关于A—B和西门子PLC比较的报告

摘 要

鉴于目前公司机型设计升级的需要，按照行业地位/先进性/成熟性/易用易维护性/总体成本最优的原则，就国内国际市场上最有影响力的两家品牌：德国西门子和美国罗克韦尔自动化A-B（全称Allen-Bradley）品牌的可编程控制器系统进行了多方面的比较。本文对此进行了研究。

【关键词】西门子 PLC 比较

1 行业地位

PLC可编程控制设备作为工业通用设备，近年来保持了持续稳定的增长。据行业知名研究机构ARC的报告，目前PLC市场全球销售额大约65亿美元。生产厂商超过400家，美国就有200家左右，技术的研究和发展也比较活跃。其中最有代表性的品牌就是德国西门子公司和美国A-B（罗克韦尔自动化旗下主力品牌），两家品牌加在一起占据了世界市场大约60%的份额。

中国的PLC市场迎来了蓬勃发展的机会，目前中国地区的PLC市场容量已经接近于4亿美元，排列在前几位的供应商包括西门子、A-B、三菱、莫迪康、欧姆龙公司。但是侧重点不尽相同，西门子公司随着S7-200产品的推出，抢占了传统日本产品的市场，占据了市场第一的份额。A-B则在中国系统级应用市场以37%的份额占据第一名的位置。

2 基本特色

虽然排名世界前两强，但是两大品牌在特色上却存在较大差别，从客户口碑上反映出来，西门子强调大品牌以及价格优势，A-B则强调品质和服务。具体来说：

（1）可靠性指标：西门子可靠性指标一般设计在10-20万小时平均无故障时间（MTBF），A-B公司的设计规格一般在150-450万小时左右。从实际应用来看，大多数客户反映A-B系统连续稳定运行能力更高；

（2）可维护性和易用性：业界公认的看法是，A-B系统更为人性化，开发和维护效率更高，一般上手的典型培训时间为3天，但是西门子典型在2-3周。两者同样功能强大，但西门子更多反映了德国文化的特点，古板，丰富但不够灵活。A-B则功能更为强大但灵活、更为人性化；

（3）技术平台状况：目前PLC技术正在面临深刻的变化，即从单一面向工厂离散控制转向全功能型平台（即用同一控制平台覆盖过去DCS、专用伺服系统、传动、批次控制和安全控制，又称为可编程自动化控制器技术PAC），目前A-B Logix为代表平台技术占据优势（这也是A-B这几年强力增长的利器）明显，鉴于控制平台长开发周期的特点，西门子公司推出新的系统尚需时日，目前的新品多在提高处理器速度等指标上下功夫，短期内还无法从控制平台/网络系统/界面技术/企业数据集成等方面全面发力。

（4）市场宣传：这是西门子公司占据明显优势的地方，在广告投放、网站建设等方面西门子公司优势明显。A-B则在2003年后加大了投入，目前在市场上尤其是终端客户和高端OEM客户方面影响力也日益增强。

3 基本技术比较

3.1 集成架构技术

在过去，工厂为了实现自动化，工程师们往往不得不面对PLC、DCS以及伺服控制器等多种自动控制系统，需要同时掌握多种专门软硬件的开发和维护。近年来，随着自动化水平的普及和提高，上述情况越来越成为工厂发展的“瓶颈”。

为解决这一矛盾， “集成架构”技术应运而生：

（1）“单一平台实现全厂范围的所有控制任务”；

（2）“现场总线只需少得多的接线就可以采集更多的现场信息，还能实现现场设备的集中诊断和组态”

（3）“实时生产数据可以和工厂管理数据集成在统一的数据库中，并且能帮助用户对数据进行基于时间序列或者事件关联的进一步分析，甚至进行生产排序和调度，并能通过网站方式发布相关信息”。

为此，西门子公司推出了所谓TIA概念，即全集成自动化，包括了：S7系列可编程控制器PLC；开放网络系统Profinet，Profibus/DP/PA， AS-i；专用伺服系列产品；专用的传动系统；TP/MP人机操作屏和上位机WinCC系列。

罗克韦尔自动化A-B则推出了集成架构系统，包括：创新的Logix控制平台；开放的NetLinx工业网络体系； 集成的Kinetix伺服系列产品；先进的ViewAnyWare流程监控/信息系统软件包；全企业范围数据共享技术FactoryTalk； 全面的调试组态软件和工具。

两者的本质差别，就是罗克韦尔自动化对技术的改造更为彻底，全新设计的寻址结构（基于标签Tag的编程概念），全透明高效总线和底板技术，一致的界面开发技术ViewAnyWare，以及整个企业内数据透明共享，最好的应对了工厂信息化的需求，所以也被包括通用汽车/丰田/P&G/Kodak/3M/米奇林/普里斯通/英特尔/喜力啤酒/利乐包装等定为标准。

3.2 数据寻址技术

PLC最重要的技术基础之一就是寻址。A-B新一代控制器的最大亮点就在于基于Tag标签的寻址技术，又称为第三代寻址技术。而西门子所采用的则是直接物理地址寻址方式，又称为第一代寻址技术。这也是制约其控制器使用方式的根本原因。采用标签寻址的最大好处在于：

（1）文档更加易读易懂（Drive_Speed1 v.s. O： 1000 ….）；

（2）编程和调试：出错机会更少；

（3）更容易维护，尤其在程序备份丢失或者开发人员变更的情况下；

（4）支持并行工程，缩短工程开发时间；

（5）当您从其它PLC或者软件读取数据时，更容易理解 PLC的数据结构。

内存管理方式也存在重大差异。西门子采用直接地址扁平化管理方式，A-B则采用层次化完全动态内存分配，基于Tag直接管理大容量数据内存（ControLogix达16 Mbytes）：没有对不同数据设定固定内存区域大小的限制，用户可直接使用变量、结构体和数组进行“面向对象”的控制编程。

直接管理的数据内存很小： （如S7412 <72KBytes， 414-2 <128KB 414-3 <384KB， 416-2 <0.8MB， 416-3 <1.6MB）。对不同数据有固定的限制，如计数器/定时器<256或512个。编程中用户需考虑地址分配，在复杂一点的应用中，数据重名冲突的可能性较大。

3.2.1 处理器处理模式

新一代控制器多采用实时多任务操作系统，支持多个（ControlLogix为32）控制任务，多重优先级可选以保证重要任务优先，每控制任务内支持多个（ControlLogix为32）主程序。根据需要，用户可以使用中断任务以保证最苛刻的实时响应，使用周期性任务以保证过程控制运算的精度和稳定性。

在大型应用中， Logix还提供以下好处：其通讯背板本身就是智能化网络路由平台，不需要Logix控制器参与通讯管理，信号从一种网络到另一种网络只需通过背板和相关通讯模块。这意味着：用户在背板中插入通讯模块即可扩展相应网络，配置多个通讯模块（背板中没有控制器也行）即可实现多种不同工业网络的互联互通。

其它系统，包括S7、Quantum等，其背板的通讯管理均需要控制器参与。即网络间信号传输不仅要通过背板和相关通讯模块，还要控制器参与。事实上，没有控制器，其背板就会瘫痪；而且，当用户对现场总线上的设备进行在线组态/编辑时，上位机和现场设备间的通讯会占用控制器的开销，并引起复杂的管理和操作。

3.2.2 网络体系

开放的NetLinx工业控制网络体系：根据工控应用的不同，用户可在DeviceNet、ControlNet和EtherNet/IP三种工控网络中进行优化组合。其应用层以上均使用CIP - 针对实时控制优化设计的通讯协议。

DeviceNet - 中国国家标准GB/T18858.3-2002、极具价格竞争力的工业现场总线最适合于与制造自动化相关的现场设备的联网。一种总线就能实现所有设备以及控制器的互连，包括变频器、软起动、按钮开关、传感器、称重仪以及条码扫描仪等等。

对于上述常用工厂现场控制设备组网，需两种现场总线共同实现，分别是Profibus DP（用于变频器、称重仪等）和 ASI（用于光电开关、行程开关、按钮及软起动等等）。

较低的网速就能实现高性能实时控制（CAN保证了网络数据包小巧有效（8 bytes），CIP保证了网络效率及实时控制的优化）。用户可按应用要求的不同选择最适合的通讯方式：逢变则报（COS）-最苛刻的实时响应、Cyclic -按确定周期发送、Strobed -多设备同步响应及传统的轮循（Polling）方式。

就高性能通讯而言，ControlNet 被认为是最佳实时性和确定性的IEC 61158工业现场总线。最适合于高性能DCS中I/O站的扩展、高速传动系统中传动装置的联网以及中型系统上位机的组网。

5Mbps的高数据传输速度，不会随网络距离延伸而衰减。通过同轴电缆延伸可达6KM，通过光纤可达30KM。Profibus DP在使用电缆延伸时速度会大大衰减，见表1（摘自手册C79000-Z7076-C417-06的P16）：

点对确定性多点（Multicast）传输功能可以直接实现多个设备的同步以及控制器间的实时联锁。Profibus DP不支持Multicast，只能用逐个轮循方式进行设备同步，效率低。

为获得稳定的、高精度的过程控制，本地机架以及通过ControlNet扩展的远程机架内的每个I/O模块都可以根据各控制任务对于实时响应的不同要求，分别预设不同的采样周期；并且在运行时各I/O将严格地按照该设定周期向处理器发送数据，而与控制器负荷以及网络负荷的变化无关。

冗余ControlNet可供用户选择：二条通道上的数据传送同时进行，并选择品质好的信号，冗余切换快速无扰。Siemens Profibus DP网络冗余实现麻烦，并且对于系统实现有一定影响。

以太网解决方案：EtherNet/IP——开放的（应用层使用CIP）、面向实时控制优化的TCP/IP以太网。最适合于大型系统中的上位机及处理器的组网，还有部分SCADA中的I/O及RTU扩展。不仅实现TCP/IP以太网的大容量数据包传递，还利用UDP及较小的数据包实现更快速的I/O响应。

Siemens目前主流的工业以太网（Industry Ethernet）是针对大容量数据包的信息层组网使用而开发的，不能用于扩展I/O站；并且该网络仅在物理层和数据链路层使用开放协议（符合IEEE802.3），但在传输层（不支持TCP/IP）及用户层等均为封闭的、公司自有协议。

3.2.3 I/O产品

完全智能的1756 I/O：针对工业自动化应用的最高要求而开发的产品。最适合于各类高性能系统包括DCS等等。可以通过高性能现场总线ControlNet及 EtherNet/IP进行远程扩展。以1756系列为例，A-B模块支持：

（1）带电插拔、框架式安装。

（2）每个模块均内置CPU，在完成信号转换的同时，还能完成模块、通道以及现场侧的各2种自诊断，包括短路和断路故障。少数模块提供有限的现场侧诊断功能，如无法识别断线等。

（3）模块具有抗电浪涌保护功能。通道对地隔离电压1700/2546VDC。另有通道隔离模块可选：通道间隔离电压高达1700VDC/1s@250VAC（有些品牌模块的通道间隔离为30VDC）。

（4）AI模块转换精度达16位，共模抑制比达到120dB（常规80dB）；AO模块转换精度达15位，提供输出变化率限制功能（防止切换时脉冲变化对执行机构的损害）。

（5）AI/AO模块能直接按浮点数格式向处理器发送或接受数据，保证更高的系统精度 。（其它系统的AI/AO模块只能按16位整型数格式发送/接受数据，这意味着，其模拟信号的处理过程需要用户加入浮点数/整型数的转换编程，并且该转换会占用控制器的运行负荷）。

4 高性能、多轴伺服应用

A-B伺服控制采用SERCOS光纤环网：当前伺服及数控领域最高性能的 IEC61491国际标准现场总线的特点与好处：

（1）技术特点：4/8/16 Mbps的高速光纤通讯，SERCOS光纤环网最多可连接254台伺服装置；为专业应用而优化设计的通讯协议，数据包小巧有效。

（2）性能指标：响应快速——典型同步扫描时间为1～2ms（最快62us）；确定性高 - 小于us。

（3）其它好处：省去了控制器与伺服装置的控制接线；光通讯让系统免受电磁干扰的影响。

Siemens伺服采用Profibus DP：效率低、组态维护复杂、即使使用光纤介质其性能指标也低得多。

Ultra3000& Kinetix 6000伺服装置：直接内置SERCOS通讯接口的伺服装置。并且，Kinetix 6000伺服装置还有很多创新的设计：系统由公用整流单元&供电背板、多种模块化逆变单元以及辅助单元构成。也就是说，1台Kinetix 6000就相当于多台零间隙安装的模块化伺服控制器。

ControlLogix/ SoftLogix/CompactLogix控制器：伺服和顺控在单一的高性能控制引擎内完成。

在使用上：节省硬件；并且，基于单一开发平台，用户编程、调试以及维护都很方便。

在性能上：伺服和顺控均由单一控制引擎进行处理、背板及模块统一按CST同步（us级精度）。这就从本质上保证了系统节拍的完全一致，实现高速、相互协调的多轴伺服系统。

其他厂商伺服和顺控由两个控制引擎（SIEMENS为两个独立硬件控制器）分别完成。不便于用户开发&维护。而且，两个控制器之间信号传递需要先存储再转发，所以不可避免地会有延迟，无法满足某些高性能伺服应用的需要。

作者单位

河南有色汇源铝业有限公司 河南省平顶山市 467300