个人计算机控制系统的好处

本文的目的和范围是探讨使用PC进行工业控制的好处。标准的个人计算机(PC)已经开始在许多工业应用中被用于直接机器控制。采取这一步骤的工厂这样做是为了利用PC降低的成本和增加的灵活性。其他考虑使用PC的工厂可能不熟悉这种类型的控制系统的好处。

本文探讨了在评估使用个人计算机代替可编程逻辑控制器直接控制工业设备时必须考虑的好处。

硬件
从工业控制应用的角度来看，控制器的确切硬件配置并不是特别重要。图1和图2显示了典型硬件解决方案的图表。所有的控制器都有一个共同的特点，那就是它们都使用微处理器作为系统的核心。处理器周围有内存设备(只读和/或读写)和I/O设备。通常，控制器将包括通过网络与远程I/O通信的硬件。

在许多工业应用中，硬件必须能够承受极端的环境条件。满足这些要求的硬件平台很容易获得，如plc和pc

显然，定制解决方案(plc)和标准解决方案(pc)都具有执行工业控制所需的硬件。系统软件使一台特定的机器成为工业控制器，并且通常将PC与PLC区别开来。

所有工业控制器软件都有共同的特点:

• 运行可靠

• 用户编写的控制代码

• 控制代码的实时执行

• 与工业I/O直接通信

具有所有这些基本特征的系统软件目前可以从几个供应商的标准PC上获得。

用于构建个人电脑的硬件继续以非常快的速度改进。每隔6到9个月就会有新一代个人电脑硬件问世。相比之下，新一代PLC硬件每两到三年就会上市。

在每一代硬件中:

• pc变得更快。目前，奔腾系统的性能甚至比最快的plc高出20:1甚至更多。

• 个人电脑变得更便宜。高性能的个人电脑很容易买到，价格不到2000美元。低价电脑远低于1000美元。

• 个人电脑得到了更多的内存。16MBytes内存的系统很常见。64mb的系统是现成的。

• pc支持更多的外围设备。CD-ROM驱动器，声卡，语音识别，光学扫描，高容量磁带驱动器，打印机和各种各样的产品，专门的I/O(例如数字化示波器)，以及其他物品随处可见，而且价格便宜。

除了每一代的改进之外，PC硬件还提供了跨越许多代人的好处。例如:

• 外接硬件接口(ISA、PCMCIA、SCSI等)是标准化的。

• 并行和串行端口是标准化的。

• 网络设施标准化。

• 视频接口标准化。

• 输入设备(鼠标、键盘等)是标准化的。

人为因素
PC在商业应用中的普及催生了广泛的活动，旨在使PC更容易安装、更容易理解和更容易使用。特别是，微软WindowsT极大地提高了非技术人员对计算机的可访问性。

这项活动的成果可以提供给基于PC的控制系统的用户。由于底层系统软件可以设计成在同一台PC上支持Windows，因此控制系统的所有用户(程序员、操作员、技术人员、主管)都可以获得这种水平的工作效率和易用性。

易用性提高了控制系统设计者的工作效率。控制工程师经常把开发时间花在为他们的控制系统设计和开发工具上，而不是弄清楚如何制造更多或更好的产品。

具体来说，Windows的可用性在以下方面提高了工作效率:

• Windows提供的图形用户界面(GUI)允许控制系统的所有部分对所有用户显示相似。通过利用这种通用性，基于PC的控制系统可以减少控制工程师、维修技术人员和机器操作员所需的培训程度。

• 高级功能，如剪切/复制/粘贴、撤销/重做、查找/替换、拖放等，在Windows应用程序中很常见。这些特性减少了在编程和维护控制系统时执行许多常见任务所需的时间

• 通过大量的文字处理、电子表格和数据库程序，控制系统的文档得到了改进。

• 开发工具可以很容易地连接到网络，允许工程师团队之间共享各种工程活动的结果。

第三方工具
基于pc的系统支持Windows的能力为控制系统设计者提供了大量使用第三方软件包的令人兴奋的功能。考虑以下可能性……

例子:
在每个生产日结束时打印一份轮班结束报告是必要的。不需要购买特殊设备和创建定制软件来处理任务，可以:

1. 使用Microsoft Excel、Lotus 1-2-3或任何带有DDE的类似电子表格产品直接从控制系统中提取所需的信息。

2. 设置电子表格，对原始信息执行任何必要的计算，创建适当的图形/图表，并填写任何文本数据。

3. 设置一个宏来运行电子表格，并在Windows支持的任何打印机上自动打印所需的报告。

例子:
在复杂的应用中，机器维护必须有机器的工程图纸和照片，以及控制系统设计本身的大量文档作为支持。

为了支持这个系统，我们将以下部分放在一起:

1. 图纸、照片等被数字化并存储在光盘上。

2. 控制系统经过编程以保持反映机器状态和预期活动的内部诊断信息。这些信息的创建被用于设计和调试控制系统的Windows用户界面所简化。

3. 电子表格使用DDE从控制系统中提取诊断信息。此信息用于索引，以查找CD-ROM上可能的主题。

4. CD-ROM中的内容使用类似于标准Windows联机帮助系统的简单超文本工具显示给操作员。

5. 如果需要，可以将复杂的离线诊断工具(专家系统)应用于提取的信息，提供对机器状态的深入分析、故障的可能原因和建议的补救措施。

机器操作员和/或维护技术人员现在可以通过指尖访问有关机器当前状态、预期操作和故障可能原因的非常详细的信息。这些信息可以使任何必要的维修非常迅速。

在许多情况下，操作员可以立即修理机器，而不必等待技术人员诊断问题。

I / O的支持
大多数工业I/O设备的主要供应商都提供了I/O设备和标准PC之间的连接。通常，这种连接以卡的形式存在于PC的背板中，并连接到供应商特定的I/O网络。此外，许多供应商提供直接位于PC背板中的I/O设备。背板常驻I/O设备涵盖了广泛的功能-从离散输入和输出到多轴运动控制。

通过适当设计的系统软件，基于PC的控制系统可以利用这一事实为用户提供深刻的可能性。特别地，一个输入现在只是一个输入。输入是由哪个供应商制造的或它位于哪里不再重要。

更好的是，大多数PC都有多个插槽可用于外接卡。这意味着系统软件可以允许用户在一个控制系统中使用来自多个供应商的输入和输出。

同时，非常重要的一点是，系统软件不能限制对某些I/O系列中可用的特殊特性的访问。例如，一些I/O系列提供设备诊断。如果控制系统不能使用这些功能，那么I/O设备就会失去很大一部分价值。

在独立于供应商的环境中，I/O是一种商品。它可以根据价格、功能或其他因素购买，而不考虑与控制系统的兼容性。这一事实开启了许多可能性:

• 专业设备制造商(OEM)经常被要求围绕不同的I/O系列构建他们的产品。基于PC的控制系统所提供的I/O供应商独立性意味着其设备控制系统的设计和编程不需要从头开始。从新供应商的目录中指定兼容的I/O设备很简单。

• 最终用户可以选择最能满足其应用程序需求的I/O设备。来自一个供应商的最佳RTD输入可以与来自另一个供应商的最佳24伏DC I/O和来自另一个供应商的最佳4-20mA设备用于相同的控制系统。同样，最佳的机架安装I/O可以与最佳的分布式I/O相结合。

• 控制系统设计人员可以开发控件，而不必担心某个供应商的I/O系统的特定缺点。

可靠性
在工业环境中，控制系统的可靠性是非常重要的。它必须提供一致的、无错误的过程控制。可靠性需要从两个方面进行检查:

1. 物理可靠性——硬件能在多大程度上承受生产车间恶劣的物理环境?

2. 软件可靠性——底层系统软件在时间紧迫的环境中经得起长期使用的程度如何?

在物理可靠性方面，标准商用级PC的设计通常不能承受生产车间经常出现的冲击、振动、温度和电气噪声。然而，有许多供应商提供为这种环境构建的PC。他们使用与PLC制造商相同的构造技术来提供坚固的产品:

• 外接插件卡的四个点支持。

• 高强度金属外壳。

• 密封的前面板，防潮渗透。

• 适用于高温操作的电子元件。

• 冲击和振动测试电子组件

• 等。

这些构造实践导致“工业”PC的终生故障率与PLC类似。

硬件可靠性的另一个方面是更换故障部件的成本和难度。这款PC在全球范围内都可以买到，只要接到通知，就可以从许多供应商那里买到。必要时，从当地电子超市买来的商用级个人电脑甚至可以代替工业级电脑。PLC只能通过特定供应商的分销系统获得，这迫使用户维持昂贵的本地备用控制器库存。

在考虑软件可靠性时，有两个重要方面必须考虑。这些都是:

1. 系统可用性
   软件是否经得起长期使用?控制系统如何保护免受外部干扰?

2. 系统的可访问性
   软件使用起来有多简单?控制系统数据能在多大程度上提供给外部使用?

可用性:为了使控制系统有用，它必须处于运行状态(“可用”)。如果系统软件设计合理，控制系统将是稳定的、鲁棒的。用户的控制代码将受到很好的保护，不受可能发生的其他活动的影响。

现代控制系统(包括PLC和PC)都是基于“实时操作系统”(RTOS)。这些操作系统在机器上运行的进程之间管理CPU时间、系统内存、中断和其他资源的分配。

控制系统所使用的实时操作系统基本上都是相似的，其结构如图3所示。一些供应商使用内部开发的操作系统，另一些使用商业操作系统。在评估供应商控制系统的软件可靠性时，重要的是要查看构成系统可靠性基础的操作系统的跟踪记录。障碍赛跑软件使用英特尔的iRMX操作系统。在该领域拥有近200万份拷贝，这是一个经过充分验证的可靠操作系统。

可访问性:控制系统不再是孤岛。事实上，他们用于控制设备的一些信息对于经营制造企业本身同样重要。此外，如果控制系统难以使用，难以理解，或难以获取信息，那么它将不能充分满足用户的需求。

基于pc的控制系统软件比传统的基于PLC的控制系统提供了更多的可访问性。Windows环境不仅仅是用于编程的。也可在操作过程中使用。这意味着:

• 可以很容易地应用标准的Windows数据交换方法在控制系统和企业的其他部分之间移动信息。

• 编程环境可以直接在控制器本身上使用。它不再需要有一个单独的计算机为编程目的。

• 大量现成的Windows应用程序可用于在控制系统运行时分析或操作控制系统数据。配方管理，SPC/SQC，物料核算等都变得简单。

集成
工业控制系统不是凭空购买的;他们有特定的工作要做。与传统控制系统相比，使用基于pc的控制系统可以更快、更有效地完成全部工作，并且集成工作量更少。

基于pc的控制系统是可用的，它集成了整个控制解决方案的许多常用部分。特别是:

• 实时控制——能够在很长一段时间内正确地执行用户编写的控制策略。

• 操作员界面-在同一台PC上包括图形操作界面作为基本控制系统的能力。现代操作员界面包括在屏幕上显示图形图像的能力，并根据控制系统的操作改变图形图像的大小、位置、颜色等。

• 编程-能够创建和调试要使用的控制策略。这还包括组织中所有级别的人员能够轻松理解另一个人创建的程序。

• 文档-快速和容易地从控制系统提取信息的能力。这些信息包括控制系统的设计和操作。

• 通信-通过任何可用的网络硬件与其他控制系统、专用操作界面、其他建筑物或世界各地的机器进行通信的能力。用户方面不需要特别的努力来实现这一点。

如需更多信息，请联系Dave Gee，工程副总裁，
电话:313/995-3348;传真:313/995 - 7218

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。