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應(yīng)用設(shè)計

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貝加萊(B&R)PCC——一種新型的定性分時多任務(wù)PLC技術(shù)

貝加萊(B&R)PCC——一種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遠超越了當初的“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時多任務(wù)操作系統(tǒng)(Real Time multi-tasking Operation System)的可編程計算機控制器(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,但事實上在一個控制系統(tǒng)中,雖然往往有一些數(shù)據(jù)量是實時性要求很高的,但也有很多大慣性的模擬量是沒有太高實時要求的,如果采用同樣的刷新速度其實是對資源的浪費,而且循環(huán)順序掃描的運行機制也直接導(dǎo)致了系統(tǒng)的控制速度嚴重依賴于應(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最大的特點就在于其引入了類大型計算機的分時多任務(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)的運行機制,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,滿足了真正實時控制的要求,而且這種控制周期是可以在CPU運算能力允許的前提下,按照用戶的實際要求而做相應(yīng)設(shè)定。
傳統(tǒng)PLC運行模式傳統(tǒng)PLC運行模式
貝加萊PCC-定性分時多任務(wù)操作系統(tǒng)的運行模式 基于這樣的運行平臺,PCC的應(yīng)用程序可分為多個獨立的任務(wù)模塊,這樣給便應(yīng)用軟件的開發(fā)帶來了極大的便利,因為工程師可以方便地根據(jù)控制項目中各子系統(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)同運行,因為這些模塊既相互獨立運行,而數(shù)據(jù)間又保持一定的相互關(guān)聯(lián),由他們共同實現(xiàn)項目的控制要求。在這多個任務(wù)中,根據(jù)不同任務(wù)對實時性能的不同需求,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)的運行機制,采用大型應(yīng)用軟件的模塊化設(shè)計思想,還帶來了項目開發(fā)效率上的提高,有著常規(guī)PLC無法比擬的靈活性。因為多任務(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)自己獨有的而又同時具有通用性的獨立功能模塊,并將其封裝以便于日后在其他應(yīng)用項目中重新使用。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,從而實現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)學(xué)運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,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、步進電機驅(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通道進行數(shù)十點、數(shù)百點至數(shù)千點的擴展與聯(lián)網(wǎng)。在PCC模塊內(nèi)部,CPU的數(shù)據(jù)總線與IO總線分離,并配置有獨立的I/O處理器,特有的時間處理單元(TPU)在不增加CPU負荷的前提下,高速處理無論簡單或復(fù)雜的定時任務(wù),其基準計時頻率可高達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50萬小時。 PCC在遠程通信方面的靈活性,是區(qū)別于常規(guī)PLC的另一顯著標志,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時工業(yè)以太網(wǎng)概念的時候,便在全球第一次推出并實用化了真正意義的實時工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò),這也是全球第一個開放的安全級(SIL3)實時工業(yè)以太網(wǎng)。2007年初該公司又已經(jīng)發(fā)布其實現(xiàn)了千兆級實時工業(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,輕松實現(xiàn)與各種不同產(chǎn)品,不同通信協(xié)議的高效互聯(lián)。
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