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工业控制器:过去、现在和未来

  自可编程逻辑控制器PLC)问世以来,各种自动化控制器已迁移到工业应用中,包括可编程自动化控制器(PAC)和当今的边缘可编程工业控制器(EPIC)。在成本、占地面积、输入/输出(I/O)密度、现场总线兼容性、通信、编程功能和处理速度等方面,用户有更多选择,领先的控制器供应商之间的竞争也愈演愈烈。
  对于市场来说,多样性通常是有益的,但它也可能会使工程师和最终用户感到沮丧。选择某个控制平台是一项长期投资,随之会带来相关开销,例如培训和支持合同。决策者希望他们投入的资金能物有所值。
  但在对该问题表示支持之前,不如先看看这个行业是如何发展的。不同控制解决方案发展趋势,背后的推动力是什么?目前这些趋势如何发挥作用?未来,用户如何对自动化进行投资,才能确保获得成功?

图1:得益于数十年的技术集成,当今的边缘控制器,可以提供多种I/O功能、多个通信接口以及嵌入式HMI和编程功能。图片来源:Opto22

  工业控制器的演进模式
  研究过去几十年自动化控制领域的进步,能够清晰的看到一些特定技术的迭代是如何推动新的I/O和控制功能发展的。
  例如,在开发第一个I/O系统时,现场控制传感设备还依赖于电磁和气动组件,这些组件受到物理性能的限制,它们的使用寿命会受到影响。固态继电器等紧凑的低压组件,推动用户提出更多选择需求,以将I/O直接集成到他们的系统中。这导致了第一个模块化I/O的出现,与此同时,电子公司将高科技计算带入主流。这些系统中的敏感电子设备,需要通过外部I/O才能与现实世界交互。这就是第一个可串行寻址的I/O机架,该机架是PLC中基于机架的I/O的替代方案。
  从专用的、独立的I/O设备到模块化I/O,再到总线I/O,都体现了工业控制中的复用理念。下一代控制平台结合了嵌入式I/O处理电路。模块从1个I/O通道扩展到32个通道,到现在将I/O内置到PLC和其它单体设备中。在某些情况下,经过适当的组态,每个I/O通道都可以接受各种不同的信号类型。
  这种模式展示了创新是如何在整个行业中传播的:随着时间的推移,单个创新变得模块化,与其他技术合作,然后嵌入到这些技术中,成为新的创新周期的一部分。
  对于PLC和PAC,这种模式提供了体积更小的控制器和I/O模块。由于数学和编程处理器功能已直接集成到控制板以及其它设备(例如I/O、变送器和网络网关)中,因此在“每平方英寸”上实现了更大的计算能力。随着时间的推移,相同的模式,也体现在新嵌入式通信接口和协议标准向控制器迁移的过程中。

图2:早期的PAC依靠PC技术提供更广泛的功能集,包括离散、模拟和串行通信以及高级编程语言.

  不同技术的相互融合
  相互融合的趋势与集成周期交织在一起,工业控制市场之外的技术创新,也逐渐进入了控制器。从总线I/O的历史上看,可以看到这种趋势是如何导致了新控制器功能的开发。
  从串行总线I/O,延伸出并行I/O总线和其它解决方案,这些解决方案使迷你和微型计算机可以与I/O进行交互。这也激发了开发独立I/O通信处理器的想法,该处理器将I/O与计算机分离,允许具有通信端口的任何计算机与之交互。
  随着I/O模块和处理器的改进,早期的混合控制器也能提供模拟信号处理功能,当时只有在分布式控制系统(DCS)中才有这种功能。由于梯形逻辑程序(一种PLC编程语言)的最初目的不是处理模拟数据格式,因此导致了用于混合控制器的新编程语言的诞生。
  然后,低成本的IBM PC替代产品开始涌入市场。由于PC是混合系统的主要控制功能,因此引发了对可靠性的担忧。供应商开发经过工业强化的替代方案意义重大,该替代方案将早期混合解决方案的I/O、网络和编程组件整合为一个系统,这就是后来的PAC系统。PAC使用与PC相同的处理器,并且可以提供一种功能集,填补了低成本、基于PLC的离散控制和高成本、基于DCS的过程控制之间的利基市场。
  高科技企业和个人电脑市场的创新,为工业控制的发展带来了机遇。伴随着运营技术(OT)与信息技术(IT)领域的融合越来越多,这种趋势开始加速。例如,近年来出现的移动解决方案浪潮。它也体现在对大数据、云分析和机器学习支持的推动中,这是诞生在工业自动化领域之外的技术。

图3:现代工业控制系统继续朝着连接性更高的方向发展,例如直接连到云端的I/O。

  面向未来的控制器
  随着越来越深入的技术集成、行业之间更大的融合,以及设备与系统之间更大连接性趋势的持续发展,未来的控制器会带给我们什么?
  工程师应该如何选择,以确保他们能够顺应技术潮流并帮助企业获得最大收益?下面的3个建议有助于制造企业选择合适的控制技术来实现目标。
  1.专注于设计而非功能
  了解到随着时间的推移,技术将不断改进,变得更加紧密地集成和嵌入,因此有必要优先考虑在控制系统方面的投资,这些方面不能轻易或迅速地改变。工程师们需要强调的是控制系统的架构,而不是时下一些夺人眼球的功能。
  2.寻找外部创新
  如果工程师设计的系统,能够随着时间的推移而发展,可以跟上数字化转型的步伐,进而减少维护和返工,那就能够打动最终用户,他们会记得,决定未来的技术通常来自于行业之外。
  3.保持开放的心态
  专有技术市场份额的争夺战阻碍了创新,而支持开放标准则为每个人提供了无限可能。连接性是工业4.0的目标指标之一,随着连接性的提高,工程师需要投资于可以为不同系统的协同工作创造机会的技术。