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发表人：sh_jishuo |
发表时间：2009/5/8 23:03:00 |
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| 本栏论题： |
从自动化集成体系结构的视角看PLC系统软件的长足进展 [1935] |
集成体系架构的发展，是近几年来自动化技术和自动化市场的一个大趋势。随着市场竞争日趋激烈，生产制造业在挖潜增效的驱动下，要求自动化技术提供一揽子解决自动化控制和生产管理、执行等信息系统的全集成解决方案，而不再是plc或dcs的自动化孤岛和信息孤岛的陈旧模式。作为现场设备控制底层的系统，plc的发展，特别是其软件的发展，必须适应这样的宏观趋势。这就是说，现代plc除保持传统plc的固有属性之外，必须根据现代自动化技术和市场的发展趋势，从作为自动化的一个单纯执行某种控制任务的孤立单元，进一步提升为制造信息和设备健康状况信息的提供者，为生产全流程的控制和管理提供基本的原始数据。换言之，从企业的生产管理全局的角度看，现代plc在执行必要的基础自动化功能之外，还必须满足网络集成的基本要求，甚而为满足数据集成提供基本条件。这是因为，经过十几年的探索和实验，从理论和实践上证明了制造业扁平化的erp（企业资源计划）、mes（制造执行系统）和pcs（广义过程控制系统）三层架构模型进入了大规模、全方位的应用时期。这也因为，当今自动化技术发展，已经从技术层次和认识层次两方面打破了将工业控制领域划分为电气控制（包括传动控制、逻辑和顺序控制）、过程控制、运动控制等多专业范畴的界限，从而为建立统一的工程设计和组态平台打下了基础。这还因为，在经济全球化大趋势的推动下，从上世纪80年代开始到现在，在国际产业界长期共同追求和努力下，开发和制定了许多自动化和信息化的国际标准。由于这些包括工控编程语言、公共组态环境等工程环节；现场总线、工业以太网等通信网络环节；数据交换接口、控制和企业管理信息集成等环节的标准化，使一系列国际标准的制定和推广应用取得了丰硕的成果，形成为普遍的共识，从而为自动化集成体系架构的发展和日趋成熟奠定了标准化基础。这里要特别要提到的有：iec61131-3工控编程语言标准，xml可扩展标记语言纲要，iec61158、61499、61784、61804等现场总线和工业以太网国际标准，isasp95（iec62264）企业与控制系统集成标准，isasp88批量控制标准，过程控制用数据交换接口规范opc，等等。在上述三方面因素的共同作用下，自动化全集成体系架构开始崭露头角。而这种趋势的形成又是自动化主流公司在控制系统、控制工程设计和组态软件、工业通信网络、制造管理和执行软件等多方面深厚积淀的基础上，通过整合集成，谋求实现管控一体化的必然产物。那么，什么是自动化集成体系架构发展的指导思想呢？cpas创导全厂控制和统一工程设计和组态环境协同过程自动化系统模型是著名咨询集团arc提出的在erp、mes和pcs三层结构中，作为自动化设备制造公司和工程公司应对的一种最佳解决方案，参见图1。cpas把pcs和mes的功能性和具体实现所必需依托的网络技术、技术标准及它们之间的相互关系，完整清晰地予以概括。cpas倡导全厂控制（in-plantcontrol)的概念，用一个平台提供工厂所有必须的控制功能，摒弃长期以来由plc和dcs分担离散控制和过程控制的功能划分。
同时，还倡导用一个统一的工程设计和组态环境，解决所有的电控、仪控、计算机控制和hmi（人机会话界面）、scada（远程监控）的设计和组态，乃至开车调试投运和运行管理维护所需要的工程问题。cpas明确指出，支持底层和设备自动化的网络技术是现场总线，支持工厂和企业的管理信息网络是基于以太网的技术。
传统的自动化系统是以当时的技术条件为出发点，用在市场上可采购到的硬件和软件产品组建的，很少去考虑制造厂的经营要求。如今已不能停留在这种落后的观念了。因为这造成了生产和经营管理严重脱节，信息交流不畅，甚至所生成的信息不及时、甚至偏离走样，以至于在许多情况下资本成本难以回收，绩效低下。新一代的过程自动化系统必须满足生产运营的综合生产指标优化的要求，并把这种要求转化为一种有效的可执行的解决方案。过去十多年来信息技术和因特网的发展，使运营管理与工厂生产建立紧密、实时联系的协同环境，有了强大的技术支撑。为了在运营管理和生产制造之间建立同步的、相互都有利的支持环境，实现在经营管理、工厂生产形成闭环的前提下追求绩效最佳，这就是协同过程自动化系统cpas的理念cpas的关键是在三层结构中建立起上下各层次间的实时数据交换，或者称为上下各层次间的信息同步。这就是说，生产管理作为cpas的核心环节必须与过程控制紧密连接。用过程控制的术语说，cpas以经营业务流程的性能最优为目的，为经营管理、生产管理和生产制造之间形成闭环，提供了一种可行的方法。cpas对生产过程的绩效进行精确度量，为达到企业资源综合指标优化、运营效果出众提出了基于信息化的自动化技术的架构规范。cpas还要求纳入第三方产品的生产过程和管理的信息，以求得供应链的协同。概括起来说，cpas是一种控制生产过程，其规模可大可小（scalable)、具有高可用性（availability），性能稳健（robust），采集和处理数据能力极强，且无边界的平台。
iec61131-3推 |
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以下是关于《从自动化集成体系结构的视角看PLC系统软件的长足进展》论题的回复（共3篇） |
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为了让使用者对所用plc在其具体应用中的性能做出评估，还为了比较不同plc的性能，并发现在其具体应用中所表现出来的优点和缺点，plcopen在2006年6月底以技术文件的形式公布了《plc性能的基准测试方法》。该文件通过所定义的测试概要，以一种客观的方式，为寻求不同plc平台真实性能提供了标准化的方法。为更贴近实际应用，将基准测试方法划分为五种类别，它们分别是：数字式i/o处理（典型应用是无伺服驱动的小型机械）；使用sfc/状态机、并在每个步序有数字式i/o的处理（典型应用是装配自动化）；运动控制应用程序（典型应用是包装、印刷）；数据处理应用程序（典型应用：测量记录和处理、协议）；闭环控制应用程序（典型应用：过程控制）。
考虑到编程仅仅是控制软件完整应用开发套件的一个组成部分，虽然xml并不是iec61131-3标准的内容，但为规范它与其它组成部分间的数据交换接口，plcopen还是强调通过为iec61131-3规定一种xml（extensiblemarkuplanguage——可扩展标记语言：一种用来创建自己的标记的标记语言）的格式倡导一种开发环境，使得各种不同目的的开发软件工具能克服交换数据的瓶颈，在此基础上构成统一平台（见图3）。2005年4月正式发布的关于xml的文本包括技术文件、xml模式（scheme）和说明文件。
3plcopen规范了编程工具与其它软件工具间数据交换的xml格式利用plcopen规范的xml格式，实现不同软件工具的数据交换，可以为统一的工程平台实现不同控制功能的编程、组态提供基础；为统一的工程平台实现设计、调试、运行操作、维护各阶段功能的前后衔接提供基础，而进行不同硬件平台定义的i/o变量和内部变量之间的变换，为控制程序无障碍移植创造前提条件。
建立统一工程平台的必要性人们过去开发了许多为plc控制系统工程设计、编程和运行，以至于管理的工具性软件。其中包括控制电路设计软件包、接线设计软件、plc编程软件包、人机界面和scada软件包、程序调试仿真软件，以及自动化维护软件等等。尽管这些软件都是为具体的工程服务的，但是，即使在对同一对象进行控制和监控，它们却是互不关联。不同的控制需求（如逻辑和顺序控制、运动控制、过程控制等）要用不同的开发软件；在不同的工作阶段（如编程组态、仿真调试、维护管理等）又要用不同的软件。而且往往在使用不同的软件时必需自行定义标签变量（tags），而定义变量的规则又往往各取其便，导致对同一物理对象的相同控制变量其命名完全不一致。缺乏公用的数据库和统一的变量命名规则，造成在使用不同软件时不得不进行繁琐的变量转换，重复劳动导致人力资源成本高、效率低下。现代软件技术的发展为不同用途的软件集成创造了前提条件。前面讲到的xml就是很好的将不同软件集成起来构成统一工程平台的工具，而采用基于变量的寻址方式（tags-basedaddressing）,使我们可以直接运用实名变量，不必使用交叉参考列表来完成变量名与物理地址的转换。在使用多种软件工具时，统一的变量名对应惟一的物理地址，例如图4所示。这种超越传统的解决方式带来许多优点：大量减少工程设计、调试、投运的时间和费用；减少编程和调试运行中的错误；技术文档便于阅读和理解；方便维护；在与其它控制器通信进行数据交换时，在程序中可直接采用参与通信的控制器数据的实名制变量名，而不必采用物理地址，大为方便理解。
2）plcopen规范的xml格式：构筑各种软件开发工具统一平台的基础。编程仅仅是控制软件完整应用开发套件的一个环节，为规范它与其它软件环节间在应用水平上的数据交换接口，克服各种软件工具交换数据的瓶颈，plcopen于2005年4月正式发布为实现iec61131-3编程的数据交换规范xml文本，包括技术文件、xml模式（scheme）和说明文件。该规范规定了iec61131-3全部五种编程语言的交换格式；类似于建模工具那样，规定与图形和逻辑信息的生成程序的接口；类似于文件生成程序和管理程序以及版本管理那样，规定与图形和逻辑信息的使用程序的接口；还规定了功能块库的分配格式（distributionformat）。图5以直观的方式来表达如何实现不同开发工具之间的数据交换。
我们知道xml的特性是其结构和内容可以与它们的表达方式分隔开来，这样同一个xml源文件可被再写一次，用多种形式（如显示在一个计算机显示器上，显示在手机的显示屏内，在一个设备上转换为声音以方便盲人，等等）来表达。xml的优点在于：它的可扩展性，可以通过它提供的scheme来检查所包含数据的一致性，以及不同的scheme都能提供一种检查它们之间的不兼容性。
在涉及整个项目的范围内，有许多信息需要以xml的格式存贮。由于并不知道接下去会有哪些软件工具用到这些信息，所以必须输出随后可能会用到的相关信息，包括文本化编程语言il和st，图形化编程语言ld和fbd，结构性语言sfc，图形信息（如形状、位置和连接路径等），注释，程序组织单元和函数、功能块、程序，数据类型、有关项目的信息（分层结构），变换信息，以及信息提供方的特定信
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针对过去存在的体系架构集成的缺陷，
2004年罗克韦尔在整合了已建立的logix控制平台和factorytalk生产软件的基础上，构建了其集成架构。它有以下特点：
1）从全局的观念对整个工厂流程所牵涉的各个环节，通过单一而又统一的平台来进行工程设计和组态、可视化、控制、生产管理和调度、资产设备管理。
具有良好的可扩展能力，可满足小规模的单元控制、中规模的区域控制和大规模的全厂控制的各种要求。它在公共的工程环境、统一的通信框架、建立在工业标准的基础之上等几个关键的特征方面达到了arc所倡导的cpas模型的要求。
2）罗克韦尔的全厂信息软件和mes系统按照面向服务的架构，把其所有的软件产品纳入单一的集成套件—factorytalk集成生产和绩效套件。factorytalk的策略是通过提供全厂的信息套件来扩展和提升集成架构，并通过使用基于标准的数据模型达到不同层次软件间的互操作性和开放的互连性。factorytalk集成生产和绩效套件由6个基本功能软件组成：设计和组态，生产管理，数据管理，绩效和可视化，质量和法规符合，资产设备管理。罗克韦尔的集成架构通过将factorytalk生产平台和logix多专业控制平台的无缝连接，保证实现端对端生产控制和信息的使用。
3）集成架构的设计和组态就是在一个集成的环境中创建工程项目、建模和编程。这里，编程的广义理解应包括允许用户开发设备的控制程序模块和选用已有的具有可重复使用的程序模块，确定选用产品并生成订货单，控制流程开发、仿真和投运。集成架构的组态环境包括过程控制、运动控制、离散控制和传动应用。它支持iec61131-3编程语言，其功能块可调用梯形图、sfc、结构化文本等编写的程序；在编程时能直接运用实名标记，无须通过交叉参考列表进行标记名与物理地址的转换。用户在工程组态时只要定义一次，以后在通信组态、hmi组态，以至于建立维护、资产设备管理等应用组态时都使用统一的实名标记。
4）采用支持iec61131-3编程语言的编程系统，解决连续过程控制、离散事件和状态控制的编程。
现今许多基于iec61131-3的编程系统可以把逻辑和顺序控制、运动控制、过程控制和传动控制等的编程纳入一个体系中，同时还将scada和人机界面软件的设计功能、程序的调试和仿真功能也包容进来。基于iec61131-3的编程系统，如isagraf、multiprog、openpcs和codesys等的新版本都可以提供上述的多种功能。另外，施耐德电气推出的新一代自动化平台unity可以方便地集成所有的modicon系列plc自动化产品，以及变频器、人机界面、上位软件、分布式i/o、运动控制和安全控制等产品，并且通过协同自动化合作伙伴计划（collaborativeautomationpartnerprogram，capp）把第三方厂商的软件和硬件无缝的集成到unity中，给用户提供最优化的解决方案。
10 基于iec61131-3国际标准的编程系统支持各类控制的编程
总的说来plc软件的发展必定延续已经确定的方向发展，即围绕自动化集成体系架构的要求发展，为完善和提高统一的工程设计组态平台做好广泛的基础性工作。例如plcopen已经开发了机械功能安全的编程语言规范，有必要继续开发为过程功能安全服务的编程语言规范，并争取成为iec的国际标准。鉴于自动化集成体系架构强调与第三方的硬件和软件的无缝连接，开发为工控程序在不同硬件平台间的移植的环境和方法，并迅速使其实用化，也提到了工作日程。今后要设法把目前在成本上只适合中大型工程运用的统一工程设计组态平台适当简化，让plc在软件方面的进步普惠到小型plc系统的开发。
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