【知識】長文！工控機與PLC比較
一、概述
在工業自動化領域，PLC和工控機是人們不得不提的兩類控制設備，它們是大多數自動化系統的基礎設備。PLC和工控機的最新技術發展是工程師對設備應用性能要求的完美體現：控制器的硬件標準化，以及用戶的各種控制要求通過軟件來進行改變。
PLC就是一種利用計算機原理為順序控制專門設計的、通用的、使用方便的裝置。它采用了專用設計的硬件，而使用性能都是通過控制程序來確定的。
工控機則是利用了個人計算機的PCI總線和PC/104總線、采用功能板卡擴展控制I/O點來實現計算機控制的一種方便的控制設備。它具有工業現場應用特性，同時又極大地利用了PC機的軟件環境，用戶可以方便地選擇各制造商提供的產品。
PLC和工控機目前的技術發展水平已大大超過其出現時技術水平，并各自定位在不同的層面。PLC適合低成本自動化項目和作為大型DCS系統的I/O站，工控機在中規模小范圍自動化工程中有很好的性能價格比，當然這種定位也不是絕對的。據預測，2000年我國工業自動化的市場規模達170億至207億人民幣，其中工控機占40億左右、PLC占30億左右，再加上DCS系統、FCS系統和NCC系統（占60億）中使用的PLC和工控機，可以看出其在工業自動化領域中舉足輕重的作用。這兩類控制設備在各領域的自動化中扮演了不可缺少的角色。圖1給出了某自來水廠工業控制系統的典型結構圖，其中采用了PLC作為I/O控制站、工控機作為監控機。
圖1 工業控制系統的典型結構圖
目前，PLC的主流廠商有A-B、Siemens和Modicon等。工控機的主流廠商有上海康泰克、北京康拓和研華、艾訊等。
PLC和工控機在其技術發展的歷程中，為了適合工業現場應用的需要和用戶二次開發的需要，都積極地發展高可靠性、網絡化和高性能的用戶開發軟件方面的技術性能。以下將重點介紹PLC和工控機在硬件、軟件和網絡方面技術應用現狀和發展趨勢。
二、PLC和工控機的硬件技術現狀和發展
PLC和工控機的最終用戶為冶金、采礦、水泥、石油、化工、電力、機械制造、汽車、裝卸、造紙、紡織、環保等行業，其主要的用途為：
1、順序控制
順序控制是應用最廣泛的領域，它包括單機控制、多機群控制、自動生產線控制，如注塑機、印刷機械、訂書機械、切紙機械、組合機床、磨床、裝配機械、包裝生產、電鍍流水線和電梯控制等。
2、運動控制
應用在電力拖動系統或伺服電機的單軸或多軸位置控制。
3、過程控制
采用模擬量模塊能控制物理參數，例如溫度、壓力、速度和流量等，并提供PID等閉環控制的功能。
4、數據處理
可以支持數控機床的控制和管理、多軸控制等。
由于自動化系統的要求日益提高，傳統的提供I/O點服務的PLC和工控機已經無法滿足復雜的工藝要求。因此，PLC和工控機在硬件系統上有了根本的變化。
PLC系統在模塊上的技術發展有：
1、處理器模塊
配備大容量內存，為滿足實時控制的要求而優化設計，除了一般的I/O掃描和控制、遠程數據交換外，支持大型的集成控制、通訊、并行運算、處理器獨立后臺程序和處理器輸入中斷等功能。如A-B公司的ControlLogix處理器模塊在它的內核中設計有通信功能，借助于它的無源數據總線，系統的瓶頸得以消除。這種靈活的結構允許多個處理器、網絡以及I/O在一個機架中搭配使用而沒有限制。
2、信息協處理器模塊
讀取主處理器的數據表和狀態文件，或通過高級語言程序將數據寫入主處理器，程序可以在實時多任務環境下以及獨立于PLC處理器的方法，單獨在協處理器中運行。
3、高級語言協處理器
通過C和Basic的接口來進行復雜的計算和算法實現。
4、網絡適配模塊
在現場總線與處理器之間提供通訊接口，以便PLC處理器和I/O模塊進行遠程的數據交換。
5、具有特殊功能的I/O模塊
如A-B公司在其產品中提供了智能變送器模塊、溫度控制模塊、稱重模塊、開環速度控制模塊、塑料制造模塊、力矩控制模塊、絕對編碼模塊、可組態流量計模塊、電流同步模塊等。這些模塊的設計考慮了特殊行業的需要，使得復雜的控制功能以模塊化的方式得以解決，提高了可靠性和專業水平。
同樣，工控機也從I/O板卡的基礎上飛速向前發展，大規模集成電路和計算機本身的革命性發展給工控機提供了舞臺。工控機系列產品除了全系列的I/O板卡外，還發展了一體化工作站、帶電子盤的工控機、遠程RTU、適用于儀表行業的微型工控機、適用于視頻和多媒體行業的工控機、適用于通訊行業的帶監控液晶屏的工控機、與PLC合一的特殊工控機以及防爆型工控機。
工業現場的應用環境要求PLC和工控機具有很高的可靠性，而可靠性是靠電磁兼容特性（EMC）和容錯技術來保證的。PLC和工控機要經過嚴格的電磁兼容檢測，如輻射敏感度檢測、諧波/電壓波動/電壓驟降檢測、靜電/快速脈沖/雷擊檢測、電磁干擾檢測等。EMC保證了設備在本質上的抗干擾特性。但是，要保證控制設備不出故障是不可能的。因此，采用容錯設計的系統對要求不能停機、不能失控的高可靠系統是十分重要的。目前重要的容錯設計技術有Watchdog和雙機熱備（包括主機、模塊和通訊介質的熱備）。熱備系統的工作對用戶來說是透明的：即當故障發生時，所有對故障點的切除和數據的備份都是在最短的控制周期內自動完成的。此項技術的完成包括了設備硬件和軟件二個方面。圖2給出了PLC雙機冗余系統的結構。
圖2 PLC雙機冗余系統結構
三、PLC和工控機的軟件特性
PLC、工控機和現場總線為工業自動化提供了很好的底層控制硬件基礎。隨著軟件技術的迅猛發展，控制軟件不再是單調的數字和菜單操作界面，而是圖形化的人機交互工具。好的工控軟件包括了從底層的數據采集、數據庫、控制邏輯運算到高層的人機圖形界面(MMI)。這里，我們從工控軟件體系結構而不是個別軟件功能的角度介紹PLC和工控機的應用軟件應該具備的特性。
微軟為制造業的分布式網絡結構提出了一個功能強大的概念，它包括了企業資源規劃（ERP）和制造資源規劃（MRP）的主要功能、控制、人機界面與數據采集和監控（SCADA）、制造執行系統（MES）、批量控制與設備界面等，但它們同時增加了用戶成本以及共享數據的難度。
因此，在1998年，微軟公司引入了Windows分布式互連網絡應用的概念，簡稱Windows DNA。它是在企業內將各種商業應用軟件進行無縫連接的一種結構。這種結構可以使制造業的軟件開發商開發出強壯的、具有多種特性的產品，并使最終用戶將其各自獨立的制造和商業軟件應用集成到一個數字神經系統中去。
各個控制設備生產廠家如羅克韋爾自動化公司，通過其產品和與微軟的合作，正在將Windows DNA結構引入制造業。這些公司在制造業軟件開發過程中具有自己的策略框架，如羅克韋爾互聯網應用結構，或稱RNA，就是與微軟提出的為企業定義的DNA結構緊密平行的一種。
建立在微軟的Windows NT和Windows 9X操作系統和用戶接受的微軟Office套件、微軟BackOffice工具的基礎上，微軟公司于1998年引入了DNA結構。Windows DNA立刻被采納為連接在一個單獨的企業分布式大系統中多種產品的策略結構。
DNA包含了傳統的計算機系統并允許組成可變結構的Client/Sever系統，該系統可以提高技術等級以及進行應用革新。Windows DNA的關鍵元素包括工具、集成存儲、商務過程、用戶界面和導航。更詳細地說，DNA具有如下特征：
公共的操作系統和網絡；
公共數據訪問；
BackOffice工具和服務；
公共的應用底層結構；
與微軟的Office應用集成；
強有力的開發工具；
可遺傳的系統集成工具；
正如微軟定義的那樣，制造業的Windows DNA包含了企業資源規劃/制造資源規劃，控制(不論其為分布式、基于PC的或PLC)、人機接口和SCADA，制造執行系統、批處理和設備接口。沒有制造業的DNA，那么在這些應用功能之間的鴻溝只能由用戶界面和驅動設備來填補。這將會使業主系統的成本增加，并且由于數據格式問題而很難共享數據。
早在80年代中期，羅克韋爾自動化在其CIM版本中首先確定了將工廠底層與上位計算機系統連接的需求。但是，直到現在實現以上概念的軟件和硬件的核心技術才成熟，它們包括商業方面的應用如數據采集和監控、人機界面（HMI）、批量控制（Batch）、MES、ERP接口、基于PC總線的控制和通訊。
以RNA結構為例，它包括了：
1、操作系統平臺
包括了從最早的Win3.1環境的人機界面和編程軟件到Windows NT開發全功能人機界面。隨著Windows CE的到來，一些公司正計劃提供基于CE的全套的PLC編程、人機界面和控制軟件。
2、COM和DCOM
建立COM（組件對象模型）和DCOM（分布式組件對象模型）使得產品具有互操作性、擴展性和靈活性。COM與其它工控軟件產品的結合增加了提供集成套裝軟件（ProcessPak和ControlPak）的能力，還增加了各獨立軟件的模塊化程度和促進某公司產品與其它廠家產品的集成能力。例如，羅克韋爾軟件RS SQL是一個數據登入和傳送處理的系統，采用COM技術提供連接控制系統和企業數據庫系統的雙向聯系，是支持制造業DNA數據庫環境的版本。
3、Visual Basic的應用
微軟認為VB是在DNA框架內實現內部集成的關鍵技術。VBA為DNA結構提供了三大益處，首先，它為最終用戶提供不需要學習特定語言而能編制自己的實際應用程序的標準方法；其次，VBA提供了多個應用間共享數據或集成功能的方法，例如，它允許人機界面軟件可以利用微軟的Excel表格的功能，這是一個系統模型公司的產品，具有計算功能和生產計劃功能；最后，最終用戶如將內嵌VBA產品集成到基于DNA的制造信息系統，它能夠使目前工業界眾多使用VB作為系統快速開發工具的工程師們提升其軟件產品。
4、ActiveX
ActiveX技術的應用日益廣泛，許多廠商推出的產品都支持ActiveX。羅克韋爾軟件公司首先為制造工業的應用軟件引入了ActiveX技術，并且是第一個授權的軟件開發商，同時能將VBA嵌入到核心產品中去。
5、OPC－過程控制OLE
DDE是微軟為front-office應用開發的共享小量相對不變的數據的技術。與DDE不同，過程控制OLE技術面向制造環境的控制性能、結構和可靠性而設計。微軟的制造業DNA確定了設備、控制應用和商業應用間應該具有開放性和互操作性接口特征（OPC）。羅克韋爾是OPC組織制定者和主要開發者。OPC負責建立基于COM技術的應用規范，它允許所有的應用程序采用同樣的基于COM技術的接口去訪問數據，簡化了數據的采集和共享方法。
根據以上要求采用了制造業DNA的許多技術后，羅克韋爾還提供面向企業和工業的集成軟件包，如用于批量控制的RSBatch、RSView32、RSLogix等可用于對功能框圖進行編程。它們也利用COM集成、VBA和OPC為應用間提供互操作性和與企業的其它層連接。控制軟件包還為連接I/O、PC總線的控制、編程、VBA和COM對象提供相同的互操作性。
制造業信息技術的最高境界是采用無縫連接、投資有效、規模靈活和兼顧未來的發展的思想并在企業內共享從工廠底層采集的數據。RNA的技術保證了其用戶用他們的現有軟件去實現基于DNA的環境。只有當企業能夠得到足夠的信息以制定更好的決策、將其供應渠道和運作結合起來，才能使其整個系統更接近用戶。雖然計算機硬件和網絡技術已有很大發展，在軟件領域仍還有很多的工作要做。
四、PLC和工控機的網絡特性
現場總線技術是工業自動化最深刻變革之一。PLC和工控機采用現場總線后可方便地作為I/O站和監控站連接在DCS系統中。現場總線是一種取代4～20mA標準，用于連接智能現場設備和控制設備的雙向數字通訊技術，現場總線具有開放性和互操作性，它使得一些控制功能下移到現場設備中。
現場總線還可以處理復雜的事情：本質安全、危險場合、多變量的過程以及法規要求嚴格的環境。PLC和工控機采用現場總線有以下益處：
1、互操作性
互操作性定義為在沒有任何功能損失的條件下，不同廠家的多個設備可以工作在一個系統中，互操作性允許工廠工程師可在相同的現場總線中集成不同廠家的設備，也允許工程師用別的廠家的設備來替換一臺現場總線設備。
2、更低的安裝費用
現場總線將極大地降低工廠最初的費用，包括簡化接線、更少的接線端子排和簡化了的儀表選型。此外，減少的費用還有：簡化了圖紙、簡化了控制系統的工程實施、減少了用于連線、接線柜和接線盒的費用。通過把控制功能轉移到現場，控制系統的費用也降低了：減少了DCS所需的空間，減少了控制系統的I/O點數，減少了機柜的空間和I/O接線端子排。現場總線將能提供在線的遠方數字通訊，可用來實現更快的調試、更快的診斷，降低安裝和調試設備的人工費用。
3、更低的維護費用
現場總線將擴大操作人員觀察整個過程的視角，這樣，可以方便和有效地進行維護和過程管理，加快查找和消除故障的速度。現場總線可以實現在線診斷，更方便的標定和預測維護性。
4、改進性能
隨著控制功能從DCS轉移到單獨的控制回路，由于就地控制更快，更準確，系統的集成度和可靠性也增加了。現場總線還能充分利用具有多傳感器設備的優點，因為在一對導線上允許多個信息流動。
由于現場總線使得更容易從現場獲取設備信息，工廠操作員和管理人員能夠對其過程進行更嚴格的控制，從而改進性能、增加過程的可用性和一致性。
現場總線不僅是一種信號通訊協議，還是一種全新的控制過程的方法。目前，在PLC和工控中使用的主流現場總線協議有西門子的ProfiBus，羅克韋爾自動化的ControlNet和DeviceNet以及基金會現場總線FF等。以下以ControlNet和DeviceNet為例介紹工業自動化中的網絡體系結構和通訊技術。
控制網（ControlNet）是近年來推出的一種新的面向控制層的實時性現場總線網絡，在同一物理介質鏈路上提供時間關鍵性I/O數據和報文數據，包括程序的上載/下載，組態數據和點對點的報文傳遞等通訊支持，是具有高度確定性、可重復的高速控制和數據采集的網絡，I/O性能和端到端通訊性能都較傳統網絡有較大提高。
ControlNet是基于生產者/消費者（Producer/ Consumer）模式的網絡，允許在同一鏈路上有多個主控制器共存，支持輸入數據或點對點信息的多路發送，大大減少了網絡上的交通量，提高了網絡效率和網絡性能。
ControlNet 是高度確定性、可重復的網絡。所謂確定性就是預見數據何時能夠可靠傳輸到目標的能力，而可重復性則是指數據的傳輸時間不受網絡節點添加/刪除情況或網絡繁忙狀況影響而保持恒定的能力。在實際應用中，通過網絡組態時選擇性設定有計劃I/O分組或互鎖時間，這些要求能得到更進一步的保證。因此，ControlNet非常適用于一些控制關系有復雜關聯，要求控制信息同步、協調實時控制、數據傳輸速度要求較高的應用場合。如協同工作的驅動系統，焊接控制，運動控制，視覺系統，復雜的批次控制，有大量數據傳送要求的過程控制系統，有多個控制器和人機界面共存的系統等。對于有多個基于PC的控制器之間，不同PLC之間或PLC和DCS之間存在通訊要求的場合， ControlNet非常適用。ControlNet允許多個各自擁有自己獨立或共享的I/O的控制器之間相互通訊或以靈活的互鎖方式組織。由于其突出的實時性、確定性、可選的本征安全等特性，越來越多地應用于過程控制等要求較高的應用場合。
ControlNet是開放的現場總線，截止1999年底在全世界范圍內已經擁有包括Rockwell Autom-ation、ABB、Honeywell等近70家著名廠商組成的成員單位，由獨立國際組織——控制網國際（ControlNet International）負責管理，該組織旨在維護和發行ControlNet技術規范，管理成員單位的共同的市場推廣工作。同時提供各個廠商產品之間的一致性和互操作性測試服務，保證 ControlNet的開放性。
控制網的通訊是基于一種全新的通訊模式：生產者/消費者通訊模式。工業控制要求控制網絡提供越來越高的生產率、更高的系統性能，同時又提供確定性的、可重復的、可估計的設備間通訊。單純提高波特率或單純提高協議效率，都不能從根本上解決問題。傳統的網絡通訊模型是源/目的型或者稱點到點的通訊方式，這種方式的優點是通訊的內容和形式都十分明確，在傳送的報文中都包含了明確的源和地址信息，但是在源/目的網絡模式下，當同一數據源上的數據向網絡上其它多個節點發送數據時，必須經過多次才能實現，這就大大增加了網絡的負擔，降低了通訊的效率。另外，由于數據到達不同網絡節點的時間可能因網絡上節點數目的不同而變化，不同節點之間的同步就變得困難，通訊的實時性不能得到保障。
不同于以往的通訊模式，生產者/消費者模式允許網絡上的不同節點同時存取同一個源的數據。在生產者/消費者模式下，數據被分配一個唯一的標識，根據具體的標識，網絡上多個不同的節點可以接收到來自同一發送者的數據，其結果是，數據的傳輸更為經濟，每個數據源一次性把數據發送到網絡，其它節點選擇性的收取這些數據，不浪費帶寬，提高了系統生產率，通訊效率提高，數據只須產生一次，不管有多少個節點需要接收這個數據。數據經過同樣的時間傳送到不同的節點，可以實現通訊的精確同步。
DeviceNet是一種用于連接工業設備(如限位開關、光電傳感器、閥門、電動機啟動器、過程傳感器、條型碼讀入器、變頻器、屏幕顯示和操作界面等)與網絡的現場總線，其特點是成本低、開發容易、支持的廠家多并且不需要昂貴的連接線路。
DeviceNet是一個開放式的協議，它最初是由美國羅克韋爾自動化公司開發應用。目前，DeviceNet技術屬“開放DeviceNet廠商協會”歸ODVA組織(Open DeviceNet Vendor Associaiton)所有和推廣。ODVA在世界范圍擁有300多家著名自動化設備廠商的會員（如羅克韋爾自動化、ABB、歐姆龍）。中國的ODVA組織由上海電器科學研究所牽頭成立，目前正積極推廣該技術。設備廠商只要參加ODVA組織，就可以得到有關DeviceNet協議標準，還可以加入產品討論組來得到產品開發的幫助。DeviceNet產品的開發并不復雜。設備DeviceNet是基于CAN的技術。作為一種串行通訊技術，CAN是80年代中后期適應汽車控制網絡化要求而產生并迅速發展起來的，并已成為開放的國際標準通訊協議（ISO 11898），在包括工業自動化在內的眾多領域得到了廣泛的應用。
DeviceNet在1994年問世，1995年成為開放協議，并由ODVA負責推廣，在北美及亞太地區都有日益廣泛的應用。DeviceNet網絡介質可采用五線制電纜，它包括了二條信號線，二條24V電源線和一條屏蔽線。DeviceNet設備可以從網絡上直接獲得電源，并能在線地從網絡上連接和切下設備。
DeviceNet的應用優點有：
它是一種支持多方廠家產品互操作的開放式通訊標準；
能快速方便地安裝；
是一種考慮未來的設計，能根據擴展和變化需要來方便地增加功能；
由設備內部的智能機制提高運行效率；
通過數據生成源/消費源通訊結構提供高效的帶寬；
可不斷電地在線對設備組態和增加設備。
現場總線網、智能化設備儀表的發展，不可避免地影響著DCS的體系結構，現在可以看到的一個明顯的趨勢是DCS的進一步分散化。傳統的DCS，在I/O控制站這一層仍然是一個集中式的結構，有些系統出于成本或其它方面的考慮，將I/O控制站的規模做得很大。這種考慮包括：高性能CPU的價格己降得很低，為了充分發揮CPU的能力，可以將一個I/O控制站的點數、回路數擴充，以降低成本。但是這種設計提高了危險性的集中度，如果為了提高可靠性增加冗余措施，系統成本仍然會上升，因此并不是一個理想的解決方案。從當前的發展趨勢看，利用現場總線網和智能化設備、智能化儀表，加上通用的工控機完全可以組成一個小型的DCS，這就對傳統的DCS提出了挑戰，因為基于現場總線網的DCS具有很多優越性，無論從系統的成本上、可靠性上，安裝使用、維護的方便性及可擴充性上都有很大的優勢。那么，傳統的DCS將如何發展才能接受這個挑戰呢？
答案是明確的，只有在I/O控制站這一層進一步分散化，采用現場總線網技術，形成以現場總線網基礎的、以智能I/O模塊構成的分布式控制站。也就是說，將過去DCS中集中式的I/O控制站變成分布式的控制站，在傳統DCS網絡的下一層再引入一層現場網絡，形成設備級網絡、控制級網絡和管理級網絡這樣三層網絡結構，以此來滿足不斷提高的應用需求。
DCS在形成了三層網絡結構以后，基本控制單元深入到了設備控制這一級，向上，DCS的功能延伸到管理控制級，逐步形成了一個較完整的控制、管理一體化的體系結構。
圖3給出了一個典型的工業自動化系統的三層網絡結構，其低層是以DeviceNet現場總線將設備、PLC的遠程I/O點連接在一起的設備層、中間是以ControlNet（或DH+、DH485等）將PLC、工控機以及操作員界面連接在一起的控制層網絡，而上層的Ethernet以PC或工作站為主完成管理和信息服務任務。三層網絡各司其職，代表了工業控制的典型結構。
圖3 典型工業自動化系統的網絡結構
五、結論
隨者微機的軟硬件技術和網絡通訊技術的飛速發展，工業自動化領域發生了革命性的技術進步。而PLC及工控機作為工業控制的設備基礎，通過技術的不斷革新，在工業控制中的地位日益加強，并且成為實現工業控制技術進步的主要工具。
