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控制器三十年 -- 老狗科技
发布时间:2020-03-20        浏览次数:24        返回列表
 这一阵子与各位大佬争论了半天PAC啊PLC之类的,争论到目前这个阶段感觉再争论已很没意思,想了想,还是写一个控制器的历史和未来十年控制器的发展方向来做一个结论吧。

 

狗嘴象牙系列九:控制器三十年和未来十年控制器的发展方向

一、历史


1、PLC & DCS

控制器在七十年代开始从传统使用仪表和继电器组对应的两个不同应用领域派生出来DCS和PLC两类产品。这两类产品在初期确有相当多的不同,DCS对于回路控制这一块更为重视,而PLC对于离散的逻辑控制更为重视。当时的DCS使用通用CPU,采用软解释方式处理程序,而PLC依靠类拟于AMD2910的位块处理器处理逻辑,相对而言在系统结构上,DCS更偏向软件,而PLC更像传统的硬件继电器组。

在经过数十年的发展后,突然大家对于DCS和PLC的概念含糊不清了,因为PLC也在体系中加入了通用型的CPU,特别软逻辑PLC在指令处理原理方面与DCS并无二样,只是上位机软件的用户指令不同。不过DCS也不是原地不动,DCS在网络方面、多DPU协同工作方面、冗余方面都有了长足的发展,并大多数采用了X86的体系架构,充分利用了PC的技术成果。

那么现在的DCS与PLC的差别是相当小,从具体的技术而言,DCS有基于令牌网络的分布式实时数据库,可以通过全量通信来保证每个DPU内的映象数据都是最新的,而PLC在这一块更多的注重单机工作,就算是联网,也假定两台PLC之间只需要很少量的数据交换,所以采用的主从结构的请求应答方式通信。

狗嘴象牙系列九:控制器三十年和未来十年控制器的发展方向

最初软PLC的开发大多是以PC_base为蓝图的,只是在后来才慢慢的加入ARM、51、AVR等CPU的支持,并一直强调开发的模块化结构,使移植变得更为容易。

目前的情况是PLC按点数和价格分成了大中小微几种不同的档次,同时按实现分成了硬PLC、软编译型PLC、软解释型PLC三种,按结构分成了背板式、模块式、分布式几种。其中大中型PLC更是在功能 上加入了DCS和PC的许多功能,使其可以向上吞并一些DCS的市场,如现在很多自备电厂和化工行业都不再使用DCS而改用PLC去完成,横向来说PLC发展出了许多专用的PLC,包括数控专用、车用、设备专用等。

同时DCS也向下发展了许多有个性的产品,使其可以代替一部分PLC的产品,如淅大中控、淅大中自的某系列产品就做得比较小,只有几个回路,带显示屏,可以满足一些行业的需要。

 

2、现场总线和FCS


在软PLC出现后不久,一场新的技术浪潮冲进了工控市场,这就是现场总线,同时现场总线派生出来FCS的理念,在当初,我也是FCS的拥护者和开发者,深信在芯片能力越来越强,价格越来越低的今天FCS才是未来的控制系统。可是在实际的开发和应用过程中,我们发现全分散之后不光成本升高了,维护也变得更困难,因为所有的节点都依赖网络,而网络的可靠性就变成了一个瓶颈。这么长的网线,有任何一段出现短路或者开路都会有致命的损伤,如果采用冗余的网络和系统,则在成本方面大增。并且分散后的逻辑,会因为一个中间节点的故障导致整个系统的重大错误,当然如果用户对分布式控制理念有很深的理解当然没有太大的问题,但事实上让用户工程师理解这么复杂的拓朴结构和考虑这么复杂的现场结构是不现实的。

 

除非是在未来的神经元网络芯片研发方面有新的发展,可以在某一个逻辑运算节点损坏后自动由另一个逻辑节点替代,同时需要更好的基于网络的逻辑编程软件,这个软件可以对于分布式的控制器进行合理的逻辑切分,并且对任一个节点损坏后出现的状况能有合理的处理方式,或是保护或是不理。FCS发展的理想地步是只有传感器和执行器而没有单独的控制器,所有的传感器将自己的参数传给需要的执行器,各个执行器根据网络得到的参数运算并进行控制,同时将自己运算得到的中间值传给其它的执行器

 

狗嘴象牙系列九:控制器三十年和未来十年控制器的发展方向

目前在经过若干年的研究后,大家都形成了一个暂时的共识,那就是:根据现场的实际情况选择分布还是集中,很多情况下是一种整体分散局部集中的方式是最适合的。比方在冶金行业,很多现场使用S7-400做为主站,用S7-300做为子站,把子站分布在现场,每个子站负责一个具体的任务可者一个工段。这样一方面当网络出现问题时,各个子站可以很好的处理自己的任务,同时每个子站到设备的距离减至了100米以内,使布线和维护变得相对简单了。

 

现场总线的技术浪潮中有一个很有意思的情况,那就是IEC61158的制定过程,这个过程充分的反应的各大利益集团的冲突,大家为了保护自己的利益在长达15年的时间内竟然未能达成一个真正有意义的协议,最后的结果是变成了8种标准并存,后来又扩到了13种(有14种标准,但有一种退出了),标准的范围也从最初的涵盖过程、楼宇、电力等退到了只包含过程控制,这次争论的结果是当时的制定委员会的负责人在标准通过的当天宣布辞职,他说:“太多的标准意味着没有标准”。其实我个人认为做一个统一的标准包含所有行业目前来看不太现实,各个行业的关注点也不同,像一般过程控制大家可能选PROFIBUS等,楼控可以选LONWORKS,数采和单一设备间通信可以选MODBUS等。但同一行业内实在应该制定一个统一的标准,我就常常为了联西门子或者AB的控制系统而伤脑筋。

 

 

3、PC_base

 PC_base刚出现时也是在工控界引起了很大的反响,那个时代的控制器都是相当贵的,我记得当时一块西屋公司WDPF控制系统的250M硬盘卖5万块,而PC硬件的低成本对于大家来说是相当大的吸引力。当时的工程师分为两派,一派认为PC是为商用开发的,控制界只能吸收其有用的技术,而另一派认为PC技术的广泛应用,有如此之多的软件和硬件资源可供利用,对于控制器的标准化和降低成本有很大的好处。

 

在这个过程中,国内的工控厂商包括DCS、PLC和各种专用控制器都广泛的采用了PC_base结构来开发新产品,当时大多使用386和486,其中ICOP的386X_M6117D是其中最好的工业级386 CPU,可惜我只能买到M6117C只好改用了MAPLE的486DX4-100M。

 

PC_base在近些年的发展之中遇到了一个很大的问题,当初大家之所以选用PC_base是因为开发方便,特别是DOS年代和WIN98年代,大家可以在一周的时间编写出一个很复杂的控制类程序,在刚有网络的时候,大家通过BBS互通有无,当时感觉有一种一切均在掌握之中的感觉。

 

现在DOS使用者越来越少,于是很多的厂商在引导工程师走WIN的平台,而WIN对于底层的屏蔽使广大底层软件开发工程师感到郁闷,因为WINNT体系的WDM驱动程序开发需要用到DDK工具,就算是使用XTOOLS之类的简易开发工具又让人有一种隔鞋搔痒的感觉,让PC_base的开放性和方便性大大的被抵消了。同时WINNT体系的低可靠性让大多数工程师望而止步。

 

2.0以前的WINCE也是一个让人发狂的软件,不光可靠性差,实时性也相当差劲,让人怀疑这玩意只能用来做做显示屏,后来wince2.0出来后还好一点,但个人对WINCE还是有抵触,可能是当初吃苦头吃多了,总认为一个工控产品不适合选用WINCE做操作系统,因为WINCE的系统结构包括兼容性、开放性、图形方面的优点都是针对手持消费类产品的,如PDA之类,对于工控需要的高实时性和高可靠性实在有点不及格。这一方面linux要更差一些,因为linux是为商用电脑开发的,很多公司都在为linux进行减肥并把抢占式的调度机制强行加入linux,从而可以使嵌入式linux可以用在嵌入式的环境,但WINCE有的缺点它也都有,同时还要更严重,所以也不是一个好的选择。在操作系统方面,其实像VXWORKS和NECLUES之类的可能是一个不错的选择,因为用户类多是工业方面的,对系统的可控制性比较强,如果是高要求的开发者还可以买源码,这样如果操作系统内有问题就可以自己调试,我们就发现NECLUES操作系统的8019驱动方面有问题,主要是实时高速通信会有堵塞的问题,后来发现这一部分代码是从linux的源码中拷过来的,所以linux也有类似的问题。

 

对于PC_base更要命的是低档X86的配套芯片都已停产,包括DRAM等,使大家想接着使用386、486、586都不可能了,(我一直很喜欢ICOP的M6117,可惜现在DRAM真是买不到新货,全吃库存了),除非使用旧芯片,当时我们花了三年多的时间试用过多种不同类型的中高档CPU想选一款理想的处理器而不可得,那个时侯民品方面的工程师都将目光转向ARM,因为大多数情况下在WINCE和linux上开发X86的软硬件比在ARM或者AVR处理器上开发类似的程序难度差别不大,而且ARM的成本比X86要低很多。我们试用了几种ARM后(当时AD公司的工业用ARM还没出来)感觉ARM用在工业上面不特理想,大把显示、音频、VGA、以太网MAC之类的功能都在工控常规平台内用不上,而且ARM的抗电磁兼容方面也是一个头痛的问题,对于一般要求的2000V快速脉冲还可以满足,但再向上走就很难做到。

 

在PC_base发展过程中大多数厂商都遇到了PC_base单体成本高、需要用户有较强的开发能力的问题,使PC_base的量很难做大,对公司的技术支持的能力和要求也很高。为此很多工控机的厂商都找到了像KW、infoteam、ISAGRAF、3S这样的软逻辑开发商,利用工控机或者PC104+IO板卡来组成一个控制平台,这种控制平台最大的优点在于可以支持现有PC的各种资源,使监、控可以做在一体,缺点主要是从小PLC来说,从本太高,从中大型PLC来说点数又太少,同时抗干扰和抗振动方面存在许多架构性问题。

 

4、PLC、DCS、PC的交叉点

在各种现有技术的发展过程中,因为IC技术、通信技术、软件技术的高速发展。PLC、DCS、IPC在近几年出现了相当多的交叉和重复,基本上变成了有一部分PLC看起来更像DCS,而一部分IPC改头换面之后其实与大多数的软PLC并无二样,也采用模块化结构,也使用IEC61131-3的五种语言,在使用上面比大多数的PLC更加容易更加偏软件。

这些年经常见到一些朋友问倒底DCS与PLC的区别是什么,IPC+软逻辑之后是不是PLC?

狗嘴象牙系列九:控制器三十年和未来十年控制器的发展方向

5、数控系统

数控系统的实现目前也有好几种方案:

方案一:通用PLC带数控功能

这对于需要逻辑控制又需要相对简单的位置控制的用户来说是一个很好的选择,无论是成本和开发都有很多优势,不过通用型的PLC大多没有联动和插补指令(部分产品有),并且不支持G代码,无法与CAD软件进行接口。


方案二:专用的数控系统

这种系统有很多使用PLC的平台加DSP加FPGA实现,高档的这种系统可以与CAD软件无缝联接,从CAD导出来的G代码在经过编缉或者不需要编缉下载到控制器内就可以做出各种对应的动作出来。该种系统对于多轴联动控制和插补G代码均有很强的支撑能力,同时一般带有显示,可以在运行时同步在显示屏上显示运动的轨迹。

 

方案三:IPC+数控板卡

这是国内数控厂商的主要形态,有灵活性高的优点,但很多系统不支持标准的G代码,而是要用户使用C、C++语言或者VC去编写对应的控制程序,由板卡厂商提供函数库。当然目前大多数情况下是由数控厂商代用户完成这一部分的编程。


这种开发方式的优点是显而易见的,厂商的开发成本低,灵活度高,但是需要厂商提供相当多的技术支持,如果客户数量大后很难有足够的支持能力,所以这类厂商大多都在开发通用的数控平台,并仍然使用IPC平台在上面开发通用型的数控系统。


6、楼控

楼宇控制可以说是一个很好玩的行业,价格奇高,但功能却不并复杂,所以现在有很多工程商在使用小点数的PLC组网代替DDC,但在易开发方面相对要差一些,主要是楼宇本身是高利润行业,大家对一个点近千元的价格并不感到无法承受,只有当楼市价格下降竞争大了才会有可能重视成本方面。

 

 

狗嘴象牙系列九:控制器三十年和未来十年控制器的发展方向

7、数采

数采行业因为受到了GPRS、GSM等业务的影响,正出现一次比较大的变革,特别是在远距离方面,传统的MODEM、RTU方式正受到很大的冲击,在我们经手的很多环境监控、管道监控、路灯节能、水文监控方面很少有客户能经受GPRS DTU的诱惑。DTU的基于网络和透明通信方式深受大家的喜爱,只是目前DTU的价格相对而言还是比较高,如果能掉到GSM MODEM的价格就比较合适了。