China

欢迎访问施耐德电气网站

欢迎访问我们的网站。

您可以选择其他国家/地区以查看可用产品或转至我们的全球网站了解公司信息

选择其他国家或区域

  • 借助工业网络扩展可编程控制器(PLC)功能

Default Alternative Text

在制造业中员工从事脑力和体力劳动的时代一去不复返,而人机交互作用在工厂车间变得十分常见。最好的例子就是PLC,多年来它成为遍及自动化和制造业的主力。通过与每件设备(从传感器和机器保护装置到伺服控制器和先进的识别装置)相连接,PLC可确保各项操作顺利进行(见图1)。借助PLC提供的灵活性,制造商可同时管理多台机器——实现更高水平的集成和更高级的过程自动化机器,同时提高生产质量,优化运行成本。

图1: 通过与传感器、机器保护装置、伺服控制系统、先进的识别装置和仅用于启动器的’相连接,PLC可确保制造操作顺利进行。 图片来源: 图尔克

PLC的效益众所周知。它们在提高效率和为工业以太网提供幕后支持方面所做的贡献使加强控制成为可能。这些技术共同使人机通信实现了可盈利的无缝结合。工业以太网由各种协议组成,开发了确定性功能,以便为遗留的自动化系统提供具有成本效益的替代方案。

凭借先进的能力、高级的功能以及简单的安装,PLC成为现代制造业的基石。然而,为了有效地使用这些设备,用户必须了解网络所起的关键作用以及打造有效的解决方案时必须考虑的个性化需求。它们共同形成了能够从管理层面延伸到控制和车间层面的网络的统一基础设施,提供固有的扩展性以持续满足不断增长的工业需求。

PLC技术分解

从出现开始,PLC就成为了工业自动化的基石,往往充当人与机器之间的重要纽带。随着控制架构不断改变和网络技术持续进步,这些变化可支持利用已建立的便携式编程环境的集成人机界面(HMI)-PLC。作为通用控制器,PLC可被编程用以执行各种任务——从启停电机到数学计算操作。借助当今现代计算机的处理能力、数据存储和通信功能,PLC可提供智能、稳固的现场级应用控制(见图2)。PLC设计用于作为微型计算机,在各种严峻的环境下(如极端温度、电气噪声、振动和电击)提供可靠运行。

图2: 处理能力、数据存储和通信功能使现代PLC成为可提供智能、稳固的现场级应用控制的理想解决方案。 图片来源: 图尔克

PLC通过输入/输出(I/O)与其所控制的环境交互作用。PLC输入接收来自多种类型的传感器、开关和其他控制设备的信号。PLC基于这些输入信号对于为了利用其使事情在其环境中发生的能力所编写的程序的价值来制定决策。在历史上,PLC程序是以梯形逻辑创建的,梯形逻辑是一种十分类似于基于继电器的布线图的语言。但是,现代PLC编程不局限于梯形逻辑。这些决策的结果通过PLC输出被发送到执行设备。在很多情况下,输入向PLC提供反馈,以启用这些决策,而输出以能够改变过程或环境的形式提供这些决策的结果。

PLC的优势: 使用PLC可带来诸多性能优势,例如降低硬件需求、提高效率、减少浪费等等。现代PLC是高度定制的解决方案,可根据个性化控制应用而定制,同时占用更少的工厂车间空间(见图3)。

作为内置控制器,PLC可简化安装,因为其使用更少的机柜空间。此外,许多PLC的视觉显示器可加强机器/操作人员的交互作用,同时提高生产效率。例如,本地显示器与PLC上易于使用的界面相结合,能够为机器操作人员提供简单的指导以及数据输入方法,以支持报警监控和/或配方管理。

图3: 降低硬件需求、提高效率、减少浪费是使用PLC可带来的诸多优势中的几点。 图片来源: 图尔克
PLC易于维护和排除故障,所以减少了维修工作,仅需更换模块化插件。发生故障的可能性降低,修复这些错误所需的时间也缩短,因此无需重新给面板及设备布线。现在,通过重新输入逻辑可改正错误。此外,每个重要组件中都整合了故障检测电路和诊断指示器,能够判断组件是否正常运行。借助编程工具可查看任何可编程控制器,以了解输入或输出处于开启还是关闭状态。

借助网络扩展PLC功能

尽管PLC打开了车间级可视化通信的大门,但是是其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帮助制造商提高了可见性及控制水平。

为了满足工业自动化不断增长的运行需求,网络持续扩展,在以前不可能实现的领域提供监测和控制功能。如今,设备网络使用现场总线到以太网的集成来开发企业级控制网络。将网络功能与PLC相融合,使用户能够卸载主处理器的任务,在现场实现分布式控制,把控制层面的设备放置于更接近操作的位置。此外,通过结合控制与分布式I/O,制造商可依靠精简数据采集、通信及工厂级连接来降低总运营成本。

联网: 为了让PLC成为网络工具,用户必须拥有可容纳实时工业以太网的必要带宽。因为连接和通信需求正在扩大,所以PLC必须提高对多种网络技术的支持。虽然没有适用于所有先进的I/O解决方案的标准工业网络,但PLC能够通过适应多种协议根据需求把企业层面与工厂连接起来。由于网络协议会增加功能,所以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持续运行的重要组成部分。可靠的网络至关重要。因此,维护网络可用性尤为关键。这要求系统支持必要带宽和高速数据传输,以符合应用规格,同时一旦发生连接故障,则在维护运行和快速恢复期间支持数据保护。

除了速度和可用性之外,冗余对于实现连续的性能与可靠性也十分重要。系统意外宕机时间延长会成为工厂生产力的潜在威胁。但是,冗余技术不仅提供毫秒级网络恢复能力,而且还能大幅降低部署成本。

分布式控制: 使用分布式控制允许部分自动化系统被分散于系统各处。这意味着部分系统由靠近直接控制区域的独立控制器控制,从而允许有多种不同的外形因素满足多种多样的应用需求。此外,通过适当地在应用中散布I/O数据(无论在机柜内还是机器上),制造商能够通过减少必要组件的数量来缩小自动化和控制组件的占地面积。

分布式控制使用户能够采用灵活的模块化设计,确定了必要时将添加的确切的I/O扩展数量,可提供固有的扩展性用于快速完成具有成本效益的更新,以适应未来扩展。分布式智能可减少PLC上的任何额外负载,并通过实现扩展同时使用相同的PLC控制自动化应用来允许系统适应未来的功能需求。这意味着用户能够通过扩大尺寸和功能来充实系统,且仍在PLC系统上保持标准化。

在卸载过程中,从主处理器(PLC或者PC控制)到位于机器上或机柜内的分布式I/O的一些控制功能有助于减少网络通信量。之所以会发生这种情况,是因为通过分布式I/O,主处理器无需发出远程I/O请求来监控输入状态或者启动输出。带有控制/可编程功能的分布式I/O系统能够处理特定任务,把通信移交给监管人员或者把状态数据移交给主处理器。

通过实现远程I/O配置,制造商仅需几个I/O点就能够实现高水平连接,即使在广泛的区域也是如此,因此可为不同的工业和应用提供具有成本效益的控制解决方案。对于必须进行广泛监测和控制的大型设施,在每个站点安装一台控制器是不切实际或没有成本效益的。这将需要冗长乏味、成本高昂的安装过程,该过程要求每个I/O点与长距离敷设的电缆实现硬接线。例如,远程I/O系统可用于采集来自远程工厂或设施站点的数据。周期时间、数量、持续时间或事件等信息可被发送回PLC,用于生成维护和管理报告。此外,硬接线会增加出错的可能性,例如误接线,这将需要过长的停机时间来纠正错误。

先进的I/O功能: 网络技术的扩展超出了标准的数字输入,数字输出、模拟输入和模拟输出功能。例如,先进的I/O可包含无线射频识别(RFID)技术、用于运动和串行输入的服务集标识符(SSID)、数据记录、条码以及2D矩阵识别系统。更加智能、先进的I/O将生成更多数据,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地控制制造过程,因此不仅需要离散I/O。PLC配置有先进的I/O,例如模拟信号处理、温度和RFID——所有这些会占用相当多的带宽。

例如,PROFINET使用三种不同的通信信道与PLC和其他设备交换数据。标准TCP/IP信道用于参数设置、配置及非周期的读/写操作。实时(RT)信道用于传输标准的周期数据和报警。实时通信绕过标准TCP/IP接口,加快与PLC进行数据交换。第三条信道,即等时同步实时信道,是用于伺服控制应用的高速信道。

在现场结合网络与PLC

远程I/O: 石油天然气行业面对着危险的工作环境,依赖于准确性与可靠性。对于不仅需要可靠的性能,而且必须适应不断变化的要求及日益增长的需求的应用而言,传统的控制解决方案并不理想,而需要可实现拆卸和运输的模块化解决方案。使用创新的连接解决方案,允许在不牺牲性能或不受环境要素影响的前提下实现远距离通信对于石油天然气行业是十分必要的。这些需求需要各种控制设备(如PLC和网络协议)的可靠结合。

这些工厂面临的挑战是克服设施的广泛设计,要求网络在容纳大量信号的同时缩小布线占地面积,并维持备用空间的容量。使用配备危险区域快速断开布线系统的分布式I/O系统为复杂的问题提供了具有成本效益的解决方案。该易于配置的系统可为处理应用带来远程I/O功能。单一的以太网电缆能够处理高通信量,从工厂不同的远程站点向PLC回传多达150个信号。

使用高级的连接器系统终止现场的过程仪表能够整合接线盒中的信号,有助于提高效率。并且,通过使用双绞屏蔽电缆把信号从接线盒传输到PLC柜,再使用单一的双绞线电缆将接线盒连接到仪表,便不再需要分别将电缆往回连接到PLC。而以前的使用的8根电线可合并为1根电缆。由于家用电缆插座的尺寸小,因此所有信号最后终止于此的PLC柜的尺寸也相应地缩小。这产生了更多成本节约。

此外,为了满足石油天然气市场及其危险站点的个性化需求,这些设备必须得到正确安装。可使用包括获得Division 2/Zone 2认证的以太网协议,整合了温度、4-20 mA和离散信号并以高速将信号发送至PLC的可选方案。

增强自动化: 煤炭生产厂拥有遍布整个设施的广泛的运输系统,将煤炭从仓库运输到磨煤机。该运输系统必须始终可靠地运行,以提升工厂生产连续性。因此,自动化是显而易见的选择,但这需要在工厂各处安装无数传感器和执行器,且它们必须得到管理与维护。

图4: 在这个煤炭加工厂示例中,每条传送带均自带包含连接器、电机电路开关和分布式I/O的控制柜。 模块化I/O站将所有模拟和数字信号传输到更高
为了满足这些特定要求,使用现代化现场总线系统在PLC和传感器/执行器之间传输信号能够提供必要的自动化、控制及耐久性水平。使用合适的现场总线系统,即以模块化设计为特色并提供稳固保护的系统,不仅将提供所有设备之间的抗干扰通信,还将提供高程度的数据完整性、振动防护功能以及广泛的诊断功能。

思考这样一个示例:某煤厂包含两个运输站,两台磨煤机和一个将煤尘吹入窑炉的煤仓。在这些运输站中,煤炭通过多条传送带运输,因此保持产品经过各个步骤的详细记录至关重要。每条传送带均自带包含连接器、电机电路开关和分布式I/O的控制柜(见图4)。模块化I/O站通过DeviceNet等网络协议将所有模拟和数字信号传输到反映运输系统状态(包括送料速率、偏移量、膨胀、破裂或料位数据等参数)的更高级别的PLC当中。评估所获得的数据之后,PLC将工厂状态提交到管理信息系统中。所有这些控制可以仅借助两个现场总线网络来实现。

因为使用提供防错生产的可靠、高效、灵活的现场总线技术,制造商可确信煤炭的连续运输。使用IP67等级的现场总线系统,该解决方案不仅能够满足煤炭生产行业的严苛要求,实现简单维护和快速诊断,而且安装工作轻松无误,布线成本低——最终确保工厂即使在恶劣环境下也保持高效、安全的运营。

结论

制造环境各不相同。然而,制造商受到共同目标的驱使,即生产高品质产品,同时最大化效率、生产力及盈利能力。控制设备(如PLC和先进的企业网络)的集成为实现这些目标提供了前瞻性战略。

如今的网络技术提供快速、安全、可靠的工厂级数据传输。PLC加强了诊断和通信功能,提供可带来显著效益的易于维护的智能系统。如今,制造商可提高准确性,加快生产速度,最大程度减少错误,同时实现材料和人工成本节约。

Randy Durick在图尔克工作了11年,担任网络和接口部总监一职;Chris Vitale是网络部高级产品经理,在图尔克工作了13年;Matt Boudjouk在图尔克工作了5年,担任网络和接口部产品经理一职

本文选自《面向控制工程工厂工程的应用自动化》副刊。

CTLx_LOGO_Color_ID

基于ContentStream®