【如何為應用選擇正確的自動化控制器 ？】與可編程邏輯控制器(PLC)的最初使命相比，自動化控制器的功能已經要遠遠多于代替繼電器。現在，控制器能夠集成邏輯、運動、機器人，以及與其它機器和管理系統進行通信。性能可以從簡單設備到多核處理器不等。

傳統的PLC、可編程自動化控制器(PAC)和工業控制計算機(IPC)之間的區別主要與處理能力和性能相關，不過現在它們彼此之間的界線正在逐漸模糊。由于遵循國際電工委員會(IEC)61131-3編程規范，控制軟件取得了一定程度的標準化。在后臺運行的強大的實時操作系統，避免了對基于MicrosoftWindows操作系統的依賴。因此“基于IPC的控制”一詞，如果改為“基于Intel或基于AMD”可能更精確，可以反映所使用的強大的主流處理器。

由于現在的自動化控制器除了進行邏輯處理外，還可以做更多其它事情，PLC可能是一個過時的術語。因為所有的自動化控制器都是可編程的，PAC中的“P”也似乎是多余的。控制器基本上是計算機，可以在同一個處理器上運行多個操作系統(實時、MicrosoftWindows和Linux)。IPC可用于控制、數據采集以及不斷出現的新任務，比如邊緣計算。

傳統的PLCI/O通信響應時間，取決于網絡性能、節點數、通信量、CPU性能和CPU負載；采用更嚴格的集成和開放IEC61131技術的設計，集中軟件管理和分散的程序執行，可以提高性能。圖片來源:貝加萊

控制器功能的考量

在相同的軟件環境、相同的程序中，運行在同一個處理器上，協調所有機器的功能，正在變成一種流行趨勢。這需要機器功能同步，并且采用模塊化代碼結構，使得有組織的、有凝聚力的方法成為可能。盡管如此，有些領域卻并不需要那么多集成控制，例如簡單的應用程序，就沒有擴展計劃。應用的復雜性和性能需求決定了控制器的規格。選擇控制器的時候有很多因素需要考慮，根據應用的不同，您可能需要對下面的注意事項進行考量。

●邏輯

對邏輯控制的基本需求，是為什么我們繼續將自動化控制器稱為PLC的原因。PLCopen是一個組織，它負責維護和擴展IEC61131-3編程標準的范圍，并管理大量的知識、培訓和庫。該組織的活動，遠遠超出邏輯控制的范圍，包括運動、安全、OPC統一體系架構(UA)、XML等。

●多軸運動

根據應用的復雜度和運動的同步性等需求的不同，自動化控制器可以控制數十甚至數百個運動軸。隨著摩爾定律和行業標準的發展，不再需要有專用運動網絡的獨立運動或機器人控制器。

●網絡安全

在北美，硬接線網絡安全仍然是首選。網絡安全設施與控制機器的設備運行在同一個網絡上，已被證明為一個行之有效的控制功能。

網絡安全的實現，可以從控制處理器上的冗余內核，到單獨的安全控制器，再到小型系統中的安全輸入/輸出(I/O)來實現。網絡安全還延伸到運動安全和機器人功能，允許機器以安全模式運行，而不是直接關閉，從而可以提供卓越的運行效率。

●機器人集成

同一自動化控制器可以集成多個Delta機器人、SCARA機器人、鉸接式和龍門式機器人，以及其它機器功能。此外，還可以在IEC61131-3兼容環境中執行運動功能。由于內置了堆垛算法到裝配模式，專用機器人控制器可以持續提供有價值的功能。

貝加萊X20系統為每個應用程序提供遠程I/O、控制和輕松的網絡配置和靈活性。

●機器監控

監視機器的運行狀況，是預測維護計劃和減少計劃外停機的關鍵一環。控制器可以與各種現有的傳感器(如溫度探頭和加速度計)相結合，以監測實際情況。在發生災難性故障之前，機器監控還有助于檢測異常。能量監測也可應用于壓縮空氣的使用，加熱器和烘干機中的天然氣使用，以及用于工藝過程中水的使用等。

●數據處理

自動化控制器可以是網絡、OPCUA服務器和客戶端。它們具有收集工業物聯網(IIoT)數據的功能，并可以從云端或終端接收指令以優化過程。自動化控制器通常將數據發送到制造執行系統(MES)、企業資源規劃(ERP)、整體設備效率(OEE)、可信平臺模塊(TPM)和產品生命周期管理(PLM)軟件。在IIoT環境中，接受有用的分析數據也非常重要。

●自動配置

以前，更換新組件(如驅動器)必須手動為設備確定和加載正確的固件版本。現在，自動化控制器可以在無需人工干預的情況下，自動讀取設備并提醒技術人員進行必要的調整。

●通信能力

如今，即使是低成本的控制器也有一個或多個以太網通信端口，可與HMI、管理系統、編程和其它非時間關鍵任務進行通信。對于控制器來講，支持某種特定類型的工業以太網協議，如EtherNet/IP、EtherCAT、Powerlink、Profinet等，以便組建確定性網絡，已經是很常見的。遺憾的是，目前還沒有一個獲得普遍認可的工業以太網標準，可以提供適合機器控制的高速、確定性的通信。

不過，時間敏感網絡(TSN)的發展帶來了很大的期望。TSN與OPCUA和OPCUA發布訂閱（Pub-Sub）一起，將給IEEE802系列以太網標準帶來更多的確定性。工業互聯網聯盟為其搭建了一個試驗臺，已經有多個工業自動化供應商參與其中，以證明TSN在機器到機器通信方面的可行性。

TSN是很重要的，這主要是因為要使IIoT能夠運作，需要在工廠、企業范圍內和云端上實現不同控制平臺之間通信的互操作性。如果需要串行接口，則應專門定義，因為目前串行通訊使用的較少。

●安裝形式

以下是3種最常見的自動化控制器的安裝形式。

1）IP20，機柜安裝:這是傳統PLC常用的安裝形式，有一個單獨的HMI，通常使用整體、背板/軌道安裝I/O，或遠程安裝的I/O模塊。

2）IP65/67/69K密封，基座或前面板安裝:這種形式集成了HMI和控制器，并采用搖臂型安裝，可以充分發揮器人體工程學優勢，因此變得越來越流行。

除了控制，這種形式還可以集成PC功能，以運行各種MicrosoftWindows應用程序，比如HMI，盡管基于Web的HMI的趨勢越來越明顯。與類似的控制器相比，基座安裝的控制器往往比面板安裝更昂貴，需要不銹鋼擋板，以及更高的密封要求。

有些人喜歡將面板安裝PLC和HMI分開，以避免在其中一個損壞時需要同時更換兩個組件。但是現在已經無需擔心，因為已經有了可自由拆卸HMI的集成裝置。這樣，更換較大的屏幕就更容易，或者升級到更強的控制硬件也不需要更換屏幕。

3）IP20，機柜式工控機，配置獨立的HMI:就像集成形式一樣，這種形式還可以作為一個具有實時操作系統、各種計算機操作系統和網絡服務的控制器。控制器可以是獨立的，工業計算機專門用于非控制任務，如邊緣、霧或云計算。歷史庫、序列化和視覺檢查也是常見的應用。

先進的自動化供應商可以為用戶提供滿足不同需求的PLC產品范圍，例如從配置固定I/O的微型PLC，到中檔PLC，再到能夠處理數以千計的I/O的模塊化PLC系統。圖片來源:AutomationDirect

●可擴展性

雖然軟件開發環境通常與硬件（超小、微型、中型和大型PLC）相關，但它也有可能在獨立于硬件的開發環境中工作。這意味著首先可以為項目編程，然后再去選擇或更改控制硬件。這種靈活性可擴展到馬達和驅動器類型。低端的步進或變頻器可與高端伺服共享相同的程序。當一系列設備的設計旨在允許復用關鍵軟件元素時，可擴展性的要求就尤為關鍵。

●CPU性能

從低端到多核處理器有多種類型可供選擇，但它們的性能彼此會有重疊。因此，建議與技術提供商的技術支持和銷售工程師團隊合作，為預期的應用需求選擇最佳的性價比方案，因為他們更了解自己的產品。

理想情況下，處理器應具有可擴展性，控制軟件才能兼容控制器產品線上的所有產品。自動化技術供應商會對重要組件準備充足庫存，以確保產品的可用性，并為替代品提供遷移服務。

此外，還要確定是否需要靜音操作，以及安裝控制器的預期環境溫度。其它散熱選項包括風扇、空調、散熱器和水冷等。

●內存

固態內存在自動化控制器、可移動介質（如C-Fast卡）以及對成本更敏感的永久安裝的應用中已經非常流行。可移動內存的優點是可以輕松地替換它，便于制作和存儲備份，并且很容易擴展內存容量。

但是，在使用工業存儲卡時需要小心，并確保媒介符合應用所需的規格。不同的存儲類型，具有不同的使用壽命，這取決于讀寫周期。這也是一個需要和自動化供應商討論的話題。

不同類型控制器的區別

為工廠自動化選擇控制器，不僅和是否應該使用PLC、PAC、或IPC有關，它還應該涉及應用要求的定義，包括基本的控制需求以及未來的可擴展性。尤其是可編程軟件平臺的選擇，與選擇合適的硬件一樣重要，需要在決策過程中發揮重要作用。

無論是機器還是過程控制，典型的控制器系列都包括PLC、PAC和IPC。盡管不同的控制器之間存在諸多差異，但它們的特性與功能正在不斷的融合。

雖然PLC是第一個用于替代繼電器的控制設備，但到目前為止，PLC仍然是中小型應用的最佳選擇。隨著對新技術接受程度的提高，PLC的功能也在不斷擴展。很多低端PLC使用梯形圖邏輯編程，因為這對于大多數應用場合來講已經足夠了。更高端的PLC，則可使用功能塊和其它IEC61131-3編程語言。

PAC擴展了PLC功能，包括改進的運動、安全和視覺功能。基于PLC的PAC，作為這類控制器的分支，使PAC功能像PLC一樣簡單易用，但功能更強大。由于具有更先進的功能，并且可以使用其它高級語言（諸如C語言的變體等），IPC對于更復雜的應用來說是一種理想的選擇。

在每個控制器類型中，自動化供應商都可以提供很多配置選項，以及內置和遠程輸入/輸出(I/O)的不同組合。還有從簡單串行到以太網等各種通信方式可供選擇。硬件配置還可能包括內置I/O(通常稱為模塊)的獨立控制器，可以使用可堆疊的I/O和機架式選項進行擴展。

控制器選擇的注意事項

盡管了解和評估控制器的規格是關鍵的應用需求，但是工廠人員的能力和未來的連接需求，也是決策過程中的重要考量因素。

控制器選擇時，需要考慮的關鍵注意事項還包括:

●工廠人員的自動化經驗；

●I/O的數量和類型；

●所需的控制功能，如閉環比例、積分、微分(PID)，運動和速度；

●通信選項；

●數據收集要求；

●特殊功能要求。

有些設施高度自動化，可以處理各種控制器和設備，而另外一些設備則可能對新技術的熟悉程度有限。PLC是許多行業和應用的主要自動化工具，主要因為它們提供了準確、可靠和可修改的控制，同時由于它們的廣泛使用，大家對它都非常熟悉，因此易于工作。

如果工廠人員從沒使用過PLC，那可以先考慮使用一個小而簡單的PLC。這些小型控制器的設計便于擴展，同時具有很多功能，可以在大型PLC上使用。

PLC的選型和應用

下一步是檢查應用的需求。估計離散和模擬I/O的數量是一個好的開始。主要組件列表(連同位置和存在傳感器)，有助于確定精確的數量。

除了離散控制和模擬過程功能外，某些PLC已經逐步發展到能夠執行復雜任務，如運動和PID控制。這種控制器可以處理復雜應用，如利用精準對齊的高速包裝線。

用于某些運動控制功能的伺服和變頻器，并不總是需要協調，但在通信和其它需求的方面，仍然可能相當復雜。許多控制器可能需要同時與多個驅動器通信，以傳遞位置、速度或扭矩指令。RS-232、RS-485和以太網等其它方式，都是與驅動器通信的有效選擇。與分布式I/O相比，選擇數字通信協議是一個更好的選擇，因為它們簡化了布線，可以監視更多的參數，給更多的參數發指令，并且在需要更改時具有更多的靈活性。

數據采集需求也是應該考慮在內的因素。幸運的是，許多控制器，甚至是最新的小型PLC，都有內置的通信、數據記錄、網絡服務器訪問和電子郵件功能。可以將數據寫入微型SD卡的功能，是另一個值得擁有的功能，它和網絡服務器功能和遠程訪問一樣重要。

有些應用需要具有一定的安全等級才能滿足法規要求。雖然應用可能建議使用安全級的PLC，不過使用非安全級的PLC以及一個或多個可編程的安全繼電器，也可以在降低成本的同時提供所需的功能。

軟件編程的評估

在一個典型的自動化項目中，軟件編程大約占到所有工作量的一半，但是為控制器編程所需的時間以及所需的專業知識水平，可能會因控制器編程軟件的不同而有很大差異。控制器編程軟件需要考慮的事項包括：

●易于編程；

●偏好和舒適區；

●時間和成本投入；

●可用的培訓資源；

●數據記錄和遠程訪問。

具有限編程指令的簡單軟件（有時還是免費的），涵蓋了適用于這些小型控制器的大多數應用。隨著機器規格和復雜性的增加，大多數中型和大型PLC提供的軟件平臺，需要比小型簡單PLC更長的學習時間。

控制器編程軟件的選擇，通常與用戶的偏好和舒適區有關。雖然所需的硬件由應用需求驅動和確定，但軟件選擇通常是一個主觀的決定。大多數公司都應該選擇使用標準的控制器編程軟件平臺以及一個統一的編程方法。

在選擇編程軟件時，用戶還應考慮可用的培訓資源。在網上應有大量的技術信息庫和用戶手冊。軟件程序一旦開發完成，就需要進行測試。編程軟件應該包括查看PID回路響應和運動配置文件，以及模擬其它軟件功能的能力。內置的項目模擬器可以在沒有硬件或下載到現有系統之前來測試代碼，因此可以節約大量的時間。

雖然為控制器選擇合適的硬件和編程軟件需要考慮很多因素，但選擇控制器的方法不太可能是“一刀切”的。在為工廠選擇控制器時，最好能夠選擇滿足公司廣泛需求的系列產品。（作者：JeffPayne）