关于实现智能制造自动控制系统革命的思考(中)

2智能制造条件下的PLC控制系统改造

我认为,为了满足智能制造生产模式的新要求,PLC自动控制系统必须进行两个方面的创新:

2.1重塑PLC框架结构。新的PLC控制系统不仅可以处理实时数据,还可以处理非实时数据。

在智能制造的企业管理结构模型中:管理层是企业产品生命周期的管理;管理层是企业产品生命周期的管理。控制层是研发方,制造方和服务方的集成控制。在现场收集的信息必须是可控制的,可观察的,可测量的,可传达的功能。在这种情况下,智能制造对自动化系统提出了新要求。当前,PLC控制系统的最大问题是所谓的非实时数据,它们无法处理,分析,汇总和总结管理,服务和研发。此缺陷构成了PLC控制系统应用中的最大瓶颈。在智能制造中。工业互联网,大数据和人工智能技术无法直接进入控制系统的核心-PLC控制系统,这限制了控制领域新Internet技术的快速发展。设备级别的应用程序级别。因此,在这种情况下,必须更改当前的PLC控制系统,以满足分析,存储和归纳非实时数据(如实时数据处理和管理以及与自动化系统相关的服务)的要求。操作过程和控制。

但是,实时数据和非实时数据的属性完全不同。如表1所示,由于非实时数据和实时数据的数量,时间,处理方法和传输效率的差异,当前的PLC控制系统框架结构设计仅处理实时控制数据,并且不考虑管理,研发和服务等非实时数据的问题。

为了满足智能制造的要求,我们必须更改原始PLC控制系统设计中未包含的非实时数据的功能(开发,管理和服务)。因此,传统的PLC控制系统的框架结构必须进行实质性的改变,以使PLC控制系统的硬件和操作系统能够满足处理实时数据和一些非实时数据的功能。也就是说,产品生命周期的研发,服务和管理数据也可以在控制器中进行计算和分析,从而形成一个全新的PLC控制系统。 Phoenix开发的PLCnext控制系统就是基于这个想法的。经过设计,其简化描述如图2所示。

在德国推广工业4.0的早期,Phoenix响应了新一代PLC控制器对智能制造的需求,并开始开发一种用于智能制造模式的新型PLC控制系统,并将其命名为PLCnext。也就是说,Internet时代的PLC控制系统的特点是保留了传统PLC编程的优势,并通过扩展集成编程语言,工具和开放源代码功能的能力来实现非实时数据处理。它的PLC控制系统平台结构设计可以同时处理实时数据和非实时数据,是使用四种开放技术实现的。

(1)Linux的PLC开放控制平台

PLCnext操作系统基于Linux系统。该系统是一个免费且开源的类Unix操作系统。它也是一个免费的操作系统。用户可以通过网络或其他渠道免费获得它,并且可以随意修改其源代码。与传统操作系统相比,它具有以下优点:由于Linux的大多数内核都是用C语言编写的,并且使用可移植的Unix标准应用程序接口,因此它可以支持包括嵌入式系统在内的许多硬件平台。内部各种硬件设备。同时,Linux系统中有许多办公软件,图形处理工具,多媒体播放器软件和网络工具,它们可以使企业管理的信息处理和控制系统的数据处理有机地结合在一起。主Linux系统继承了Unix系统的特性,并且是真正的多用户多任务操作系统。此功能使PLC控制系统可以处理实时和非实时数据。在PLCnext操作系统中,多个开发人员也可以同时在不同的开发环境中处理同一个项目。此功能使产品开发,设备工程和生产部门的团队可以在新产品开发阶段进行跨部门协作。它可以真正满足智能制造对PLC的生产和制造模型的全生命周期管理要求。

PLCnext系统架构

PLCnext系统架构由PLCnext实时操作系统,内部用户组件和外部用户组件组成。它提供了面向未来的控制体系结构,具有开放的接口,并为自动化解决方案提供了最大的灵活性。它使用实时Linux操作系统,其技术基于自己的Linux发行版,并使用yocto(https://www.yoctoproject.org/)的PREEMPT-RT实时补丁(OSADL)来满足这些要求。在硬件方面,它使用高性能的多核处理器和大容量存储空间来支持信息安全IEC 62443标准。

PLCnext实时操作系统

PLCnext实时运行系统用于执行实时用户程序。它支持各种开发环境,例如IEC 61131-3,C / C ++,C#,Matlab Simulink等。 PLCnext Engineer工程软件是用于PLCnext控制器的配置,编程,调试和可视化的工程工具,对于熟悉软件编程的IEC 61131-3编程标准的用户来说非常方便。使用Visual Studio的特殊插件,您可以使用C#开发和集成功能块。使用C#创建的IEC 61131功能块可通过eCLR运行系统实时执行。同时,用户可以使用Eclipse或Visual Studio开发符合标准的C / C ++用户程序。通过与PLCnext技术平台的简单接口,可以直接通过任务调用它们并支持远程调试。由MATLAB Simulink开发的代码可以作为用户程序直接导入到PLCnext Engineer软件中,从而可以基于模型设计和开发实现无缝,一致的集成。

实时操作系统的服务组件提供了许多重要组件,例如内置的OPC UA服务器,Web服务器和WebHMI,数据记录,PROFICLOUD网关和IT协议支持。现场总线管理器用于支持不同的实时工业以太网和现场总线连接,包括PROFINET,EtherCAT,Axioline本地I / O总线和PCIe总线扩展功能。

为了确保在操作系统中同时执行执行任务和非实时任务,以及实时数据和非实时数据交换的完整性和准同步,PLCnext拥有两项专利核心技术:执行和同步管理器(执行和同步管理器(ESM)和全局数据空间(GDS)。ESM组件负责处理多核处理器和多任务系统的实时应用程序。以及事件任务,并通过看门狗功能监视应用程序的正确执行;在不同开发环境中编写的用户程序可以在同一控制器下运行;结合ESM,GDS可以管理任务,程序和操作系统之间的实时和定期一致数据传输。用户仅需在PLCnext Engineer中配置程序之间的数据交换连接即可。通过IN-Port和OUT-Port的工程软件或基于XML的配置文件,而无需通过全局变量或共享内存区域。

内部用户组件和外部用户组件

PLCnext包含两个非常重要的功能扩展,因此可以轻松支持各种开源软件和其他功能扩展。内部用户组件是PLCnext的实时扩展,用于执行具有一定实时性的用户组件,例如SQL,Modbus TCP,MQTT,工业云通信接口等。外部用户组件是非实时用户组件。 PLCnext的实时功能扩展,用于执行没有实时通信要求的应用程序,例如JAVA应用程序,.Net应用程序,Python应用程序,OPENCV图像处理等,这极大地简化了大数据和人工智能。在PLC级别进行准备和操作。使互联网软件技术和PLC控制系统可以轻松集成为一体。

同时,PLCnext技术可独立创建程序部分和完整应用程序的任意组合的功能。开源软件和应用程序的使用大大提高了开发过程的效率。在Phoenix Contact发布的PLCnext Store的帮助下,供应商和系统集成商可以自由开发各种工业应用程序,并在PLCnext Store的开放平台上发布和共享这些应用程序,供客户下载和使用。 PLCnext功能扩展的五种类型如图5所示。

由于采用了开放式控制体系结构,PLCnext技术可以自由地实施自动化项目,而不受专有系统的限制。用户可以自由使用自己喜欢的编程语言和开发工具,开源软件和应用程序,并且可以分别集成云服务和未来技术。

(2)开放软件编程语言

PLCnext基于IEC61131-3编程标准。它使用C / C ++,C#或Matlab Simulink开发不同的功能块和控制程序。同时,用户还可以使用现有的开放源代码轻松地与Phoenix Contact PLCnext平台集成,以构建面向用户的自动化控制系统。例如,对可以直接用于运动控制的Matlab进行编程,并将其运动控制算法集成到常见的逻辑运算中,从而大大改善了PLC系统的运算功能。同时,与用于Web开发,大数据开发和Android开发的Java语言相对应,信息控制算法和功能可以集成到PLC控制平台中。开放的软件应用程序平台使Visual Studio,Eclipse,Matlab Simulink,PC Worx等能够首次执行多用户和多任务并行操作并实时共享数据信息资源。 PLC的功能不仅限于处理控制信息,还包括生产研发和管理的有效信息,这为ICT信息顺利进入OT领域开辟了渠道。互联网技术可以轻松地与PLC控制系统集成。从编程环境来看,已经满足了对控制系统垂直开发的上述要求。

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