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展望泓格WinCon-8000 WinCE平台控制系统的应用趋势

jhlu3  发表于 2009/7/9 22:45:15      523 查看 0 回复  [上一主题]  [下一主题]

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一、前言:
自从Microsoft于数年前推出WinCE操作系统,首先应用于PDA设备上,其功能的表现与现有Windows系统不相上下。此时已经有人提出工控系统应用的构想,事实上Microsoft也以WinCE为踏入工控界的一项利器。对于要求系统稳定性大于新功能的工控系统来说,还是有不少人质疑WinCE的可靠性。但是经过多年的发展,Microsoft于2003年推出WinCE 4.2版后,已经大大提高系统的稳定性。而且WinCE已经具备信息系统许多功能,例如:Ethernet网络、SQL数据库、多媒体影像语音处理、Web联网等等,这些功能又是原有PLC、DCS等工控设备所欠缺的,可以预见一种新的应用趋势将要出现。近年来有些工控设备厂商也陆续推出WinCE+I/O Module的产品,除了有PC系统的功能外,再加上PLC等级的处理控制信号能力,使得一台WinCE设备同时具备PC+PLC的功能。目前泓格于2003年8月所推出的WinCon-8000控制器为其中的代表作。笔者从事工控整合应用系统数十年,由早期的Mini Computer、DOS、Windows等计算机系统都使用过,当看到此种WinCE工控设备的出现,而且价格远比以往PLC设备等更具竞争力时,可以想见的许多原先无法办到或者整合的系统将是有解,而且一些新的应用将会被创造出来。
本文将以WinCon-8000为例,说明WinCE系统的新功能,依据笔者的以往实务经验提出一些应用构想,希望能够抛砖引玉,触发有兴趣者一些新的应用方式,能够与工控业界同好互勉之。
二、WinCon-8000主要特点:
在此不做WinCE基本功能的说明,基本上此与Windows功能是相同的。WinCE加强Real Time功能、较小的操作系统、快速系统启动、中断处理等方面功能,以因应自动控制的最重要需求:「时间掌控、实时反应」。
我们重点要放在当WinCE作为工控系统时,必须重视的是相关软硬件系统搭配,毕竟此与一般的PC系统是不同的。
1.I/O模块:I/O Module分成三种类:串行式连接、Ethernet网络连接、Parallel Bus(Build in I/O)连接等。其中串行式速度最慢,Ethernet网络次之,Parallel Bus最快。此三种架构的I/O Module都有适用的场合,因应所规划的信号响应速度,选择所需的种类。但是在此必须提醒的一点是Parallel Bus I/O,具有非常快速的信号反应,又因为与主机在同一个设备上共享同一电源,所以没有串行式及Ethernet网络等两种I/O,可能发生网络断线或电源断线等故障。也就是Parallel Bus I/O的速度及稳定度远大于其它两种I/O,这是在规划一个控制系统架构时,必须考虑的要点。而不要迷信只有Ethernet I/O就可以取代一切信号点的做法。

 

另外网络I/O尚有CAN(Control Area Network) Bus与泓格自有的FRNet透过Modbus/RTU、CANOpen、DeviceNet等通信规约, 可以与泓格的I-7000、I-8000及其它厂牌的CAN I/O相连接,而且FRNet则是沿用了PLC架构的优点,采用Token Ring的方式,无须软件协议,在固定的时间内可以扫描所有的I/O点,再透过Dual-Port RAM的方式与主控制层做沟通。
2.Soft PLC:提供ISaGRAF、Micro Trace Mode等Soft Logic PLC的软件包,可以完全执行PLC的Ladder Diagram的程序功能。使用方式就是先于PC上编辑设计Ladder Diagram应用程序,然后下载至WinCon-8000执行。也就是可以当作一台PLC来使用,而且还有以下数点PLC所不能做到的功能,如此架构可以产生PLC Plus的效果。此Plus的功能就会激发出许多新的应用架构。
3.SCADA System:提供Indusoft Web Studio、AdAstrA Embedded HMI等套装监控系统。于WinCon-8000上提供的是执行版本。先于PC设计所要的监控画面,然后Download至WinCon-8000上执行。这些监控系统也具备各种PLC的通信模块以及OPC Client的Driver,所以除了与WinCON 8000本身的I/O Module通信外,还很容易地与其它PLC通信。我们可以发现以前一台某厂牌的PLC要与另一厂牌的通信是多么困难的一件事,现在可以藉由PLC与SCADA为一体的架构做到。又SCADA具有Web的功能,所以透过Internet做到Remote Control的功能。我们想象单独一台PLC要上Internet又是何等的困难,但是WinCon-8000可以轻易地办到,只不过WinCE是先进的操作系统,很简单地就可以融入现有信息系统的大架构中,此功能不过举手之劳,但是在实务应用上却是一大突破。可以想见地许多新的应用领域将会被开发出来。
4.OPC and Modbus支援:WinCon-8000提供OPC以及Modbus等两种数据通信方式,可以与外部系统做I/O信号值的数据交换。这些通信方式为工控业界的两大通信标准,所以系统整合也是标准化。举例来说:以前任何一个程序要与PLC相连以读写相关信号点,必须自行设计通信Driver,但是对于各种PLC不同的通信方式及信号安排都不熟悉,系统设计门坎非常的高。如今只要依据以上两种通信标准,市面上有许多组件可以使用。只要使用一台WinCon-8000就搞定一切。
5.SQL数据库:此功能是非常重要的一点。此为标准的关系型数据库,与Windows SQL Server同一等级。一般控制系统因为受限于硬件的架构,只能专注于信号点的处理,而无法做大量数据的处理。但是PC软硬件系统的发展,使得此方面的基础系统健全,而且价格更便宜,因此大量资料的储存及处理变成可能,可以扩展许多新的应用领域。例如:配方表、生产工单、产品品质纪录、操作纪录、警报纪录、作业程序步骤、影像文件、语音文件、设备运转纪录、大量信号数据记录、….等等各种形式数据的运用。当数据越详细,活用数据的机会越多,就会创造许多新的功能,信息越透明就会使得控制更为精确,同时也降低人为的错误率,并且延伸出许多新的应用手法。
6.网络联机iPush:此功能打开一扇网络方便门,使得应用系统使用者不用知道背后复杂的网络处理程序。以往如果设计网络系统,就必须知道TCP/IP、Socket、网络通信规约7层架构、….等等技术知识,然后设计网络通信程序,又要考虑通信量、通信速度、Socket API使用、通信Timing的掌握…等等高级的程序设计技巧。同时通信的形式又有多种选择,例如:简讯、语音通知、影像传输、E-mail、Message、主动广播、多数或单独通知、通信频率、单向或双向通信、….等等不同方式。最后接收端的选择也是多样性,例如:监控系统、OPC Server、Excel、PDA、手机、Internet浏览器、….等等。如今以上的一切都交给iPush就可以了。如下图所示。

 

WinCon-8000已经配置有iPush Server,经过设定后就可以做到以上所有的事情。于接收端(iPush Client)则提供各种组件负责接收,例如:Excel或Internet浏览器安装相关组件,就可以开始与WinCon-8000通信,完全不用设计程序。当然如果想要自行设计程序,然后透过iPush做网络通信也非常简单,无论于iPush Server端或者iPush Client端,只要运用相关组件API就可以达到目的,所使用的API也简化到connect、read、write、disconnect、…等少数功能即可。
我们要晓得使用WinCon-8000绝大部分为电机设计人员,可以想见当要这类使用者去设计复杂网络程序,如同缘木求渔一般的困难。但是工控设备要连上网络这又是必须经过的第一道关卡,如今见到WinCon-8000对这方面提出解决方案,这就是完全站在使用者立场所设计出来的产品。
7.开发工具应用:如果要自行开发程序有Visual Basic .NET、Visual C#、Embedded Visual C++等多种工具。同时也有多种接口API以作为整合设计用。例如:控制I/O的DLL、iPush组件、SCADA System API、SQL Server API、Modbus Protocol DLL、OPC接口等。也就是可以由各种功能层面得到所要的连接接口,如此形成一个完全的整合系统,无论从哪一方面切入都可以得到满意的整合性。所以使用者可以放心去设计特有功能的程序,然后整合至原有套装系统,变成一个新的应用系统。

 

三、应用趋势探讨:
以下的应用架构是依据我以前的实务经验所想象出来的,于系统上、技术上绝对可行,所缺少的是实际应用例。只要读者抓住各应用例的核心功能,寻找适当的应用场合,就可以发挥WinCon-8000的最大效能。
1.单一或远程控制盘:
1.1应用说明:
一般控制盘都是将现场信号配线至端子盘后,接至PLC的I/O Module内,设计Ladder Diagram程序做控制,再通信连接至PC的SCADA系统或者专用的监控系统接口设备,做各种人机画面操作。
如今可以将Ladder Diagram以及SCADA监控系统设计于同一台WinCon-8000内。而且还有先进的Web Internet远程监控功能,再加上iPush主动将信号送至所指定的系统上。
1.2主要功能:
* 一台设备即可组合成IPC+PLC相同的功能。
* 远程监控功能,尤其适合于该控制盘配置于人员无法随时管理的地方,透过此功能达到遥控目的。
* 网络配置只要利用现有电讯设备,例如:ADSL等即可。
1.3系统组成:Soft PLC、SCADA、iPush等系统。
2.配方机器控制:
2.1应用说明:
有许多生产设备需要配方表的控制,例如:塑料成型设备、预拌混凝土生产系统、饲料生产设备…等等。
依据配方会连动不一样的I/O控制。而且以网络与中控室主计算机系统联机视需要随时更新配方规格。
目前系统大都使用PLC再加PC或者监控触控屏幕,采单机作业,无法网络整合。
2.2主要功能:
一台设备即可组合成IPC+PLC相同的功能。
SQL Server储存配方规格及操作步骤程序等,提供最人性化的接口操作。
与中控系统联网随时做数据交换及更新。
2.3系统组成:Soft PLC、SCADA、SQL Server等系统。
3.居家保全控制主机:
3.1应用说明:
以往保全系统是一个专属的封闭系统,除了居家的门窗、火警、门禁等信号外,都使用电讯专线以达到联机通信的功能。所以保全系统较难扩展至广泛应用领域。
使用WinCon-8000可以设计成保全主控机,搭配现有电讯网络系统,就是保全系统。
社区式的保全系统,将很容易构成,甚至老人居家服务系统都可以实践。
3.2主要功能:
使用标准PLC I/O信号连接门窗、火警、门禁等信号点,排除目前保全系统特殊的规格限制。
标准电讯网络系统,马上联网上线,还有Web Internet功能,屋主随时随地都可以上网查知目前状况。
有警报可以透过手机、简讯、E-mail等各种方式,实时通知相关人员。
可以发展成标准化产品,实践客户自行安装使用的可能性。
3.3系统组成:Soft PLC、SCADA、SQL Server、iPush等系统。如果再加上开发成保全套装系统,客户透过少许的设定就可以使用。
4.运输卡车控制器:
4.1应用说明:
有许多大宗物品(例如:水泥、谷物、石油、石化产品、砂石、预拌混凝土)装载、运送、卸货时都需要做管理。卡车行进时,还需要纪录里程数、油料管理、目前位置、纪录及预估到达及回厂时间等数据。
此大宗物质需要特殊的仓储设备,提发货时需要过磅作业。
目前尚无完美的运转数据控制器,但是WinCON 8000可以做到。
4.2主要功能:
连接GPS卫星定位系统,透过无线网络随时发出卡车位置,行控中心实时掌控各卡车目前位置,预测到达时间,作为调度车辆重要参考。
以I/O信号连接哩程、油料等信号,纪录每趟实际数,取代现有的纪录纸设备。依据实际值可以统计出各种有用信息,例如:行车路线改进、卡车运转状态、司机操作管理…等等。
SQL Server也可以记录载运货品的送货、订货、提货…等各式资料。
至货物仓储设备提卸货时,可以与其控制设备联机,做自动控制操作,目前此方面国外已经有人做到无人化的管理。
4.3系统组成:Soft PLC、SCADA、iPush、SQL Server、外加GPS设备及无线上网等
5.多种通信规约转换设备:
5.1应用说明:
各种控制器的通信规约都不相同,如何将两者数据转换通信就是一个大问题。
使用WinCE基本系统,COM Port、Ethernet、Multi-Task等再加上开发相关程序,就可以变成一个Multi-Gateway新的产品。
5.2主要功能:
通信规约的转换。
5.3系统组成:Visual C#、Embedded Visual C++等开发工具,再使用WinCE系统API,依据不同通信规约开发相关程序。
6.远程警报传送设备:
6.1应用说明:
环保监测器、大型管线监测站、自来水加压站、河流水位监测、气象监测站、电讯基地台、…等等使用情形,都是单独将监控设备置于户外或者无人操作的场合。此应用最需要的两个功能:一为有必要时上网查看,另一为警报发生时主动通报。
以目前PLC的做法,无法单独完成,都必须再配置一台PC才能完成上述的两个功能。
6.2主要功能:
一台设备即可组合成IPC+PLC相同的功能。
信号监视、纪录、警报处理等。
Web Internet画面查询,警报时透过网络主动通知。
可以连接门禁设备、刷卡管制等相关设备。
6.3系统组成:Soft PLC、SCADA、iPush等。再加上Visual C#、Visual C++开发相关特殊功能。
7.MES系统区域控制器:
7.1应用说明:
MES缩写为Manufactory Execution System,此为生产信息管理系统。与生产线的机台、设备信号、刷卡等各种实时信息相连接。
需要下载生产工单、配方、产品规格、原物料补充、生产操作程序…等等生产命令。也要上传实际生产数量、机台运转状态、产品品质、原物料情形、…等等各种信息。
必须有设备负责此方面数据联机、数据暂存、设备间接口通信等功能。目前大都以PC再加PLC做此工作,WinCE将来可能变成此种整合工作的标准产品。
7.2主要功能:
* 生产机台与中控系统的通信Gateway。
* SQL Server储存生产相关数据
* 监控画面显示生产状况及操作画面
* I/O信号与相关设备连接做必要的控制。
7.3系统组成:Soft PLC、SCADA、iPush、SQL Server等。再加上Visual C#、Visual C++开发相关特殊功能。
8.仓储检料系统:
8.1应用说明:
电子产品、化妆品、药品、食品饮料…等等具有各种型号及件数计算的产品发货时,会面临每一种发货单都是不一样的型号及数量。所以仓储人员检料配货常常出错。
目前检料系统大都以灯号、LED显示等方式提醒操作人员。
WinCON 8000可以提供此功能还可以再加上许多新功能,防止出错。
8.2主要功能:
灯号及仓储设备开关都可以由I/O信号或者通信联机控制。
CRT画面显示取代原有LED,可以得到更多的信息。例如:出货单数据、产品规格及影像等。
检料完成马上于画面操作,实时更新数据库。
8.3系统组成:Soft PLC、SCADA、SQL Server等。
四、结语:
由以上说明来看,我们已经发现WinCE可以做到PLC功能外,再加上许多Windows系统的功能。我们也发现许多好的应用架构,可能有人会质疑把所有的功能都放在一台设备上,会是一种正确的做法吗?大家不要忘记因为网络系统的发展,就是要做到分散控制的目的,一台WinCE应用于一种特定功能或者一段制程的控制,整合多台WinCE就形成一个完整系统,因为WinCE功能越完整就可以使用其中必要的功能完成一个所要的控制功能。当然以目前WinCE的架构,还谈不上取代PLC,但是WinCE所具备新的系统功能,可以延伸出许多PLC所做不到的系统,而且有许多以前因为种种的限制无法使用自动控制技术,现在都变成可能。我们再来看SQL数据库、Web Internet、网络联机、Multi-Task、Multi-Media….等等都是现有控制设备所缺少的。如何整合及发挥这些功能于应用系统上,就是一个重要的课题。谈WinCE系统不应该由取代PLC、DCS等现有控制系统的观点来看应用趋势,而是如何整合这些系统,研发新的功能以加强现有系统的不足,另一方面开发新的应用领域,例如:商业上、生活上等应用,而不只限于工业上。如此思考将会有许多意想不到的应用等着我们去开发。
我们再由系统整合设计者的角度来看,一向遇到的问题就是如何整合不同的软硬件系统,所以常常被迫设计低阶的系统程序,以作为系统间的接口。WinCON 8000是标准的信息架构,再加上驱动I/O信号的能力,已经提供大部分如何整合入信息系统的平台。系统整合者可以专注心力于应用系统的创新开发,而不用分心解决信息系统基础架构问题。如此WinCE Based控制器将会发挥关键性的角色,可以预见的WinCE将会成为工控系统中不可或缺的重要系统。
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