自动化是一个有核心技术的行业吗?大家能分出

2020-09-01 10:11

  这样的题目会很容易引发争议,因为牵扯到同业内的产品技术,此文纯属讨论,我也不是那么深入了解同业的产品技术为了避免被追溯法律责任,我决定一概赋予“正能量“。

  高端是一个很有意思的词人人都喜欢用,然而,自动化本身只是一个“应用型“行业,产品技术更多是”集成“-例如,芯片、传感器都是来自跨领域,那么在某种意义上,自动化是一个有核心技术的行业吗?大家能分出差异吗?大家在一个公开的市场采购元器件、使用Open的软件,那么自动化的高端用什么来体现的呢?

  自动化是一个应用行业,则客户的需求才是决定行业地位的真正力量,所有自认为是高端的产品、技术、公司都必须接受最严苛的产业应用挑战,在最严苛的客户也即产业里最的客户那里获得支持的才能说高端,任何号称的高端都是没有意义的。

  如果单纯的讲PLC的性能、功能进行列项比较,是无法反映高端PLC的全貌的,只能在局部看PLC,而必须结合产业需求、高端PLC厂商的产品设计架构与等来综合考量。

  PLC其实只是控制的一部分,核心在控制,图1就展示了控制的发展过程,当然,PLC已经延伸到带有总线、实时以太网、信息集成的各个阶段了、PLC与PC在融合。

  为了讨论方便,我们没必要讨论行业具体应用,否则问题变得复杂,且涉及了不同公司的商业机密客户资料。

  今天,PLC已经不应该去比较谁的CPU执行速度更快?比较谁的存储更大?谁能带的I/O点更多?能够用什么编程语言?PLC作为工业控制的核心产品,其已经产生了很多变化,这一切要归因于IT技术带来的。

  存储越来越便宜而且越来越大,使得你在PLC上可以存储大量的实时数据,而CPU则越来越快,以前那些解决不了的问题正在被轻松解决,而显示屏也越来越多样和丰富,硬件的需求越来越高速,但是,标准化和通用化是未来的趋势,因此,竞争已经不在硬件本身。性能决定一切的时代即将过去。

  功能时代已经到来,这就包括了运动控制、安全、液压,机器人、CNC、实时通信、FDT、无线以太网、GPRS等都在广泛的渗透到控制中,PLC要变得更加才能在未来的竞争中。

  PC技术的广泛应用使得控制器的能量无限扩大,而丰富的软件应用也让CPU必须更快,更强,IT技术提供了这一切,Intel架构的嵌入式CPU已经被广泛应用于工业控制,而PAC,PCC,PLC,PC,DCS,SCADA这些概念正在相互融合,并且逐渐的与GIS、SQL Server等专业技术相互接口融合,控制技术正在构成一个集成的整体,单个的PLC或者PC已经在整个控制应用的需求中变得扁平,界限也开始模糊,专用控制器,通用控制器的概念也开始模糊,世界正在融合。

  1.1 使得硬件更加通用化-随着IT技术的发展,CPU的处理能力、通信速度(以太网技术)、存储及扩展能力、软件功能块(OPC)、诊断与能力(基于IT技术的)能力和显示能力都得到了大幅度的提高,并且,IT技术的发展也导致了硬件成本的不断下降,并且,IT的竞争使得芯片更容易获取,而成本却更低。

  1.2 标准化与模块化设计-为了降低系统的生产与制造成本,PLC产品不断的模块化与标准化设计。

  因此,发展国产PLC产品要时刻关注IT技术对于自动化的发展的推动,关注IT技术如何被集成到自动化技术中。

  无论是PLC,PCC,PAC技术,其发展旨均是为了满足更为复杂的机器与生产现场的控制需求,分布式计算对于总线提出新的需求,生产集成对于软件SCADA和DCS的需求不断增加,PLC将在这里担负更多的功能。

  PLC最初的应用主要为了逻辑控制而开发,而随着IT技术、通信技术、传感器技术以及生产管理对于现场数据的需求,为了生产过程,分析工艺和质量的影响因素,对于现场数据的需求不断提高,对于和安全的需求也带来了安全技术的发展,这些影响了PLC对于控制的要求:

  2.1 复杂的算法设计:今天在机器控制领域已经有些类似于过程控制领域的PID调节、工艺算法设计(套色、张力、称重、牵伸、放卷、收卷)等需要PLC具有超强的算法设计和处理能力,例如:B&R的PCC就可以采用C,C++编程,这对于复杂算法设计更为容易,而Bachmann的PLC则可以基于C,C++,Java编程,SoftPLC的SoftPLC则也可以基于Java编程。

  2.2 运动控制:由于以前的机器上,运动控制执行件较少,通常都采用专用的运动控制器,而现在的运动控制应用更为广泛,在各个机械制造领域,以及造纸、啤酒生产线、烟草等领域都有更为广泛的应用,而这对于运动控制如电子齿轮、电子凸轮、定位控制有了更多的要求,如SIEMENS的T-CPU系列即可完成运动控制任务的处理,而B&R的PCC则可以直接通过总线控制伺服驱动器实现各种运动控制的算法。

  2.4 CNC与机器人:传统意义的机器人与CNC通常采用专用系统,因为这些系统需求是更为复杂的径规划与矩阵转换,这就使得PLC无法满足而采用了专用的系统,早在1997年,B&R在其PLC中可以集成CNC,并在2006年开始集成机器人库。

  3.1 软件的发展-由于硬件的通用化和标准化降低了系统的成本,而为了寻求差异化竞争力,高端PLC将注意力更多的集中到了软件功能与行业应用库的开发上,更为细分的市场使得应用的差异化成为了竞争的利器。

  1.1 总线连接减少了电缆的数量:通过总线连接的分布式I/O站,减少了为了连接到中央控制单元的接线 使得控制更为灵活:总线使得分布式控制得到了实现,对于分布式控制系统而言,总线是不可或缺的组成部分。

  1.3 使得机器设计更为灵活-在OEM机械制造中,总线使得机械的模块化设计成为可能,每个的机械单元带有本地的控制器,通过总线实现整个生产线的集成,而这些仅仅需要通信电缆的连接即可。

  传统的现场总线包括Profibus, CANopen, CC-link, FF ,HSE,DeviceNet, Modbus等,有多少个自动化厂商就有多少个总线,各种总线定义了不同的应用层协议和行规(Profile),这些总线之间不能互联,或者为了互联而需要增加额外的交换与网关设备。

  A.它速度更高-100Mbps的数据传输满足了视频数据、视觉识别、图像处理等工业数据传输的应用;

  C.它成本低-由于大量的标准应用,Ethernet的数据电缆价格、芯片价格都大幅度降低,使得它成为价格低廉的技术被广泛使用。

  目前,Ethernet技术已经在各个自动化厂商的产品包括PLC、HMI、传感器、安全系统、DCS中得到了广泛的应用,是发展最为迅速的技术。

  Ethernet技术的发展带来了如此多的好处,但是对于机器人、CNC、运动控制和Safety技术领域,Ethernet数据交换的不确定性是一个巨大的障碍,因此,各个公司又在以太网技术基础上开发了实时以太网,以满足对于实时性更为苛刻的需求,通常我们将数据刷新速度在uS级、同步精度在0.1uS的以太网称为实时以太网。

  A.Ethernet POWERLINK技术 这个是最早的实时以太网技术,早在2001年,始创公司B&R就开发了这一技术并投入使用,它采用轮询机制来进行数据交换的管理,由一个MN(主节点)调度时间片给每个CN(从节点),可以达到的刷新速度为100uS,其物理介质采用满足IEEE802.3规范的物理层,其应用层则采用CANopen的Profile,目前它是自动化业界唯一的开源技术Open Source Technology。支持该总线的包括ABB,Schneider和LENZE,Baldor以及一些运动控制系统厂商。

  B.SERCOSIII 在Rexroth公司1994年开发的SERCOS现场总线基础上发展起来的以太网技术,其同样轮询方式的管理机制,可以达到100Mbps的传输速度,uS级的刷新周期,目前包括Rockwell AB、Schneider一些自动化公司支持该总线。

  C.Profinet 由SIEMENS开发并投入使用的实时以太网技术,但是,其多个版本中目前ProfiNet和ProfiNet RT已经可以使用,而其基于ASIC技术的硬件实时的ProfiNet IRT尚未有完全推出,IRT可实现uS级的数据刷新,高时钟同步。

  D.EtherCAT 基于集束帧的方式传输的实时以太网,其主站是标准以太网,但是从站非标准以太网,采用ASIC实现,可实现100uS的数据刷新。

  是否具备完整的开发平台和库的调用,是其能否完成机器控制、工厂设备集成的关键,如果没有强大的开发平台,则无法完成复杂控制任务的软件系统构建。

  除了常用的梯形图、指令表、结构文本,一些PLC支持复杂的算法设计的高级语言,如B&R支持C,C++,C#的编程,Bachmann的PLC支持C++,Java,SoftPLC也支持Java编程,因为其本身有操作系统,可运行编译系统和Java虚拟主机。

  工具而非平台,这个概念正说明PLC正在变化,已经不能用工具来简单描述,因为,不仅仅是一个开发工具,它包含了越来越多的功能。

  与传统PLC不同的是,今天基于PC的控制、PAC、PCC已经由于其所运行的操作系统平台的不同而产生了能力的巨大差异,操作系统使得很多丰富的IT-Based软件可以运行其上,大大的丰富了PLC产品的软件运行和支持库的数量。

  为了实现针对Logic和Motion,Safety的编程统一,PLCopen标准化了一些程序接口,这些软件模块的调用可以实现一些简单的控制需求,但是,这远远不够,还需要能够自定义库的支持,例如针对不同行业的需求而产生的应用软件包-这些构成了其自身的核心竞争力。

  众多的欧美高端PLC厂商均推出Safety PLC,遵循IEC61508标准规范,由TUV和TUV南德意志认证并已经开始投入使用有以下一些典型的。

  2.1进入门槛:如果中国的自动化产品需要进入欧美市场,以及在一些对安全性有需求的核电、机器控制、石化领域应用的话,未来需要开发满足国际标准IEC61508,61511的安全标准产品。

  MATLAB/Simulink是广泛应用于科研领域的工程开发与仿真平台,通过基于建模的开发模式,可以降低整个系统研发的成本,尤其是在航空航天、高铁、汽车制造、建筑工程、电力等领域的系统仿真,可以大量节省项目的测试成本。

  2008年B&R与Rockwell AB即与Mathworks合作,通过开发数据接口,MATLAB/Simulink仿真后自动生成的C代码可以在这两家公司的CPU上直接运行,可以实现硬件再环测试(Hardware In the Loop),目前这一技术已经在风力发电行业得到了应用,B&R为风力发电开发的系统即采用MATLAB/Simulink仿真然后代码运行到CPU上,也包括防摇算法、机器人惯量前馈等应用。

  2010年 Mathworks又继续由此延伸开发了满足IEC61131-3的代码,包括ST的支持,SIEMENES开始对此的支持,这使得PLC可以直接获取这些代码并运行,这可以大大降低开发费用,另外,在风力发电领域的知名控制器厂商Bachmann、Phoenix、Beckhoff也能够与SIMULINK相结合,实现风电主控控制等。

  集成工程平台正在成为一种潮流,各个自动化厂商正在向着这个方向发展,这体现了几个方面的优势:

  代表的是整体方案提供能力-高端PLC产品的提供商能够完成系统的集成能力,例如:其有PLC技术、HMI技术、Motion技术、传感器技术、总线技术,这些系统的集成使得它能够牢牢的把握客户,从而获得高度的客户忠诚度。

  相应的,国产的自动化厂商现在还不能提供完整的平台,因为,PLC厂商往往没有运动控制,变频器的不作PLC,做伺服的不做变频器,也就是尚未形成一个能够提供真正整体解决方案的厂商。

  如果无法提供整体的硬件平台和软件开发的高度集成性,那么”TotalSolution”就成为空话,国产的自动化厂商要发展就得往集成方向去走,否则的话,如果只有PLC而没有其它配套的系统组件,则仍然无法巩固整个市场。

  大家都说未来是服务的竞争,而软件平台则是服务的利器,能够提供全产品生命周期PLC(ProductLife Cycle的服务能力,集成化的工程平台就是必须的,不仅包括编程,也包括仿真、测试、、诊断等功能。

  为了提高包装机械与机床等机器的控制系统一致性操作成立了OMAC组织,由End User里的代表厂商如波音飞机、P&G、SAB等组成了该国际组织,力图推广统一的机器操作与控制的标准,而众多的技术提供者也深入其中,成为未来技术标准的制定者。

  包括Rexroth,B&R,KEBA,SIEMENS等均支持该库以获得在该领域的应用支持。

  为了能够实现与上位SCADA以及管理层的ERP系统的连接,由Microsoft等与自动化厂商共同开发了针对不同的PLC连接的OPC Server来与管理系统的连接。

  自动化在各个应用领域与自身的标准方面,国际知名厂商都积极参与其中,并在标准上领先国内厂商,而且,这些标准正在被积极的执行。