一文告诉你PLC与计算机的本质区别在哪里

2018/7/31 13:29:48 人评论 次浏览 分类:PLC应用  文章地址://www.e-cumulus.com/tech/2118.html

你真的了解PLC吗?你知道PLC与计算机的本质区别吗?张白帆从抗电磁干扰能力、程序顺序执行、冗余配置、程序特点和工作范围五个方面来简单解释PLC与计算机的区别。

1、PLC可以工作在极其恶劣的电磁环境中
如果把计算机直接放到PLC工作的环境中,无需太久,这些计算机将死机甚至烧毁。
在ABB的早期工程中,工程师就是把工业控制计算机直接放在变电站开关柜中,用来实施测控和数据处理。然而,用不了多久,电源故障和硬盘故障,还有输入输出接口的故障就接踵而来。直到工程师用PLC替换下这些工控机,事情才算完。
这叫做抵御电磁干扰EMC的能力,PLC可达三级甚至四级,而计算机能达到二级就算很不错了。抵御EMC电磁干扰,会有许多措施。例如隔离技术、接地技术等等都是。

2、PLC的程序是一行行顺序执行的,不会陷入死循环
程序员在编写计算机程序时,经常会遇见循环。如果一个循环子程序设计不恰当,或者条件引起了程序返回,有可能进入到死循环中,系统当然就死机了。
然而,PLC的程序是一条接一条顺序执行的,只有到了程序末尾才会回头。在程序中任何部位,若条件满足,可以实现跳转,但程序还是一条接一条顺序执行。如此一来,PLC几乎不会死机。这也是PLC区别于普通计算机的根本特性。
因此,我们会发现PLC的可靠性极高,这是普通计算机完全不能比拟的。

3、冗余配置
所谓冗余配置,就是在控制过程中存在主机和从机,它们依靠握手线关联,并共享资源和信息。
如果是计算机,当主机出现问题时,切换到从机的时间较长。但对于PLC,工程师可以在机架上安排2套CPU作为主从控制,它们之间的转换仅几个时钟周期即可完成。
例如现在的控制对象是汽轮机,它的转子在高速旋转。我们不妨假定转子的转速就是工频周期,也即每分钟3000转。如果我们对汽轮机实施DCS监控,在现场层面我们只能选用带冗余配套的PLC,绝不可能使用计算机。一旦PLC的主机发生故障,它立刻就转入从机控制,对于受控对象来说几乎感觉不到,但计算机就未必可以实现类似功能了。
事实上,带冗余配套的PLC系统就属于规模较大的PLC了。

4、PLC的程序特点
PLC的程序规模都不大,一般才几千字节,能上万字节就算很大的程序了。PLC有许多输入输出接口,以及各种类型的变量,这些都需要专门设置地址,以便在程序中使用。
我们看下图,此图是用PLC国际通用标准IEC61131-3模块化编程语言写成的:
某地铁配电控制系统PLC的输入接口参数定义程序和延迟判误程序
图1  某地铁配电控制系统PLC的输入接口参数定义程序和延迟判误程序


在图1中,大家在左侧看到了许多输入参量,它们的末尾都有_s的标识,这些就是开关量输入参数,它们不但有地址,还有名称。这是必须的,否则程序无法辨识和使用它们。


由图1的程序看到,这种编程方法比所谓的C语言方便得多。事实上,每一个功能块就相当于一段C语言。例如TON模块,它是延迟模块,如果用C语言,怎么也要若干语句行,但这里仅仅只是一个程序模块而已。何者更方便一看便知。


再看下图:
PLC的16位字解析为单个开关量的程序段

图2  PLC的16位字解析为单个开关量的程序段

图2中,程序开头的AND(与逻辑模块)实施程序转移。当条件满足时,AND启动子程序入口。在图2中,我们看到了UNPACK16模块,它的任务是把一个16位的字解析为16个开关量,供下一步程序使用。

我们很容易想到,这个UNPACK16模块若用C语言来写,又会有何种形式?何者更方便?

我们看下图:
数据交换的RS485接口定义和MODBUS通信管理

图3   数据交换的RS485接口定义和MODBUS通信管理

图3是PLC对系统中各种数据交换的定义、数据采集和管理。图中的一个个模块就是处理MODBUS通信协议数据的,同时还实现数据采集轮巡操作。
这些模块用C语言该如何写?是不是会麻烦很多?我们看到,PLC程序的便捷性是C语言无法比拟的。

5、PLC的工作范围

PLC的内存不大,尽管它的可靠性很高,但PLC不能用于较大的计算。我曾经设计过一个PLC程序,用于浮点数的乘法,麻烦得很,最后不得不使用模块配合查表来解决问题。
PLC的内部其实就是单片机,只不过整个PLC的单片机系统经过了严格的EMC测试,而操作系统和编程系统也进行了优化,方便我们这些编程者使用。
既然PLC只是一台单片机系统,可想而知它与计算机不在同一个技术水平上。计算机能够完成的工作,哪怕只是一篇WORD文档的写作,用PLC绝不可能完成。但PLC能够轻松实现的控制功能,用计算机虽然也能勉强实现,但效果极差,且可靠性极低,尺寸也巨大。
如此看来,PLC与计算机的工作特性不一样,适用的工作对象当然也不一样。

作者:张白帆(Patrick Zhang),ABB公司的资深电气工程师,在知乎网拥有超过18万粉丝的电气领域大神。北京地铁、首都机场T3航站楼、长江三峡永久船闸、上海磁悬浮列车、大亚湾核电站等数百项目中均留下他的足迹!已出版《低压成套开关设备的原理及其控制技术(第3版)》、《老帕讲低压电器技术》等图书。

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