PLC还是智能继电器——带HMI的超微型PLC

发布时间：2007-05-30 作者：方原柏，昆明有色冶金设计研究院

　　继电器是一种应用非常广泛的控制器件，它是根据外部输入的信号（电信号或非电信号）来控制电路中电流“通”与“断”的设备。即使在今天，继电器仍然广泛使用，例如图1所示的日本OMRON公司的MYJ/LYJ通用继电器的累计销售量已超过10亿只。
　　1969年，美国DEC公司研制了世界上第一台可编程序控制器（Programmable Logic Controller，PLC）用于通用汽车公司的生产线上，PLC是以微处理器为基础，综合了计算机技术，自动控制技术和通讯技术发展起来的一种通用工业自动控制装置，其初期的应用主要是取代那些大量使用继电器的控制装置上。
　　某调研公司曾按产品规格划分对2003年底到2004年初中国PLC的市场进行调查，结果表明：在微型（64点I/O及以下）、小型（64~255点I/O）、中型（256~1023 点I/O）、大型（多于1024点I/O）PLC中微型占据40.2%的市场份额。
　　按照工业控制方面专家的估计，对于离散制造业的控制要求来说，80%的PLC都是用于小型系统（I/O少于128点）；78%的PLC都是数字量或者开关量；80%的PLC应用于采用20来个梯级图就可以解决问题的现场[1] 。这里所提到的80%基本上是在小型、微型PLC所能完成的功能范围内。
　　目前在一些功能要求简单（如简单的逻辑控制、计时、计数功能）、输入输出点数少（如数点至十几个点）、费用要求低（数百元至数千元）的场合，传统的继电器仍占据较大的市场，而早中期的PLC产品还很难顾及到这类场合。
　　从上世纪九十年代中期以来，在微型PLC中间出现了一类产品的I/O点数只有二三十个点的超微型（nano）系列，其中一部分带HMI（Human Machine Interface，人机操作界面，又称可编程终端），我们可以将其称为带HMI的超微型PLC。令人感兴趣的是，几乎所有著名的PLC生产厂家均推出了这类产品，如德国SIEMENS公司、德国Moeller公司、美国Rockwell公司、日本OMRON公司、日本MITSUBISHI公司、日本idec公司、法国施耐德TE公司等等。

图1：日本OMRON公司的MYJ/LYJ 通用继电器

图2：TE公司Zelio Logic

图3：带HMI 的超微型PLC是最佳的继电器控制系统的升级换代产品

　　与其它类别的PLC不同的是，这类带HMI的超微型PLC的正式名称五花八门，有称为可编程序继电器（日本OMRON公司的ZEN）、通用逻辑模块（德国SIEMENS公司的LOGO!）、控制继电器（德国Moeller公司的EASY）、智能继电器（日本idec公司的FL1和法国施耐德TE公司的Zelio Logic）、智能逻辑继电器（日本Pro-face公司的PRO-iO）、程控器（日本MITSUBISHI公司的ALPHA）、带操作面板的PLC（以色列Unitronics公司的M90/M91）等等。从这些名称可以看出，这些带HMI的微型PLC主要是完成继电器的功能，即它用在I/O点数不多而原来使用继电器的地方。传统的PLC主要用在工业领域，而这些产品还可以用在其它行业甚至家庭，例如用在洗车、自动售货机、照明控制、门窗控制上。但它又不同于继电器，它是“可编程序”的、是“通用”的、是“智能”的，部分产品还带模拟量输入输出。为了观察参数状态及编程方便，上面列举的产品还不同于一般的微型PLC，它带有一体化的HMI人机操作界面，因而具有更广泛的应用前景。
　　在PLC控制系统使用过程中，与操作者关系最密切的就是HMI人机操作界面，通过HMI，用户可以随时了解、观察并掌握控制系统的工作状态，同时，超微型PLC为方便用户编程，也常常借用HMI作为编程器使用。因此，带HMI的超微型PLC往往是将PLC、HMI、I/O、扩展器接口、编程器等诸多设备集成为一体的紧凑型设备。
　　带HMI的超微型PLC的设计思想是使用简单，通常它的编程不需特殊的软件，编程和数据调整都通过面板上的键盘和LCD显示器来实现。
　　带HMI的超微型PLC的特点
　　法国施耐德TE公司在介绍其带HMI的超微型PLC产品Zelio Logic（见图2）时，用了四个字来概括：简、易、精、智，这也可以大体概括带HMI的所有超微型PLC产品的特点。
　　简
　　充分简化控制系统，1台Zelio Logic相当于：
　　■10~40个I/O
　　■16个计时器/16个加、减计数器
　　■16个模拟比较器/16个文本功能块
　　■8个实时时钟功能块
　　■28个辅助继电器
　　■1个1kHz高速计数器
　　■1个4行×18字符的文本显示器
　　■6个操作按键
　　易
　　轻松开发、维护您的设备
　　■可通过面板直接编程
　　■可采用Zelio soft编程软件在PC机上进行实时编程
　　■可进行远程调试、维护应用程序
　　■模块化设计，安装灵活方便
　　精
　　让您精确锁定各种目标应用
　　■支持Modbus 协议，自由通讯连接
　　■尺寸小巧，12点本体的尺寸为71.2×90×59.5mm（宽x高x深）
　　■可带2AI/2AO模拟量输入/输出，还可直接输入电压信号及PT100温度信号
　　■符合UL，CSA，GL，CE认证
　　智
　　让您坐享设计之乐趣
　　■编程语言支持梯级图、功能块图（FBD）
　　■支持流程清晰的Grafcet SFC（顺序功能图）功能
　　■Zelio soft软件可离线仿真

　　为了进一步说明带HMI的超微型PLC可以充分简化控制系统，我们还可以看看有关Keyence公司KV-P型产品的一个宣传资料（见图3），它说明一台这样的设备可以替代并且超过以往由多个继电器、按钮、信号灯、显示仪、设定开关等等设备采用硬接线所完成的功能。
　　与不带HMI的PLC相比，带HMI的超微型PLC也可以充分简化控制系统，图4中不带HMI的PLC所需的I/O点由控制所需I/O点和显示所需I/O点两部分组成，后者是指一些动作状态的显示和控制过程一些操作开关、按钮均须作为PLC的DO/DI输入输出，而对带HMI的超微型PLC来说，这些显示灯、操作开关、按钮均可以安排在PLC内部，它无需占用PLC的DO/DI输入输出。按图4所示，不带HMI的PLC所要求的I/O点为DI 20点/DO 16点，而带HMI的超微型PLC所要求的I/O点仅仅为DI 10点/DO 6点，可见控制系统的确简化了很多。
　　带HMI超微型PLC产品的性能

　　I/O点数
　　本文所介绍的产品中，包括本机所带及扩展所带I/O点总数大体上应在40点以下，表1列举了主要超微型PLC产品的DI/DO点数。其中部分产品为不可扩展型，另有部分产品为可扩展型，用户可根据应用要求确定扩展模块的类型和数量。

图4：带HMI的超微型PLC可简化控制系统

　　I/O类型
　　DI通常为12/24VDC、115/240VAC电压输入，DO通常为12/24VDC、115/240VAC晶体管或继电器输出，继电器输输出的最大电流可达10A（SIEMENS公司的LOGO!、三菱公司AIPHA），通常可直接带动电机。部分产品带高速计数输入，如TE公司的Zelio Logic、MITSUBISHI公司的ALPHA均带1kHz高速计数输入，Unitronics公司的Jazz带两个5kHz高速计数输入，Keyence公司的KV-P带两个30kHz高速计数输入。
　　部分产品带模拟量输入输出，如SIEMENS公司的LOGO!本机的2个DI点可作为模拟量输入，扩展后最多可带8个模拟量输入，OMRON公司的ZEN可带2个模拟量输入，Unitronics公司的M90/M91有带模拟量输入、模拟量输出的选型，Rockwell公司的Pico可带2~4个模拟量输入，Moeller EASY400的2个DI点可作为模拟量输入，500带2个模拟量输入。
　　模拟量输入输出类型有0~10V、0（4）~20mA、Pt100、热电偶等。

图5：传统的PLC 上加装的显示器

图6：盘装显示器

图7：编程画面 左：梯级图；右：功能块

　　HMI显示器
　　就显示内容来说，对超微型PLC系统来说，一般只需要显示运转的程序、I/O点的状态等相关信息，通常文本显示就足够了，现在有1行（Unitronics公司的M90/M91）、2行、4行、6行（Pro-face公司的PRO-iO），每行10~18个字符显示。TE公司Zelio Logic的显示器为4×18字符显示，但是它多了1行图标显示（如图2所示）。如图3所示，Keyence公司KV-P有两个显示器，分别作为数据处理面板和信息面板，数据处理面板用来显示有关数据和时间参数，信息面板用来显示工作指令、设备状态和报警信息。可选用绿、红、橙三种颜色，以便醒目地区别显示正常状态和故障状态。显示器显示的字符为14个，为了使操作工正确理解指令，显示画面带卷取功能，使画面能左右移动，从而使显示的字符数达到64个。
　　在Moeller公司的EASY产品的最新资料中，我们还看到一个简单的图形化显示界面，MITSUBISHI公司的ALPHA可显示棒状图，或许这种带流程图、棒状图画面的产品会越来越多。
　　显示器的结构形式主要有两类，一类是在传统的PLC上加装的显示器，如图5所示产品从左至右分别为Pro-face公司的PRO-iO、OMRON公司的ZEN、Rockwell公司的Pico以及图2 所示的TE公司Zelio Logic，另一类是盘装式，如图6所示的Unitronics公司的M90/M91及图3所示Keyence公司的KV-P、图8所示Unitronics公司的Jazz。盘装式结构与传统的PLC外形已经完全不同，如不说明很难知道它是一台PLC。
　　编程方式
      台安公司采用PDA手持式编程器编程，但多数带HMI超微型PLC采用所附HMI面板和操作键盘进行程序编制，编程语言有梯级图、功能块（FBD）等（见图7），SIEMENS公司的LOGO!还可采用特殊功能块，TE公司Zelio Logic还可采用顺序功能图（SFC）。采用梯级图编程时，每个编程行可包含的触点数各种型号均低于中大型PLC，如3个触点+1个线圈（OMRON公司的ZEN）、5个触点+1个线圈（TE公司Zelio Logic）。Rockwell公司的Pico、TE公司Zelio Logic、OMRON公司的ZEN、Unitronics公司的M90、M91、Jazz等产品可采用专用软件加PC机编程。
　　功能
　　除了简单的逻辑控制、计时、计数功能外，部分产品还提供了更多的功能，如Unitronics公司的Jazz可提供数学运算功能，
　　有的虽有模拟量输入，但它只是用于产生开关量信号的模拟量比较功能（如Pro-face公司的PRO-iO、SIEMENS公司的LOGO!）。有的产品还带多点模拟量输出，并具有PID调节功能，如Rockwell公司的Pico、Unitronics公司的M90/M91、SIEMENS公司的LOGO!。
　　总线类型
　　带HMI超微型PLC的主机扩展时有的已经用到各种现场总线，例如SIEMENS公司的LOGO!可用三种通信扩展模块：ASi、LON、EIB，Moeller公司的EASY可以ASi、Profibus-DP、CANopen、DeviceNet现场总线方式扩展，Unitronics公司的M90/M91带CANbus总线，台安公司的GENIS可扩充Profibus-DP、DeviceNet、Modbus RTU通讯模块，TE公司Zelio Logic可扩充Modbus 、GSM/RTU Modem通讯模块。
　　外形尺寸
　　SIEMENS公司标准型LOGO！10点输入输出的外型尺寸只有72mm×90mm×55mm；三菱电机公司6点输入、4点输出的简单应用控制器AL-10MR-A，外形尺寸只有71 .2mm×90mm×55mm，Unitronics公司的M90/M91尺寸为96 mm×96 mm×64mm。这样小巧的尺寸非常适合设备的就地安装，其中大部分采用的是导轨式安装，Unitronics公司的M90/M91、Jazz和Keyence公司KV-P则采用面板式安装。
　　供电电源
　　带HMI微型PLC的电源为12/24VDC、24/115/240VAC电压，如以12VDC供电的Rockwell公司的Pico就因此进入了像交通工具、太阳能电池供电这样一些新的应用领域。
　　附加功能
　　有的产品提供了日期/时钟显示、多达6种（台安公司的GENIS）、10种（Rockwell公司的Pico）、15种（Unitronics公司的Jazz）语言显示、备用电池、保存或下载程序用存储器等附加功能。
　　TE公司Zelio Logic使用的Zelio Soft软件可以进行程序一致性测试，即使出现最细微的输入错误，软件也会发出警告并找到出错的精确位置，还可以进行程序的仿真与监视。
　　Unitronics公司的Jazz通过OPC/DDE server，可实现与任何Windows环境下运行的程序进行数据交换。
　　通讯功能
　　MITSUBISHI公司的ALPHA包括SMS（手机短信息）和E-mail通讯功能，Unitronics公司的Jazz支持GSM/SMS通讯功能，可以与6个有GSM号的手机和设备通讯并接受远程访问（见图8），idec公司的FL1A可以增加RS-232、RS-485通讯功能。
　　价格
　　带HMI的超微型PLC的价格通常低于HMI、PLC分离式产品20%~30%，最低价格约在一百美元左右，可见其价格优势是非常明显的在2006上海“IAC,TIME & SENSOR”展会上，西门子（中国）有限公司A&D自动化系统部总经理安晓杰先生表示：“西门子现在针对中低端客户拓展市场，逐渐推出一些低端新产品”。带HMI超微型PLC正是中低端客户需求量很大的一类产品，它具有适应面宽、针对性强、功能适中、价格低廉等优点，适合应用在一些小型设备上原来使用继电器的场合。中国是一个制造大国，很多机械设备出厂时都可能需要装备一些简单适用的控制设备，带HMI超微型PLC应该是最佳选型之一。业界应关心带HMI超微型PLC的发展，以便为生产过程提供最好、最适用的产品。国内HMI及微型、中小型PLC生产厂家也可借助这类产品作为突破口，占领国内外市场。

文章编号：070407
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