基于PC的控制技术产生
随着计算机的产生和发展,将计算机用于工业过程的测控也越来越多。计算机上有丰富的软、硬件资源,具有数学运算能力强大、运算速度快、网络通信实时性好、开放性好等特点,因而出现了大量基于计算机的测控系统,特别是许多中、小型测控/监控系统。这类系统的典型结构就是在计算机主板的插槽上安装各种不同类型的I/O卡件,这些卡件用电缆与端子板或信号调理卡连接,现场的测控设备通过硬接线与端子板或调理卡连接。在安全性要求高的场合,还需要各种信号隔离设备。测控软件可以采用通用软件(如Visual C++,Visual Basic,Visual Studio.net等)结合各种工控控件开发,也可以利用各种组态软件或专业测控软件(LabView, LabWindows CVI等)开发。
由于普通商用计算机并不适用于工业现场环境,其系统结构和性能与工业要求有一定的差距,因而许多厂家在商用的个人计算机基础上进行适应工业现场应用的改造和加固,从而产生了工业计算机(Industrial Personal Computer,IPC),简称工控机。而且随着不同的工业应用需要,也产生了各种结构形式的工控机产品,IPC及基于IPC的应用技术得到了突飞猛进的发展。IPC一方面越来越多地承担着SCADA系统的人机交互和控制任务,另一方面,各种基于嵌入式计算机的应用也大量出现,这些嵌入式应用在许多设备的自动控制中广泛应用。
虽然PLC作为传统主流控制器,具有抗恶劣环境、稳定性好、可靠性高、逻辑顺序控制能力强等优点,在自动化控制领域具有不可替代的优势,但PLC也有明显的不足:封闭式架构、封闭式软、硬件系统、较差的开放性、不同产品不兼容、编程语言不统一。这些都造成了PLC的应用壁垒,也增加了用户维修的难度和集成成本。而脱胎于PC的IPC,具有价格相对低廉、结构简单、开放性好、可靠性高、环境适应能力强等特点。因此,IPC除了可以用于监控系统的人机界面主机外,也可以作为一些小的监控系统的控制主机和人机界面。此外,由于IPC的功能越来越强大,软件资源极其丰富。因此,首先产生了软PLC(Soft PLC,也称为软逻辑SoftLogic)的概念,其基本思想如图所示,
即利用PC的部分资源来模拟PLC的CPU的功能,在PC上运行PLC的程序。软PLC综合了计算机和PLC的开关量控制、模拟量控制、数学运算、数值处理、网络通信、PID调节等功能,通过一个多任务控制内核,提供强大的指令集,快速而准确地执行控制任务。随着对软PLC认识的深入及控制技术的发展,进一步产生了基于PC(PC-Based)的控制概念。目前,有两种基于PC的控制解决方案,它们分别是软PLC解决方案和基于PLC技术的解决方案。这两种类型的基于PC的控制方法及相关的产品具有各自的特点和应用领域,随着这些技术与产品的不断成熟,它们的应用领域也在不断增加。
基于PC的控制一定要是一个开放的系统,这一点在硬件上比较容易实现,因为IPC本身就与PC兼容。而在编程软件上,基于PC的控制目前统一性还较差,主要有基于C语言的编程和采用梯形图等编程语言的编程。但是,随着IEC 61131-3标准的普及,基于PC的控制编程软件逐步采用IEC 61131-3的5种国际标准语言(LD、SFC、FBD、IL、ST),而且这方面的应用也是越来越多。
软PLC控制系统性/价比较高,因为计算机上的通信接口要比PLC等专有控制系统要便宜很多,如以太网卡,PLC的以太网通信适配卡价格一般在6000元以上,而PC的主板多数集成以太网接口;计算机显示器的显示效果也比一般的触摸屏要好得多,而且价格也便宜;此外,在一台计算机上集成控制功能和人机界面,系统整体性能也有明显的提高,计算机上的内存之大也是PLC等无法比拟的。
基于PC控制中的操作系统
基于PC的控制有不同的形式和应用技术,所采用的操作系统与普通PC上运行的操作系统也有显著不同。由于基于PC的控制对实时性的要求,因此,必须为系统选用实时操作系统。此外,在选择操作系统及相关软件组件或应用开发平台时,还要考虑操作系统的稳定性、实时能力、多任务(Multi-tasking)能力、是否需支持人机界面或绘图、所需储存空间大小、产品总成本(含应用软件开发成本、每个复制的授权成本、软件工程师能力及后续维护成本)等,其中的关键要素随应用需求而有所不同。目前在基于PC的控制中,常用的操作系统有Windows NT系列、Windows CE、Linux(RT)、VxWorks及QNX,以及近几年来出现的XP embedded等。