新型的定性分時多任務(wù)PLC技術(shù)

新型的定性分時多任務(wù)PLC技術(shù)

自1969年世界上誕生了第一臺可編程邏輯控制器（PLC）以來，可編程控制技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域便一路高歌，取得了極為廣泛的應(yīng)用。但是在這過去的30多年里，計算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)以及自動控制技術(shù)的飛速發(fā)展，使得工程師們在工業(yè)應(yīng)用中對于控制器的功能需求也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了當(dāng)初的“順序邏輯控制”的簡單期望。

來自于奧地利的貝加萊（B&R）工業(yè)自動化公司便是敏銳地捕捉到這一技術(shù)需求的變化，早在1994年便在全球第一個推出了基于定性實(shí)時多任務(wù)操作系統(tǒng)(Real Time multi-tasking Operation System)的可編程計算機(jī)控制器（PCC—Programmable Computer Controller），時至今日，仍然代表了這一創(chuàng)新技術(shù)的發(fā)展趨勢，成為新一代自控工程師的新寵。

我們知道，常規(guī)的PLC大多依賴于單任務(wù)的時鐘掃描
或監(jiān)控程序，來處理程序本身的邏輯運(yùn)算指令以及外部的I/O通道的狀態(tài)采集與刷新，整個應(yīng)用程序采用一個循環(huán)周期，但事實(shí)上在一個控制系統(tǒng)中，雖然往往有一些數(shù)據(jù)量是實(shí)時性要求很高的，但也有很多大慣性的模擬量是沒有太高實(shí)時要求的，如果采用同樣的刷新速度其實(shí)是對資源的浪費(fèi)，而且循環(huán)順序掃描的運(yùn)行機(jī)制也直接導(dǎo)致了系統(tǒng)的控制速度嚴(yán)重依賴于應(yīng)用程序的大小，應(yīng)用程序一旦復(fù)雜龐大，控制速度就必然降低。這無疑是與I/O通道高實(shí)時性控制的要求相違背的。

而貝加萊PCC系統(tǒng)的設(shè)計方案則完美地解決了這一問題，與常規(guī)PLC相比較，PCC最大的特點(diǎn)就在于其引入了類大型計算機(jī)的分時多任務(wù)操作系統(tǒng)理念，并輔以多樣化的應(yīng)用軟件設(shè)計手段，由于分時多任務(wù)的運(yùn)行機(jī)制，使得應(yīng)用任務(wù)的循環(huán)周期與程序長短無關(guān)，而是由設(shè)計人員根據(jù)工藝需要自由設(shè)定，從而將應(yīng)用程序的掃描周期同真正外部的控制周期區(qū)別開來，滿足了真正實(shí)時控制的要求，而且這種控制周期是可以在CPU運(yùn)算能力允許的前提下，按照用戶的實(shí)際要求而做相應(yīng)設(shè)定。

傳統(tǒng)PLC運(yùn)行模式

貝加萊PCC-定性分時多任務(wù)操作系統(tǒng)的運(yùn)行模式

基于這樣的運(yùn)行平臺，PCC的應(yīng)用程序可分為多個獨(dú)立的任務(wù)模塊，這樣給便應(yīng)用軟件的開發(fā)帶來了極大的便利，因?yàn)楣こ處熆梢苑奖愕馗鶕?jù)控制項(xiàng)目中各子系統(tǒng)的不同功能要求，如數(shù)據(jù)采集，報警，PID調(diào)節(jié)運(yùn)算，通信控制等，開發(fā)相應(yīng)的控制程序模塊(任務(wù))，在分別編制和調(diào)試之后，可一同下載至PCC的用戶程序存儲器中，在多任務(wù)操作系統(tǒng)的調(diào)度管理下，并行協(xié)同運(yùn)行，因?yàn)檫@些模塊既相互獨(dú)立運(yùn)行，而數(shù)據(jù)間又保持一定的相互關(guān)聯(lián)，由他們共同實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的控制要求。在這多個任務(wù)中，根據(jù)不同任務(wù)對實(shí)時性能的不同需求，設(shè)計人員可以指定不同的優(yōu)先等級即確定的循環(huán)周期，從而實(shí)現(xiàn)確定的分時多任務(wù)控制。即便某個任務(wù)處于等待狀態(tài)，別的任務(wù)也可繼續(xù)執(zhí)行。

這種多任務(wù)的運(yùn)行機(jī)制，采用大型應(yīng)用軟件的模塊化設(shè)計思想，還帶來了項(xiàng)目開發(fā)效率上的提高，有著常規(guī)PLC無法比擬的靈活性。因?yàn)槎嗳蝿?wù)的思想使得各個任務(wù)模塊的功能描述更趨清晰簡潔，用戶可以自行開發(fā)自己獨(dú)有的而又同時具有通用性的獨(dú)立功能模塊，并將其封裝以便于日后在其他應(yīng)用項(xiàng)目中重新使用。而且各個不同的任務(wù)甚至可以由開發(fā)小組的不同成員分別編制，不同的開發(fā)人員基于共同的約定，可以靈活選用不同編程語言，這就意味著不僅在常規(guī) PLC上一直為人們所熟悉的梯形圖，指令表等符合IEC6113-3規(guī)范的通用語言可以在PCC上繼續(xù)沿用，而且用戶還可采用更為高效直觀的高級語言，比如ANSI C 和Automation Basic，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算功能和過程控制算法。而且所有這些編程語言，PCC都采用“符號變量”來標(biāo)識外部I/O通道及內(nèi)部寄存器單元(例如用戶可用motor_run來代表某開關(guān)量輸出通道，button_down代表某開關(guān)量輸入通道)。這樣，軟件開發(fā)人員毋需熟知 PCC內(nèi)部的硬件資源分布，而只須集中精力于項(xiàng)目本身的工藝要求，即可迅速編制出結(jié)構(gòu)清晰功能明確的控制程序來。

PCC在硬件上的特點(diǎn)，還體現(xiàn)在它為工業(yè)現(xiàn)場的各種信號和應(yīng)用設(shè)計了許多專用的接口模塊和功能模塊，如溫度、張力、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動、示波器、鼓序列發(fā)生、脈沖編碼，稱重、超聲波信號等等。它們將各種形式的現(xiàn)場信號十分方便的接入以PCC為核心的數(shù)字控制系統(tǒng)中，用戶可按需要對I/O通道進(jìn)行數(shù)十點(diǎn)、數(shù)百點(diǎn)至數(shù)千點(diǎn)的擴(kuò)展與聯(lián)網(wǎng)。在PCC模塊內(nèi)部，CPU的數(shù)據(jù)總線與IO總線分離，并配置有獨(dú)立的I/O處理器，特有的時間處理單元（TPU）在不增加CPU負(fù)荷的前提下，高速處理無論簡單或復(fù)雜的定時任務(wù)，其基準(zhǔn)計時頻率可高達(dá)6.29MHz，因此目前被廣泛應(yīng)用于測頻測相及PWM等極高精度的時間處理場合中。而其所有數(shù)字量輸入端都經(jīng)過了光電耦合隔離，模擬量輸入端也都經(jīng)過了RC濾波處理，因此具有很好的抗干擾能力，其整體硬件平均無故障時間MTBF高達(dá)50萬小時。

PCC在遠(yuǎn)程通信方面的靈活性，是區(qū)別于常規(guī)PLC的另一顯著標(biāo)志，作為構(gòu)成現(xiàn)場分布式控制的主要供應(yīng)商之一，貝加萊PCC為此提供了十分靈活多樣的解決方案。除開放式現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡(luò)方案之外，PCC還提供了多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，用戶不僅可以采用貝加萊的獨(dú)有網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，也可以方便的與其他廠家的PLC或其他工控設(shè)備聯(lián)網(wǎng)通信(如Siemens，AB， Modicon等)，在一些特殊情況下，PCC還為用戶提供了創(chuàng)建自定義協(xié)議的幀驅(qū)動（Frame drive）工具。特別值得一提是Ethernet POWERLINK網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，這是2001年貝加萊公司在競爭對手還在討論實(shí)時工業(yè)以太網(wǎng)概念的時候，便在全球第一次推出并實(shí)用化了真正意義的實(shí)時工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)，這也是全球第一個開放的安全級（SIL3）實(shí)時工業(yè)以太網(wǎng)。2007年初該公司又已經(jīng)發(fā)布其實(shí)現(xiàn)了千兆級實(shí)時工業(yè)以太網(wǎng)Ethernet POWERLINK的消息。由于具備這樣的技術(shù)優(yōu)勢，PCC常常能解決許多常規(guī)PLC所望塵莫及的通信難題，輕松實(shí)現(xiàn)與各種不同產(chǎn)品，不同通信協(xié)議的高效互聯(lián)。

目前，B&R公司的PCC主要由2005系列、2003系列以及X20 CPU系列構(gòu)成，由于在網(wǎng)絡(luò)通信方面的開放性和結(jié)構(gòu)上的模塊性，三種系列的PCC在構(gòu)成控制系統(tǒng)的規(guī)模上，往往是十分靈活可塑的。也正順應(yīng)了PLC、IPC及DCS技術(shù)相互融合的發(fā)展潮流，因此貝加萊的PCC控制器攜其DCS系統(tǒng)APPROL目前在越來越多的工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域中，日益顯示出了其不可低估的發(fā)展?jié)摿Α?

PCC 作為一種可編程計算機(jī)控制器，它是專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計的，是一種新型的定性分時多任務(wù)PLC，它不但具備傳統(tǒng)PLC的所有功能，同時融合了最新的IT網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和可選的高級語言編程環(huán)境，具有更強(qiáng)大的數(shù)學(xué)運(yùn)算能力、網(wǎng)絡(luò)通信能力、抗干擾能力和控制能力，從而代表了PLC今后發(fā)展的方向，具有更高的可靠性、更豐富的功能和更廣泛的適應(yīng)性