您现在的位置:智能制造网>SCADA频道 >行业资讯

注册送20元体验金

2018年12月22日 11:28:59来源:控制工程网作者:华镕关键词:SCADA系统
  最早的HMI:7段码LED
 
  最早的对人机界面的要求来自于:控制系统需要显示定时器和/或计数器的值,80年代已经进口了很多品牌的PLC(可编程控制器),记得有些大型的PLC的CPU上有2-3位的7段码显示(例如三菱的A系列),但大多数小型PLC没有这样的显示。如果要实现PLC中定时器和计数器的外设置和外显示,需要PLC本身内置的定时器和计数器支持这种功能,否则要自己编制定时器和计数器。
 
  为了让PLC实现这种功能,就要占用PLC的I/O口,当时的离散量I/O口每个价值60-80RMB,所以使用静态的输出,如果一个数字位按BCD码输入占4个输出点的话,4位数字的定时器或者计数器要用掉16点,就是960RMB,确实一比大的开销,所以大部分用户不舍得采用这种方式。
 
  因为PLC的工作方式为扫描方式,人们会想到:是否可以采用输出点来切换输入点和输出点,并且配合程序实现:一个通道分时输入或者输出多个数据?答案是的确可行的,甚至有些日系PLC的厂家,专门提供所谓动态输入和动态输出模块,一个16点输入加16输出的混合模块,可以支持128点的输入;一个16点输出加16点输出的输出模块,可以支持128点的动态输出。这样,显示的成本就大大降低了。
 
  当然,使用标准的PLC,对外部电路稍加改进,在对这种应用编制一套标准程序,也可以实现相同的功能。例如,我们在FA/PA的展览会上,可以看到这样的产品:产品通常为4位7段码的LED显示屏,只用3-4个点就完成了动态的数字显示,可参考下面的链接:http://www.einfunc.com.cn/查看详情。当然,这是在没有RS232C、RS485或者其他网络的情况下是有效的,随着PLC网络功能的提高,把PLC和显示器都连在网上是现今的发展方向。
 
  PLC自带的HMI:编程器
 
  上世纪80年代,很多大牌的自动化厂家都推出了自己的PLC品牌,如美国的AB公司、Modicon公司、GE公司、SquareD公司和TI公司,欧洲有SIEMENS公司、TE公司等,因为当时的个人电脑还不是很普及,所以编程设备一般都由自己研制开发,PLC一般用梯形图语言编程(源于继电器梯形逻辑),大多PLC厂家推出基于CRT的专用编程设备,即贵操作也不方便,但用户没有选择,否则无法实现PLC的编程。
 
  编程器应该是天然的HMI,因为编程任务完成之后,通常可以在线调试,直到控制器能够正常、稳定执行工艺要求后,才算告一个段落。如果编程器在生产正常运行时连接PLC,那么就是一台标准的HMI,可以从中读取当前现行值,还可以改变设定值。随着工艺要求的变化和机电产品的更新,经常要对已有的程序进行更改。当然,还有工厂或者车间提出的优化、节能、可靠、以及安全的要求,也要对程序进行改进。这都是暂时情况,正常的生产是长久的状态。
 
  但是使用编程器做为HMI有些问题,第一,成本非常高,图形编程器的价格动辄就是上万、甚至几万块RMB;第二,编程器通常直接接驳PLCCPU的编程口,一般是RS232的串行口,距离不超过15m,很难连接到中控室。为了解决距离问题,有些厂家开发了长距离RS232电缆,通过光隔离的办法,距离增加到了2-6公里。第三,编程口只能支持一对一的方式,无法实现一台编程器对多台PLC的方式。因为当时的PLC还没有多个网络接口,所以联网不是很方便。当时也有一些厂家开发出一对多的RS232转换器,但不能同时连接。
 
  为了解决编程器比较贵的问题,日本的很多PLC厂家开发出了简易型编程器,把昂贵的CRT型编程器改变成基于LCD的插拔式或者手持式小型编程器,该设备只提供基于助记符(梯形图的文字描述,类似于IEC1131-3中的IL语言)语言的输入和调试,通常没有存储程序的功能,所以编程器必须连接到PLC的CPU才能操作。在编程调试工作完成后,可以拔下来对另一台PLC编程调试。如果控制器所控制的设备参数要经常监视和调整的话,也可以用编程器代替HMI使用,因为它的价格已经降到一千多块RMB了。
 
  PLC厂家专有的HMI
 
  最早的现场总线Modbus在1978年才出现,所以在80年代,基本上采用的私有协议进行编程和调试。这样也就决定了只有厂家本身才能开发HMI,因为即使有第三厂家开发了HMI,如果不知道通信协议,还是无法连接PLC。
 
  HMI的需求是由生产过程中,经常要监视流程和数据变化、经常要对一些设置参数更改而提出的。另外,传统的操纵台上有很多按钮、开关、指示灯,对于比较简单的操作、显示没有问题,但随着工艺的复杂和变化,就显得比较吃力了。就像对待PLC的态度一样,一开始很多人不认可,甚至会问PLC比继电器强在哪儿?能提高可靠性吗?现在是没有人这样问了,而且达成了共识:超过10个继电器,一定要用PLC!同理,如果开关按钮超过了10个,一定要用HMI!因为价格已经较低,还有多种选择,占用的地方还小。
 
  HMI的种类确实不少,从尺寸讲,有3.5寸、5.5寸、6.5寸、……至10.4寸、12.1寸、15.1寸等,图形终端有黑白和彩色之分,从分辨率来说有320X240、640X480、800X600、1024X768、1280X1024…,输入方式有:功能键、键盘、触摸屏等,支持的通信接口有:RS232、USB、RS485、以太网、远程I/O等。除了图形的HMI之外,还有一种信息显示屏,通常采用LED矩阵、红色或者三色的面板显示器,一般有1行、2行、3行、4行、5行,每行20-40个字符的显示,除了ASCII字符外,还可以用户定义图形和字符。
 
  HMI也有编程和非编程之分。不编程的HMI有点像打印机,PLC内部需要对HMI显示的内容进行编程,使用专门的显示功能块,对HMI“打印”输出,这种情况多半是对应上面介绍的字符型显示终端,偶尔也有带功能键输入的情况。编程的HMI占有大多数的图形终端市场,因为显示的内容比较丰富,有流程、数字、趋势、报警等画面,还有功能键、触摸屏、口令密码、通信接口的定义和配置,因此也有相当大的工作量。
 
  早期的SCADA:PC单机版
 
  上世纪90年代,最畅销的SCADA软件应该是Wonderware 的Intouch和Interlution的Fix了。这两款软件的特点是:简单易用。比如Intouch,具有开发环境和运行环境,先在开发环境下,建立你的流程、趋势、报警等画面,然后切到运行环境,就可以观察动态的效果了。两个软件都提供大量的预先制作好的图形元件和组件,有些还是动态的,包括颜色、形状、位移、旋转等,工厂中常见的电机、汽缸、风扇、传送带、各种指示灯、按钮、开关、控制器、人机界面、变频器都有相应的图形,还有事先准备好的各种趋势和报警组件,开发者要做的,就是把这些图形和相关的变量进行连接,这使用户很快就能完成页面制作,所以很受用户欢迎。
 
  为了尽可能多的连接不同品牌的PLC和不同的通信协议,这两个软件带了很多的驱动程序,有些是免费的,有些要收费。所以用户还有一个重要的任务是:在连接不同的PLC时,要确定每台PLC采用的通信协议,安装该协议,然后对SCADA采集PLC的数据进行相关配置,比如PLC的协议、网络地址、采集间隔等。拿Modbus协议举例,因为有两种传输格式:RTU和ASCII,所以用户先要确定;然后再定义起始码和停止码的个数;再确定是否需要校验位,有奇校验、偶校验、无校验之分;还要确定传输速度,有300、600、1200、2400、4800、9600、19200波特率可选。缺省的Modbus-RTU的参数为:8、1、e、9600;即8位数据位,1位停止位,偶校验,9600bps。如果甚至无误,SCADA-PC就可以从PLC中读取数据了。
 
  这样的SCADA系统有两个问题,一是要连接多种PLC时,要安装多个通信驱动程序,增加PC工作量;二是在有多台SCADA系统时,网络会非常的忙碌,因为每台SCADA要对每台PLC进行轮询,当数据量比较大时,网络会不堪重负。这两个问题随着PC机、网络性能的提高和价格的降低,出现了服务器-客户机模式,终于得到了解决。
 
  改进的SCADA:服务器-客户机模式
 
  为了优化工厂网络的负载,往往把PLC网与SCADA网络分开,因此两个网络相互分开,各自独立,这就保证PLC之间数据与SCADA之间的数据不再相互干扰。连接两个网络的设备就是服务器。服务器负责与所有PLC的数据交换工作,并且提供给所有的SCADA客户机进行显示。所以服务器的角色变成了数据传送、数据处理、数据存储,就是一台实时数据库,有时也是一台历史数据库,这要由用户应用来决定。
 
  由上述结果可以看出,前面的第二个问题:网络负载问题已经解决。那多通信驱动程序的问题呢?答案是:OPC(OLE for Process Control)可以解决这个问题。括弧内的意思是:用于过程自动化的OLE(Object Linking and Embedding),OLE的意思是对象的链接与嵌入。所以完整的OPC翻译应该是:用于过程控制的对象链接与嵌入。是否很拗口,也非常费解?简单地说,OLE是微软推出的一种技术,目的是实现Office产品中各种对象链接,比如Excel表可以嵌入Word中,Word可以粘贴到Powerpoint中,等等。当然,微软也参与了OPC标准的制定,这里的OPC只是使用了OLE的概念,意思是任何一台SCADA客户机都可以连接任何一台厂家的PLC,其实在技术上和OLE没有什么关系。
 
  下面我们看看OPC是如何工作的,并且给我们带来什么好处。通常,PLC厂家要开发相对于自己PLC产品的OPC服务器,也就是说,OPC至少要可以连接自己生产的PLC产品。比如,罗克韦尔自动化的OPC服务器,至少可以连接DH485、DH+、EtherNet/IP、ControlNet、DeviceNet、RemoteI/O等网络。施耐德电气的OPC服务器,至少可以连接ModbusTCP、Modbus plus、Modbus RTU/ASCII、Etherway、Fipway、Unitelway等网络。这样一来,用户如果需要连接罗克韦尔的PLC,只需要购买罗克韦尔自动化的OPC软件,就实现了OPC服务器的基础,如果要实现SCADA客户机功能,可以选择FactoryTalk相关软件,或者第三厂家的软件,只需要支持OPC接口即可。
 
  显而易见,OPC服务器完成了服务器到PLC连接、数据通信的工作,而画面显示部分交给了支持OPC接口的SCADA客户机软件。对于用户而言,只要一个通信驱动程序:OPC即可。要说明的是:OPC是基于以太网的协议,因此比一般的工业现场总线的速率要高很多。如果工业现场除了罗克韦尔的PLC之外,还有施耐德和西门子的PLC,那就需要用户购买施耐德和西门子的OPC软件,这样就可以实现在一台SCADA客户机上,显示多台PLC的数据内容了。
 
  新一代的SCADA:Web服务器和浏览器模式
 
  我们这个时代最重要的发明莫过于因特网了,而因特网中最重要的发明莫过于浏览器了。这有点像计算机和Windows的关系:Windows极大推动了计算机的普及,而浏览器极大推动了因特网的普及。
 
  下面我们简单说说浏览器是如何工作的。其实我们可以想一想,如果没有网站的内容,浏览器本身并没有实际意义,所以网站与浏览器是一种互动关系。这里我们要指出的是Web服务器和Web浏览器的关系。前面的客户机-服务器(Client-Server,C/S)关系,目前转换成了浏览器-服务器(Browser-Server, B/S)关系。这里的服务器,我们称之为Web服务器,因为它提供的内容是使用标记语言(Markup Language)写出的,客户机必须安装Web浏览器,比如Internet Explore、Firefox、Safari等,然后使用TCP/IP网络实现B/S通信,这就完成了一种Web服务。
 
  工业自动化的工程师总在想,是否可以把当今的IT技术应用到工厂控制中来呢?答案是肯定的,比如可以用浏览器-服务器方式实现SCADA的功能,现在有很多SCADA厂商已经实现了这个功能。比如,罗克韦尔自动化的FactoryTalk ViewPoint产品,就可以实现SCADA画面的Web服务器的发布,这样在客户机端就不用安装SCADA软件,而直接用浏览器观察工厂的动态画面了,甚至客户机不一定是计算机,只要支持Web浏览器的设备即可,比如手机、iPOD、PDA等,介质也从有线扩展到了无线。这也可以称之为一种应用创新吧。
 
  HMI与SCADA的融合
 
  从传统概念上讲,放在现场中的人机界面被称为HMI(最早称为MMI,因为第一个M为Man“男人”的意思,有性别歧视的嫌疑,所以后来该成H,即Human“人类”了),而放在中控室、在计算机上运行的软件被称为SCADA。
 
  但现在的情况发生了变化,几乎每个自动化厂商都推出了自己品牌的工业计算机或者称工控机,它应该是一种经过加固的商用计算机,提高了相关的抗冲击、抗振动、抗电磁干扰、抗灰尘、抗电源波动、抗温湿度变化等参数,以适应在工业现场的使用。这些工控机大多数使用微软的操作系统,运行的就是SCADA软件!
 
  我们现在可以看到:如果按这种方式的应用,SCADA=HMI,也就是说,HMI和SCADA的界线已经模糊了,或者说HMI与SCADA已经发生融合了。这也有点像IT中的工作站和个人计算机,从功能上很难区别二者了,工作站能做的事情,PC也照样可以做;也有点像工控中的DCS和PAC(PLC),从性能上讲也不分伯仲了,DCS中组态的功能,PAC也全部可以完成。其实人机界面最终叫什么名称并不重要,重要的是:能以最佳的性价比为用户解决实际的问题。
 
  下面的问题对于用户而言是非常的实际,是否有这么一款软件,即可以用于一般的HMI上,也可以用于SCADA系统上?因为用户只要熟悉一个软件,即可以对HMI编程,也可以对SCADA编程。即节省了购买软件的费用,又节省了学习软件的培训费用。应该说,由于对产品的集成情况不同,有些厂家做到了,有些厂家还不行。比如罗克韦尔自动化的软件:FactoryTalk View Machine Edition,即可以对PanelView Plus系列的HMI编程使用,也可以在微软操作系统的PC机上做为SCADA运行。理论上讲,可以编程一次,多处运行。同时为用户节省了开发的时间,保持了HMI和SCADA的一致性。
 
  从这个例子可以再次证明,HMI和SCADA的界线已经不存在了,存在的只有用户的选择,技术的屏障已经推翻。如何根据需求来部署人机界面,使工厂的制造过程最优化,是集成商和用户最终要考虑的问题。
  • 凡本网注明"来源:智能制造网的所有作品,版权均属于智能制造网,转载请必须注明智能制造网,http://www.khola-janala.com。违反者本网将追究相关法律责任。
  • 本网转载并注明自其它来源的作品,目的在于传递更多信息,并不代表本网赞同其观点或证实其内容的真实性,不承担此类作品侵权行为的直接责任及连带责任。其他媒体、网站或个人从本网转载时,必须保留本网注明的作品来源,并自负版权等法律责任。
  • 如涉及作品内容、版权等问题,请在作品发表之日起一周内与本网联系,否则视为放弃相关权利。

热门频道