物联网技术之PLC

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可编程逻辑控制器(PLC) 几乎存在于所有现代工业中。尽管它们有多种形状和形式,但它们有一个目标:在复杂的工业应用中实时控制、测量和执行任务。

几十年来,PLC一直在工厂车间的自动化系统中扮演着强大而灵活的大脑的角色。事实上,它们被称为OT世界中的边缘计算机。但是,虽然PLC在特定的工业控制过程中不断发展,但工业物联网 (IIoT) 技术正在颠覆整个行业。

物联网技术之PLC

将PLC系统与工业物联网架构集成将带来前所未有的价值和优势。但将PLC集成到物联网领域并非易事,尤其是当PLC的网络能力较差且缺乏互操作性时。这就是工业物联网网关派上用场的地方,因为它使所有PLC为物联网做好准备。

何为可编程逻辑控制器PLC?

国际电工委员会(IEC)在其标准中将PLC定义为:

可程序逻辑控制器是一种数字运算操作的电子系统,专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程的存储器,用于其内部存储程序,执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令,并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。可程序逻辑控制器及其有关外部设备,都按易于与工业控制系统联成一个整体,易于扩充其功能的原则设计。

PLC是一种具有微处理器的数字电子设备,用于自动化控制的数字逻辑控制器,可以将控制指令随时加载内存内储存与执行。可程控器由内部CPU,指令及数据存储器、输入输出单元、电源模块、数字模拟等单元所模块化组合成。PLC可接收(输入)及发送(输出)多种型态的电气或电子讯号,并使用他们来控制或监督几乎所有种类的机械与电气系统。

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最初的可编程序逻辑控制器只有电路逻辑控制的功能,所以被命名为可程序逻辑控制器,后来随着不断的发展,这些当初功能简单的计算机模块已经有了包括逻辑控制,时序控制、模拟控制、多机通信等许多的功能,名称也改为可程控器(Programmable Controller),但是由于它的简写也是PC与个人电脑(Personal Computer)的简写相冲突,也由于多年来的使用习惯,人们还是经常使用可程序逻辑控制器这一称呼,并在术语中仍沿用PLC这一缩写。

一般讲, PLC硬件结构分为箱体式和模块式两种。但它们的组成是相同的,对箱体式PLC,有一块CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等,当然按CPU性能分成若干型号,并按I/O点数又有若干规格。对模块式PLC,有CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架。无论哪种结构类型的PLC,都属于总线式开放型结构,其I/O能力可按用户需要进行扩展与组合。PLC的基本结构框图如下:

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 形态与使用

PLC机型

PLC的选择主要应从PLC 的机型、容量、I/O模块、电源模块、特殊功能模块、通信联网能力等方面加以综合考虑。PLC机型选择的基本原则是在满足功能要求及保证可靠、维护方便的前提下,力争最佳的性能价格比。选择时应主要考虑到合理的结构型式,安装方式的选择,相应的功能要求,响应速度要求,系统可靠性的要求,机型尽量统一等因素。

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结构型式

PLC主要有整体式和模块式两种结构型式。

整体式PLC的每一个I/O点的平均价格比模块式的便宜,且体积相对较小,一般用于系统工艺过程较为固定的小型控制系统中;而模块式PLC的功能扩展灵活方便,在I/O点数、输入点数与输出点数的比例、I/O模块的种类等方面选择余地大,且维修方便,一般用于较复杂的控制系统。

安装方式

PLC系统的安装方式分为集中式、远程I/O式以及多台PLC联网的分布式。 集中式不需要设置驱动远程I/O硬件,系统反应快、成本低;远程I/O式适用于大型系统,系统的装置分布范围很广,远程I/O可以分散安装在现场装置附近,连线短,但需要增设驱动器和远程I/O电源;多台PLC联网的分布式适用于多台设备分别独立控制,又要相互联系的场合,可以选用小型PLC,但必须要附加通讯模块。

PLC通信方式

主要有RS232、RS485、PPI/MPI、PROFIBUS DP/PA/FMS现场总线、以太网总线、DEVICEnet 总线、和无线网络等多种通信方式。随着本地通信控制的局限性,远程控制联网通信,采用有线和无线的方式慢慢的进入主流。以太网口通信和无线网络通信慢慢的在PLC远程控制取代了原有的本地串口或总线方式控制。

PLC能做什么?

PLC除了能接常见的开关按钮,做开关量的控制,PLC还能做什么控制呢?

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总结以下5类

1)开关量的控制。比如在PLC输入端接开关按钮,通过编写程序来控制指示灯等负载。

2)运动控制。PLC可以通过高速脉冲输出点发送高频脉冲,驱动步进、伺服驱动器。

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3)模拟量控制。可以通过温度感应探头感应温度,再通过温度传感器把数据传送到PLC中,在PLC做数据处理,从而来控制负载做对应的动作。还可以做PID的控制,实现恒压供水等等。

4)数据处理。PLC具有数学运算、转换、排序等功能,可以完成数据的采集、分析和处理。比如设置动作流程循环次数。还可以编写程序实现餐厅、银行叫号的功能等等。

5)通信。在很多自动化设备上经常可以看见有触摸屏,可以在触摸屏设计各种各样的元件和页面,通过通讯线连接PLC做通信。在触摸屏上做按钮元件,来代替实物按钮。可以做一些数值元件来显示PLC中的数据,还可以做一些图像来表示各元器件的工作状态。

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PLC 遇到的挑战

PLC 持续监控输入设备(例如传感器)的状态,根据自定义程序做出决策,并触发对控制设备(例如执行器或警报系统)的输出。所有这些输入使 PLC 集中了大量的操作数据,不幸的是,这些数据最终被锁定在工厂内。尽管大多数现代 PLC 可以使用基本网络功能相互通信或将信息发送到本地仪表板,但它们并不是为远程通信而设计的。

PLC面临的三个最常见的挑战:

数据交换

在过去,收集现场数据面临着多种挑战,更不用说连接到一些更高级别的主机系统。硬接线传感器最容易连接到PLC,但将PLC信息发布到现场或基于云的系统,需要对数据结构进行处理,还需要配置网络和通信协议。PLC不支持与更智能的现场设备通信所需的所有工业协议,并且在与主机系统连接方面仍存在一定的局限性。从控制层到运营层,再到企业系统和云的结构层次结构导航,是一个棘手的问题。

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PLC自动化网络通常是闭环的,其中有价值和关键的数据最终被锁定在工厂车间内。这些网络最终会造成有问题的数据孤岛。较差的网络连接导致传统PLC与高端系统的数据交换有限。尽管现代PLC具有用于数据交换的以太网等连接功能,但在复杂和恶劣的工业环境中部署有线基础设施可能具有挑战性。

PLC捆绑数据集成协议连接了OT和IT系统,并可以创建多种方式将新、旧工厂车间设备连接到最新的企业系统。流行的串行和以太网OT协议包括ASCII、Modbus RTI K-Seq、Modbus TCP和EtherNet/IP。基本IT协议包括SNTPDNS、MQTT、SMTP、SSL和Web服务。

互操作性

传统PLC的生产被几家厂商所垄断,造成PLC的性价比增长很缓慢。这些问题都成了制约传统PLC发展的因素。近年来,随着计算机技术的迅猛发展以及PLC方面国际标准的制定,一项打破传统PLC局限性的新兴技术发展起来了,备具优势,这就是软PLC技术。

大多数PLC型号,尤其是旧型号,使用专有数据交换或供应商特定协议,使互操作性复杂化。某些SCADA和ICS系统也是特定于供应商的,并且只能与来自同一供应商的PLC一起运行。这种互操作性的缺乏会使PLC与SCADA、ICS或IT系统等系统的集成变得具有挑战性。

数据兼容稳定

随着时间的推移,PLC会积累轻微的不一致,例如I/O模块错误,或者也可能会遭受断电,这可能会间接危及整个控制系统。为避免此类PLC问题,工厂工程师需要不断仔细地检查机器。不幸的是,PLC缺乏监控和预测机器问题的系统。

未来与工业物联网网关集成

工业物联网网关集成了所有PLC,并使它们为互联行业做好准备。工业物联网网关可以弥合OT和IT之间的差距,允许将PLC集成到 IT、SCADA 或 ICS 网络。

工业物联网网关为PLC提供接口。它允许更轻松地收集数据、连接互联网、访问基于云的应用程序、存储等。物联网网关将数据可靠、安全地传输到云平台或本地管理或监控系统。收集的数据可用于机器状态跟踪、资产利用、故障检测、机器性能和单位维护成本。

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现在工业上使用可程序逻辑控制器已经相当接近于一台轻巧型计算机所构成,甚至已经出现整合个人计算机(采用嵌入式操作系统)与PLC结合架构的可程序自动化控制器(Programmable Automation Controller,简称PAC),能透过数字或模拟输入/输出模块控制机器设备、制造处理流程及其他控制模块的电子系统。可程序逻辑控制器广泛应用于目前的工业控制领域。在工业控制领域中,PLC控制技术的应用已成为工业界不可或缺的一员。

此外,PLC旨在在恶劣的环境中运行。因此,任何在相同条件下工作的IT相关设备也需要坚固耐用。工业的物联网网关是坚固的,因此它是能够经受恶劣的环境中,而在同一时间提供连通性,安全性和数据处理。

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