自动化控制系统基本知识 如何选择机器自动化控制系统

升级控制平台可以防止以后系统过时，提高系统灵活性，提升技术或满足成本要求等。图片来源：Beckhoff Automation

作者 | Doug Schuchart，Beckhoff Automation

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在升级控制器和自动化平台时，除了要提升系统的灵活性和功能，还需要考虑成本因素。

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在任何行业，设备和控制系统的升级都是维持有效运营的一个重要、不可避免且经常令人痛苦的任务，尤其是订单执行和包裹领域。这些升级对于实现最高性能、确保设备能够满足不断增长的需求非常重要。控制系统的升级还可提升运营效率和功能，最终通过工业4.0 和工业物联网（IIoT）保护和扩展设备投资甚至是技术本身。

尽管从电子产品和处理器的生命周期来讲，控制系统的升级是不可避免的，但伴随而来的并不总是痛苦。工程师们可以通过良好规划和合理决策，来缓解令人头疼的问题， 并消除在决定是否延长设备寿命时，许多公司所面临的“撕裂”。

在规划机器控制系统升级时，首先要考虑升级系统的目标。公司是否需要通过升级来预防系统过时、提高系统灵活性、提升技术、满足预算或拥有成本要求？此外，还要考虑控制系统升级所需的停机时间。在选择增强系统功能和整体解决方案时，以下4 个方面都可以发挥关键作用。

1您的控制系统升级是否能够防止以后过时？

这个问题排第一是有原因的。考虑控制系统平台的体系结构，甚至供应商的生命周期历史，可以确保控制系统不会在短短几年内就需要另一次升级。控制系统平台的架构， 也是实现系统灵活性的关键因素，这对于确保设备能够灵活地适应行业趋势和不断变化的消费者需求非常重要。选择替换控制系统平台时，公司应考虑：

• 未来更换/ 升级处理器更容易，以消除与处理器和系统过时相关的重新设计、成本增加和未来停机的恶性循环；

• 控制系统软件的可扩展性和可移植性，可以在当前和未来的控制器产品组合中扩展功能和支持，从而在处理器达到寿命末期时进一步减少工程工作量；

• 本地输入/ 输出（I /O）的连接性，在处理器达到寿命末期时，可以降低与更换本地I /O、并重新连接所有传感器相关的成本和劳动力。

• 系统开放性，支持现有控制解决方案中可能存在的老旧协议，还支持与其它设备和传感器进行横向通信所需的许多现代协议，也支持数字化和I I oT 计划的纵向通信。

▎由于支持所有开放式通信协议，TwinCAT 软件可建立到企业级或云端的安全数据传输。

一般来说，要尽可能识别当前控制平台的所有局限性。这包括现场总线以及正在考虑升级的任何控制系统平台和现场总线。任何局限都可能成为当前和未来系统链中的薄弱环节，因此仔细考虑局限性，对于避免代价高昂的错误至关重要。

在考虑控制器的局限性时，要考虑性能、可连接到控制器或现场总线的设备的数量、现场总线支持的拓扑结构，以及现场总线和控制器与横向和纵向通信所需的其它开放协议的连接。如果符合预测性维修目标的，还需要考虑本地数据采集能力，可用的RAM，甚至是分析工具。

2是否增加了控制系统的灵活性？

在评估控制系统的灵活性所带来的收益时，需要探索的一个关键领域是分布式控制功能，而不是非分布式或集中式控制功能，这是现场总线评估变得更关键的地方。在这里，不是指实施多个可编程逻辑控制器（PLC）， 而是在控制系统中分配I /O、驱动器、扫描仪、摄像头、机器人和其它设备。对现场总线的仔细评估，应将分布式P LC 排除在考虑范围之外，它们只会增加现场总线和PLC 的局限性。

带有中央集成控制器的分布式方法可以提供最大的系统灵活性，以防止系统过时。然而，如果当前的控制系统是通过硬接线连接到主控制柜，则应评估转换为分布式方法所需的预算和停机时间。

一个完全集成的系统架构可以提供最佳的保护，防止过时并保护投资。这种灵活架构的基础，应该是P LC 和工业P C 的广泛可扩展性，从微型控制器到高达40 核的强大多核机器控制器。所选的标准自动化软件平台的供应商，应能确保其控制器支持集成所有控制系统功能。该平台应能够在强大的集成机器控制器、甚至是在下一代控制器上运行，并支持在强大的多核控制器的不同核中并行执行PLC 任务。

对于承载独立功能的控制系统，功能单一的“黑匣子” 控制器不再是唯一的，因此在整个系统中形成了一个循环的报废周期。相反，一个强大的机器控制器可以同步执行很多功能：P LC、运动控制、人机界面（HMI）、机器人、视觉、安全、语音、测量、分析、机器学习（ML）、状态监测，甚至是机电解决方案，如直线运输和悬浮平面运动技术。这种一体化的理念增强了控制系统，消除了传统控制平台所需的重新设计。

3您是否在努力提升控制系统技术？

企业出于多种原因对新的控制技术进行投资，这些包括但不限于：

• 消除性能局限；

• 增加集成安全功能；

• 实施工业4.0 和预测性维护；

• 改进诊断功能，最大限度地延长正常运行时间；

• 为系统添加机器人技术和视觉系统；

• 改善机器的运行人员界面，如扩展的HMI 图形和动画、平板电脑和手机界面、云和网络连接等。

实现这些目标， 需要灵活的控制器硬件， 但也需要更开放的软件和网络解决方案。为了实现这种连接性， 自动化软件平台应支持所有开放式的（ 无论是传统还是现代） 现场总线协议， 以便轻松连接到企业系统、仓库执行和仓库控制系统，甚至云系统。O P C UA、MQTT、AMQP、HTTPS/REST、实时TCP 和Modbus TCP 是一些可选的协议，软件应支持这些协议。

工业网络也是如此：控制平台应支持所有的开放式现场总线、工业以太网标准，如EtherCAT、Ethernet/IP 和Profinet，以及设备层网络。这样就可以确保能够将其轻松的集成到正在升级的系统或现代设施中的新系统中去。就技术增强的灵活性和稳定性而言，集成系统方法带来的收益更大。

▎EtherCAT 为改造应用中的混合网络通信，提供了最佳的工业以太网现场总线。

集成工业通信、安全和I/O

当EtherCAT 用作现场总线通信的基础时，还可以将所有传统和现代现场总线协议集成到EtherCAT 网络中。这样可以改善现场总线的性能。

随着机器安全的重要性日益增加，EtherCAT还提高了系统的灵活性。Fa i l Safe over EtherCAT（FSoE）是一项符合I E C 61784-3 要求的国际标准， 可将急停、限位开关、安全垫和其它安全设备连接到EtherCAT 安全I/O，并通过与所有其它标准传感器和驱动信号连接的同一以太网电缆进行通信。

集成控制架构可以使用EtherCAT而不是整个行业使用的专有背板协议，来实现与本地和远程I /O 机架的通信。在背板协议中使用开放式EtherCAT通信可以降低成本， 提高性能，大大增加诊断功能并扩展拓扑的可能性。

此外，一些供应商为远程I /O 机架和本地P LC 机架提供相同的I /O 硬件。当本地PLC 的I/O 随着PLC 处理器的寿命结束而变得过时，这就消除了其他控制平台常见的撕裂、替换和重新布线的情况。在其它平台上， 这意味着在控制系统升级期间需要进行大量的重新布线。最后一点是，用户应检查供应商的所有固件是否向后兼容，这样在更换I/O 终端时，即使使用比被更换的固件更新的固件，也不需要对控制器进行固件升级。

4是否满足控制系统预算和拥有成本要求？

集成控制系统架构和EtherCAT的简单方法，有助于确保系统支持当前和未来的机器，满足系统开放性和预防过时的要求。它还减少了许多CPU 和交换机，有助于节省升级预算。软件工程工具、电话支持和在线培训的费用，在很大程度上会影响与许多控制平台相关的拥有成本。当然，不见得一定这样， 一些供应商免费提供这些服务。

驱动器技术的选择也有助于现有系统的升级。一些供应商的EtherCAT 驱动器，支持对现有第三方电机的控制，因此在控制系统升级过程中不需要更换电机，从而大大降低了成本，减少了升级时间。这些驱动器还可以有效地用于控制各种类型的电机，包括伺服或感应电机。

将FSoE 安全运动功能集成到EtherCAT 驱动技术中，可以进一步提高机器安全性， 同时降低接触器、接线和额外安全I /O 的巨大成本。直观的驱动技术进一步简化了升级， 降低了成本和所需的停机时间，并实现机器安全功能的现代化。因此，无论公司正在计划升级控制系统，还是考虑更换下一代控制平台，与EtherCAT集成的控制体系结构， 都具有显著的优势，并可预防过时。

凭借灵活的架构以及对所有传统和现代协议的支持，现场已安装系统和新设备的逐步迁移，就成为可能。这显著降低了风险， 并在控制系统向完全集成平台的发展并获得收益的过程中，促进了团队的学习。

关键概念：

■ 控制系统的升级不可避免，选择适合的方案可以使该过程更简单易行。

■ 制造商应咨询该升级是否可以防止过时， 并提高系统整体的灵活性。

■ 选择合适的通信协议也很重要。

思考一下：

升级控制系统时，您面临的最大挑战是什么？

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