，同时最大限度地提高效率、生产力和盈利能力。plc和先进的企业网络等控制设备的集成为实现这些目标提供了一种主动的策略。
今天的网络技术提供了快速、安全、可靠的工厂范围内的数据传输。plc提供了更多的诊断和通信功能，提供了一个智能、低维护的系统，带来了显著的好处。现在制造商可以提高精度，提供更快的生产速度，并最大限度地减少错误，以及节省材料和人工成本。
兰迪·杜里克(Randy Durick)是网络和接口组的主管，在微软拥有11年的经验Turck；Chris Vitale是高级产品经理，在网络公司有13年的经验Turck；Matt Boudjouk是网络和接口组的产品经理，在Turck。
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