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IT技术推动工业自动化六大发展趋势

话题调查中国仪表网2009年06月29日 16:37人气:779

最近几年,传统自动化技术与it技术加速了融合的进程,IT技术快速进入工业自动化系统的各个层面,改变了自动化系统长期以来不能与IT技术同步增长的局面。菲尼克斯电气公司顺应市场,抓住机遇,不断创新,推出了IT-Powered Automation (IT动力自动化)系统,从而推动了工业自动化系统的快速发展。基于Internet技术的IT包括:Windows, PC, Ethernet, Web Technology, Wireless和Security等技术,其中的每一项技术都推动着工业自动化系统新的发展趋势。

  趋势1 从集中自动化到分布式自动化:

  传统的工业自动化系统都采用具有集中运算能力的中央控制器,按照传统的软件技术,软件程序是面向过程的,编制面向过程的程序十分复杂,需要做大量程序编制的开发工作;与此同时,还要编写现场设备与控制系统、管理层的通信程序。

  微软公司的Windows平台提供了COM/DCOM技术,为实现分布式自动化提供了技术基础。COM提供了一种软件架构,它是可复用的二进制软件组件,它们之间可以相互通信并共享数据。一个完整的应用软件可以用这些组件适当地组合而成。DCOM可以使COM组件分布在不同的计算机上,并通过网络相互连接,相互交换数据,就像在本地一样。这样一来,系统应该允许程序不一定集中常驻在单个硬件设备中,允许软件对象模块分散于不同的硬件设备中,这些对象模块通过网络通信方式互相连接,构成一个完整的应用控制程序。这就意味着分布式设备、工具和应用所具备的性能起着与集中式应用一样的作用,因而系统中的所有对象和数据在任何时间都能被任何设备访问。分布式自动化的实现如图1所示。分布式自动化大大提高了系统的开放性、一致性和适用性,使系统具有统一的工程和数据模型,从而大大降低了工程项目从系统设计、系统集成、交付投运、开车运行直至技术维护阶段的成本。

  菲尼克斯电气公司AUTOMATIONWORX系统采用分布式结构,它利用INTERBUS现场总线和PROFINET工业实时以太网,将分布在现场的若干个设备、小系统以及控制/监视设备连接起来,所有设备一起运作,共同完成工业生产过程和操作中的测量和控制任务。正因为这样,AUTOMATIONWORX系统完全符合IEC 61499体系结构参考模型,AUTOMATIONWORX系统应用进程分布在一个设备或一组设备,这些设备通过通信网络(如Interbus、 Profinet、无线局域网、蓝牙等)实现互连,分布式应用进程共同完成对过程对象的监控。由此可见,AUTOMATIONWORX系统完全面向应用工程师,它利用标准的、开放的、分布的、可重用的组件块,通过一种明晰的、易于实现的链接关系连接起来,有机地组成不同的系统,以满足各种不同工程应用的需要。
  
趋势2 基于PC的自动化
  早期的PC机产生于办公自动化,不能适用于恶劣的工作环境,所以工业自动化系统都选用军品级Motorola处理机,以及使用Motorola芯片的专用工控机,直到现在很多公司PLC控制器仍保留使用M68系列的CPU芯片。随着技术快速发展,Intel微处理器和PC机性能不断提高,在工业领域的应用不断扩大,特别是PC的高效率和对硬件与软件几乎是无限制的开放,以PC为基础的共存标准十分丰富,使得PC在自动化领域的应用将以每年约20%的速度迅猛增长,见图2所示,2012年PC应用在市场的占有率将达到30%或更多。

  用于工业现场的PC称为工业PC,它具有高稳定性和高可靠性,配有专用键盘,紧急制动,一般不安装带有可移动部件的驱动器,同时使用机罩进行保护。基于PC自动化系统的典型配置是在工业PC中插入一个现场总线通信卡,通过现场总线与现场的各类I/O模块、控制模块相连就可以存取现场的所有数据,或通过智能外围设备处理过程数据,以完成传统PLC或DCS装置所能完成的各种数据处理和控制任务。

  菲尼克斯电气自动化系统的监控、监视和操作全部采用基于PC的自动化解决方案,可以提供机架型PC、机箱式PC和面板型PC等全系列工业PC产品范围,可以选择带显示器或不带显示器;选择6寸或19寸触摸屏;选择IP20或IP65防护等级;同时可以选择各种不同性能等级的处理器。基于进行编程,软件界面采用Windows视窗结构设计直观、操作简便,并具有在线编程性能。

  
趋势3 现场总线升级到工业实时以太网

  长期以来,由于现场总线争论不休,互通与互操作问题很难解决,于是现场总线开始转向以太网。经过近几年的努力,工业实时以太网技术已经被工业自动化系统广泛接受。菲尼克斯电气公司考虑到从现场总线到工业以太网一定要进行平滑过渡,应当保护制造商与用户在更新换代自动化产品和解决方案时所做的大量投资,决定支持最全面的工业以太网协议PROFINET。

  PROFINET使用以太网标准通信技术和it技术,如OPC、XML、COM/DCOM、DHCP、SNMP、FTP或HTTP、以及TCP/IP,与RT等技术一起共同实现制造过程最佳化,可直接访问控制和生产级的所有自动化数据,以提供给生产计划管理系统。为了满足不同的应用技术需求,PROFINET提供了两种方案:集成分布式I/O的PROFINET IO和在分布式自动化中创建模块化设备系统的PROFINET CBA。PROFINET IO为简单的现场总线设备提供一种集成模型,该简单设备相当于通常所说的分散I/O。在工程设计时,组件以熟悉的现场总线环境方式编址,通过设备描述和逻辑上分配控制器,使用指定的PC Worx工程工具实现集成。PROFINETCBA基于组件的体系结构模型,由于其定义了子系统及其设备之间的工程设计和通信,所以它支持将自动化功能分散于各个智能子系统。

  为了将Interbus现场总线的工作范围顺利地转到采用工业以太网解决方案,菲尼克斯电气公司特地使用了很多IT标准,在其基于以太网的解决方案中采用LLDP(数据链路层恢复协议)有助于故障的精确定位,并很容易替代具有物理拓扑检测功能的设备;使用RST(快速生成树)协议和快速环路检测能够重新构建带有超时短路开关冗余的数据路径,从而进一步提高了系统的可用性;采用虚拟LAN技术能够防止未经批准的访问,同时,处在Web管理范围内的设备能够很容易通过标准浏览器进行组态。因而,Interbus现场总线能够不受限制的转移为工业以太网通信,在PROFINET环境中仍能发挥Interbus的优越性,如高动态性能、本地化诊断、以及无需设置设备系统自动组态功能等。集成后的系统更具有优越性,由于熟悉工艺过程简化了工程设计,由于Interbus系统具有综合诊断功能而大大简化了调试与运行工作。

 

    趋势4 使用Web技术降低系统成本

  Web技术建立在客户机/服务器模型基础上,它基于HTML超文本标记语言和HTTP超文本传输协议,能够提供面向Internet服务的、一致的用户界面的信息浏览系统。其中Web服务器采用超文本链路来链接信息页,这些信息即可放置在同一主机上,也可放置在不同地理位置的主机上;文本链路由URL统一资源定位器维持,Web浏览器(即客户端软件)负责信息显示与向服务器发送请求。

  随着Web技术的日趋成熟,将Web技术用于工业控制已成为一个热点。通过在工业控制底层的现场设备中运行嵌入式Web服务器,可用标准浏览器在Internet的远端对这些设备进行访问与控制,通过存储在现场设备中的网页,动态地反映现场设备的运行状态以及执行操作后的反馈信息,从而实现了基于Web的远程监控、诊断和系统维护。工业控制采用Web技术具有如下优势:无须研发客户端软件,网络浏览器作为通用客户端的人机界面可运行于各个平台,而且没有许可权限制;浏览器界面简单,无需培训,易懂易用;可通过浏览器进行服务器端软件的下载、升级和更新,现场设备应用软件的管理和升级十分方便;以及服务器端软件可以进行自诊断,能实时进行故障报警和故障分析,从而缩短了故障响应和维修时间。

  AUTOMATIONWORX软件套装中Web Visit是基于Web技术软件,它提供快速简单的基于Java-Applet基础的用户界面,为可编程控制器的可视化提供解决方案。在按照习惯方式编辑显示页面以后,Web Visit能够为控制器的Web服务器自动生产文本,然后这些文本由Web Visit通过FTP加载到控制器。这样一来,在PC上就可以使用Web浏览器直接打开存储在控制器嵌入式Web服务器中的显示页面,在PC上无须增加任何软件,从而降低了系统成本。

  趋势5 无线通信技术成为工业自动化新的增长点

  工业无线技术为实现工厂内部设备之间和工厂内部设备与外部设备之间的通信提供了无线数据链路和灵活的网络拓扑结构。工业无线通信技术具有数据传输速率高、区域广泛、性价比优良、抗干扰性强、以及系统维护成本较低等优点,因而成为继现场总线之后,工业自动化领域的又一热点技术,已成为现有有线通信系统发展的重要补充。据推测,工业无线技术的广泛应用将使工业生产效率提高10%左右,具有强烈的市场需求和广阔的应用前景。为了适应市场各种应用

  的不同需求,菲尼克斯公司适时的推出了基于各种无线技术的系列产品。

  a).可信无线(Trusted Wirless)技术:

  可信无线技术是一种专用的工业无线技术,专用于对传输时间要求不严格的远距离信号传输,传输距离可达到几公里,特别适合于远程和施工困难区域的数据传输。

  b).蓝牙(Bluetooth)技术:

  蓝牙技术符合IEEE802.15.1标准协议,设计目的是取代电缆,在设备间实现自组织方式的无线连接。适用于周期性控制数据的快速传输以及带宽要求较低情况下的短距离无线传输,特别适合将自动化部件集成到本地现场总线或工业以太网。蓝牙工作在2.4GHz频段,最多可连7台设备。菲尼克斯蓝牙通信传输距离可达150米,可用于远程诊断、远程监控、远程编程和报警显示等。

  c).无线局域网(WLAN,IEEE802.11)技术:

  IEEE802.11是一个系列无线局域网标准,为设备间能提供高达54Mbps吞吐量的网络连接。使用WLAN可以构成具有数百个设备的强有力的无线网络。适用于要求具备漫游功能的大带宽结构和远程网络应用领域。由于WLAN能很好地集成到工厂网络,因而用于移动监视操作和数据采集很理想,能够实现在PROFINET IO系统中监控单元之间以及连接到I/O单元的快速通信。

  d).无线 HART 技术:

  为了满足过程工业自动化的需求,菲尼克斯公司支持无线HART技术。无线HART采用IEEE802.15.4和TSMP(时间同步网络拓扑)协议,它在把无线功能加入HART通信协议的同时,与现存的HART设备、命令和工具完全兼容,用户投资得到很好保护。

  菲尼克斯公司系列化的无线产品能够提供无线MUX,无线I/O、蓝牙接入点、无线以太网接入点和以太网客户端以太网高速无线接入方式等无线解决方案,以满足工业自动化领域的各种应用需求。

  
趋势6 工业网络信息安全转向硬件解决方案

  众所周知,在办公应用环境,计算机病毒和蠕虫往往会导致公司网络故障,因而办公网络的信息安全越来越受到重视,通常采用杀毒软件和防火墙等软件方案解决安全问题。在工业应用环境,恶意软件的入侵,将会造成生产线停顿,导致严重后果。因而,工业网络安全有更高要求,办公应用的信息安全解决方案已不能满足这些需要。于是,工业以太网开始采用基于工业防火墙/VPN技术相结合的硬件解决方案。工业防火墙用于保护内部网络免受外部网络的干扰,阻止未授权访问。VPN虚拟专用网络机制是使用加密的数据通道在公共的网络上实现的一种闭合的通信结构。

  根据上述概念,菲尼克斯电气公司推出了MGUARD系列具有防火墙和路由器功能的硬件安全组件。这些组件的保护方式灵活,安装简便,易于升级现有的设备。它可以保护所有的现有网络,整个生产单元或单独的自动化组件,无需重新组态现有的站点或改变网络拓扑结构。从而实现工业网络的三重安全保护功能。
  对于工业自动化系统来说,其关键技术是工业网络,核心技术是信息集成。信息集成包括水平集成和垂直集成。水平集成是工厂内部各子系统之间的信息集成。垂直集成是从现场到控制、监控、优化、MES直到ERP和供应链数据的信息集成。很显然,信息集成完全依赖于IT技术。我们完全相信,IT技术将会进一步加强与自动化技术的融合,推动工业自动化更加快速发展。

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