PAC--先進的可編程自動化控制器

PAC--先進的可編程自動化控制器

PAC 這個概念的提出是針對PLC (Programmable Logic Controller) 的概念而來，作為一種快速和可靠的解決方案，PLC的設計滿足了工廠對于使用環(huán)境和可靠性的要求，而且其編程方式也非常適合機電工程師的思維習慣，故PLC自問世以來在自動化控制系統(tǒng)領域獨領風騷已經(jīng)有二十多年的歷史了。目前的PLC已經(jīng)不僅限于在邏輯控制的應用，一些新一代的大中型PLC已經(jīng)具備了比較強大的浮點數(shù)據(jù)運算能力和較為豐富完備的通訊介面，可以完成今日的系統(tǒng)化與復雜化的自動控制技術。

在當前的自動化應用里，對自動化控制系統(tǒng)已經(jīng)提出了更高的要求，下表列出了這些要求帶來的變化。

圖一 自動化應用的最新需求

雖然PLC業(yè)界已經(jīng)注意到了這一趨勢，并通過將PC技術應用于PLC產(chǎn)品，直接提供OPC Server、WEB Server及IEEE標準通訊接口等，以提供更高的應用靈活性。但是受限于傳統(tǒng)PLC專屬式的設計，其互操作性和靈活性很差（即使是對于同一品牌的PLC來說，也是這樣），并不能完全滿足用戶的要求：

傳統(tǒng)的PLC均不能提供主動的事件通知，系統(tǒng)的集中監(jiān)視管理有賴于服務器主機的主動定時查詢；
因為在實時信息上的欠缺，要實現(xiàn)跨PLC的事件處理比較困難，且速度延遲，效果不佳；
無法提供本地直接處理的預約控制，預約控制完全有賴于服務器主機的集中處理，所以系統(tǒng)當機時，立刻停擺；
系統(tǒng)的建構由于采用了不同供應商的多種平臺，為整合各種不同的專用總線，系統(tǒng)之銜接有賴于第三方提供的OPC Server或Gateway，故其實施并不是一件輕松和容易的事情；
系統(tǒng)升級將必須付出重新設計的成本和時間，其不可預見成本太高。

梯形圖程序的設計是基于個案進行，每一專案均無法完全復制應用，無法實現(xiàn)標準化，從而工程設計費用無法降低；
現(xiàn)行自動化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)容量太小，在適應新的應用需求時顯得力不從心；
無法實現(xiàn)實時同步遠程的數(shù)據(jù)傳輸，與PDA、手機的連接比較困難；
需要通過PC或第三方設備來實現(xiàn)基于WEB的遠程數(shù)據(jù)發(fā)布。

什么是PAC

雖然從外形上來看，PAC與傳統(tǒng)的PLC非常相似，但究其實質，PAC系統(tǒng)的性能卻廣泛得多。作為一種多功能的控制平臺，用戶可以根據(jù)系統(tǒng)的需要，組合和搭配相關的技術和產(chǎn)品以實現(xiàn)功能的側重，因為基于同一發(fā)展平臺進行開發(fā)，所以采用PAC系統(tǒng)保證了控制系統(tǒng)各功能模塊具有統(tǒng)一性，而不僅是一個完全無關的部件拼湊成的集合體。

綜合業(yè)界專家的意見，所謂PAC系統(tǒng)應該具備以下一些主要的特征和性能：

圖二 PAC的功能定義

提供通用發(fā)展平臺和單一數(shù)據(jù)庫，以滿足多領域自動化系統(tǒng)設計和集成的需求
一個輕便的控制引擎，可以實現(xiàn)多領域的功能，包括：邏輯控制、過程控制、運動控制和人機界面等
允許用戶根據(jù)系統(tǒng)實施的要求在同一平臺上運行多個不同功能的應用程序，并根據(jù)控制系統(tǒng)的設計要求，在各程序間進行系統(tǒng)資源的分配
采用開放的模塊化的硬件架構以實現(xiàn)不同功能的自由組合與搭配，減少系統(tǒng)升級帶來的開銷
支持IEC-61158現(xiàn)場總線規(guī)范，可以實現(xiàn)基于現(xiàn)場總線的高度分散性的工廠自動化環(huán)境
支持事實上的工業(yè)以太網(wǎng)標準，可以與工廠的EMS、ERP系統(tǒng)輕易集成
使用既定的網(wǎng)絡協(xié)議，程序語言標準來保障用戶的投資及多供應商網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)交換

PAC系統(tǒng)的關鍵技術

PAC的產(chǎn)生受益于近年來在嵌入式系統(tǒng)領域的發(fā)展與進步。在硬件方面，有重意義的包括：嵌入式硬件系統(tǒng)設計，其中具有代表意義的是CPU技術的發(fā)展；現(xiàn)場總線技術的發(fā)展；工業(yè)以太網(wǎng)的廣泛應用。在軟件方面則包括：嵌入式實時操作系統(tǒng)；軟邏輯編程技術；嵌入式組態(tài)軟件的發(fā)展等。試分別說明如下：

跟隨摩爾定律的發(fā)展，最新的高性能CPU在獲得更高的處理能力的同時，其體積更小、功耗更低，從而在出眾的計算能力以及工業(yè)用戶最為關心的穩(wěn)定性和可靠性方面獲得平衡，使制造廠商有可能去選擇通用的標準的嵌入式系統(tǒng)結構進行設計，擺脫傳統(tǒng)PLC因采用專有的硬件結構體系帶來的局限，使系統(tǒng)具備更為豐富的功能前景和開放性。

在現(xiàn)有面世的PAC系統(tǒng)中，被廣泛采用的是低功耗、高性能的SOC (System On Chip) 核心處理器。這里面既有采用CISC架構的CPU，如Mobile Pentium系列CPU，也有采用RISC架構的CPU，如ARM系列、SHx系列等，當然也有使用MIPS CPU的。綜合比較而言，由于RISC CPU在應用于工業(yè)控制系統(tǒng)時所具備的綜合優(yōu)勢，采用RISC CPU的系統(tǒng)占據(jù)了目前市場所供應的控制系統(tǒng)的多數(shù)。

在CPU技術發(fā)展的同時，移動存儲技術方面也有很大的進展，從而使最新的系統(tǒng)可以在付出有限成本的同時，獲得大容量的數(shù)據(jù)存儲空間，以適應新的自動化應用對不斷增長的數(shù)據(jù)量的要求，同時又可以避免因為使用機械式硬盤帶來的系統(tǒng)崩潰的風險。

經(jīng)過14年的紛爭，最后IEC的現(xiàn)場總線標準化組織經(jīng)投票，接納了8種現(xiàn)場總線成為IEC61158現(xiàn)場總線標準，即：FF H1，Control Net，PROFIBUS，INTERBUS，P-Net，World FIP，Swift Net，F(xiàn)F之高速Ethernet即HSE。IEC61158現(xiàn)場總線標準的最終塵埃落定，使在工業(yè)控制在設備層和傳感器層有了可以遵循的標準。目前在中國大陸的產(chǎn)業(yè)自動化應用領域，影響比較大的有：PROFIBUS、基于CAN總線的DeviceNET、主要應用于建筑自動化的LONWorks、以及未曾列入IEC61158標準的CCLink等。

但是由于這8種現(xiàn)場總線采用的通信協(xié)議完全不同，因此，要實現(xiàn)這些總線的兼容和互操作是十分困難的。其可能的出路是采用已經(jīng)是通用的國際標準Ethernet、TCP/IP等協(xié)議，并使其符合工業(yè)應用的要求，而且這種方案最容易被廣大國家的用戶、集成商、OEM及制造商接受和歡迎。

但是要把Ethernet用于工業(yè)自動化，有以下4個問題需要解決：

1、實時性問題。由于Ethernet采用CSMA/CD碰撞檢測方式，網(wǎng)絡負荷較大時，網(wǎng)絡傳輸?shù)牟淮_定性不能滿足工業(yè)控制的實時要求。但據(jù)測試，在典型的工業(yè)應用中，其峰值負載在500K左右，相當于10M Ethernet的5%，或100M Ethernet的0.5%，而Ethernet只有當負載達40%以上時才會有明顯的延遲現(xiàn)象。同時，目前已經(jīng)開發(fā)出多種有用方法以提高以太網(wǎng)相關組件及軟件的速度，并使數(shù)據(jù)的發(fā)送和接受更可靠。這其中最有前途的解決方案是IEEE1588標準精準時間協(xié)議 (Standard Precision Time Protocol，PTP)。
2、Ethernet如何滿足現(xiàn)場環(huán)境問題。Ethernet所用的接插件、集線器、交換機和電纜等是為辦公室應用而設計的，不符合工業(yè)現(xiàn)場惡劣環(huán)境的要求。為了解決在不間斷的工業(yè)應用領域，在極端條件下網(wǎng)絡也能穩(wěn)定地工作的問題，目前已有多家公司專門開發(fā)和生產(chǎn)了DIN導軌式收發(fā)器、集線器和交換機系列產(chǎn)品，并有冗余電源供電，接插件采用牢固的DB-9結構，如美國科動控制系統(tǒng)公司和國內(nèi)的東土電信等。
3、在工業(yè)控制中使用Ethernet如何獲得技術支持。在工業(yè)以太網(wǎng)的應用層，有四種標準獲得了廣泛的支持和應用：施奈德公司：ModbusTCP/IP (1998) 是目前工業(yè)以太網(wǎng)的事實標準，并使以太網(wǎng)在傳感器級和設備級得到了大量的應用；德國西門子公司：PROFINET (2001)；美國Rockwell自動化公司： Ethernet/IP (2000)；基金會現(xiàn)場總線FF：HSE (2000)。
4、Ethernet與網(wǎng)絡安全問題。目前有多種軟硬件技術可以有效的解決網(wǎng)絡安全的問題。
通用的嵌入式實時操作系統(tǒng)獲得了長足的發(fā)展，并獲得了廣泛的應用。傳統(tǒng)的美國WindRiver公司的Vx Works、PSOS操作系統(tǒng)在高端領域還是有很高的占有率；另一引人注目的趨勢是微軟公司的Windows CE在推出.net版本以后，有效的解決了硬實時的問題，并以其低廉的價格和廣泛的客戶群獲得了用戶的青睞；作為開放源碼的代表，Linux操作系統(tǒng)也推出了其嵌入式版本，并以其在成本、開放性、安全性上面的優(yōu)勢，獲得一些特殊應用客戶及中小制造商的歡迎。
符合IEC-61131-3標準的軟邏輯編程語言的發(fā)展，有效的整合了傳統(tǒng)PLC在編程技術上的積累，使廣大的機電工程師可以在基于PC的系統(tǒng)上使用其熟悉的編程方式實現(xiàn)其控制邏輯。另一方面在PAC系統(tǒng)上，工程師也可以使用高階語言實現(xiàn)復雜的算法或通訊編程，例如VB.net、EVC、VC#、JAVA等。目前IEC-61131-3標準已經(jīng)實現(xiàn)了基本層的轉載（包括編碼體和變量），正在進行攜帶層的轉載（包括函數(shù)和功能塊），并最終實現(xiàn)整個編譯層的轉載（應用程序）。從而有效提高不同供應商設備間的互操作性，并減少系統(tǒng)升級時的開銷。
在人機介面的部分，一些軟邏輯開發(fā)工具均同時提供HMI開發(fā)套件，例如ISaGRAF、Micro Trace Mode、KW MultiProg等。如果有更進一步的需求，一些專業(yè)的SCADA/HMI軟件廠商也提供針對嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的套裝軟件，例如組態(tài)王公司的嵌入版KingView、Indusoft等。

目前主流的PAC系統(tǒng)

目前已有多個廠家提供符合PAC定義的特征與性能的產(chǎn)品，其中有代表性的有：GE Fanuc公司的PACSystems RX3i/7i、NI公司的Compact FieldPoint、Beckoff 公司的CX1000、ICPDAS泓格科技的WinCon/LinCon等。

其中GE Fanuc公司的PACSystems? RX3i/7i的CPU采用了Pentium III 300/700MHz處理器，操作系統(tǒng)為WindRiver的Vx Works，RX3i為VME64總線，RX7i為CompactPCI總線；NI公司的Compact FieldPoint的CPU即將升級到Pentium IV-M 2.5GHz處理器，其特色在于整合了測試測量領域中應用非常廣泛的開發(fā)平臺LabView；Beckoff公司 的CX1000的CPU為Pentium MMX 266MHz處理器；操作系統(tǒng)為Windows CE .net或Embedded Windows XP；ICPDAS泓格科技的WinCon/LinCon的CPU為StrongRAM 206MHz處理器，WinCon的操作系統(tǒng)為Windows CE .net；LinCon的操作系統(tǒng)為Embedded Linux。

圖三 ICPDAS的Smart PAC——WinCon-8000

上圖是ICPDAS泓格科技的WinCon-8000，我們就以此為例來說明目前新一代可編程自動化控制器可以完成的功能及其特點：

I/O模塊：WinCon支持的I/O模塊分成三類：串行式連接、Ethernet網(wǎng)絡連接、并行式（Build in I/O）連接等。此三種架構的I/O模塊都有適用的場合，對應所規(guī)劃的信號響應速度，選擇所需的種類。與PLC的I/O模塊相比，其模擬量I/O具有更高的精準度和采樣速度，同時其采購成本更低。

另外WinCon的網(wǎng)絡I/O將陸續(xù)支援CAN(Control Area Network) 總線與泓格自有的FRNet，透過Modbus/RTU、CANOpen、DeviceNet等通信規(guī)約，可以與泓格的I-7000、I-8000及其它廠牌的CAN I/O相連接，而FRNet則是沿用了PLC架構的優(yōu)點，采用Token Ring的方式，無須軟件協(xié)議，在固定的時間內(nèi)可以掃描所有的I/O點，再透過Dual-Port RAM的方式與主控制層做溝通。

圖四 WinCon的應用架構

Soft PLC：提供ISaGRAF、Micro Trace Mode等Soft Logic PLC的軟件包，可以完全執(zhí)行PLC的梯形圖程序功能。使用方式就是先于PC上編輯設計梯形圖應用程序，然后下載至WinCon-8000執(zhí)行。也就是可以當作一臺PLC來使用，而且還有以下幾點PLC所不能做到的功能，如此架構可以產(chǎn)生PLC Plus的效果。

SCADA系統(tǒng)：提供Embedded View、Indusoft Web Studio、AdAstrA Embedded HMI等套裝監(jiān)控系統(tǒng)。由于WinCon上提供的是執(zhí)行版本，先在PC上設計所要的監(jiān)控畫面，然后下載至WinCon上執(zhí)行。這些監(jiān)控系統(tǒng)也具備各種PLC的通信模塊以及OPC Client的驅動程序，所以除了與WinCon本身的I/O模塊通信外，還很容易地與其它PLC通信。

OPC和Modbus支援：WinCon提供OPC以及Modbus等兩種數(shù)據(jù)通信方式，可以與外部系統(tǒng)做I/O信號值的數(shù)據(jù)交換。這些通信方式為工控業(yè)界的兩大通信標準，所以系統(tǒng)整合也可以實現(xiàn)標準化。舉例來說：以前任何一個程序要與PLC相連以讀寫相關信號點，必須自行設計通信驅動程序，但是對于各種PLC不同的通信方式及信號安排都需熟悉，系統(tǒng)設計門坎非常的高。如今只要依據(jù)以上兩種通信標準，市面上有許多組件可以使用。只要使用一臺 WinCon就可以搞定一切。

SQL數(shù)據(jù)庫：此功能是非常重要的一點。此為標準的關系型數(shù)據(jù)庫，與Windows SQL Server同一等級。一般控制系統(tǒng)因為受限于硬件的架構，只能專注于信號點的處理，而無法做大量數(shù)據(jù)的處理。但是PC軟硬件系統(tǒng)的發(fā)展，使得此方面的基礎系統(tǒng)健全，而且價格更便宜，因此大量資料的儲存及處理變成可能，可以擴展許多新的應用領域。例如：配方表、生產(chǎn)工單、產(chǎn)品品質紀錄、操作紀錄、警報紀錄、作業(yè)程序步驟、影像文件、語音文件、設備運轉紀錄、大量信號數(shù)據(jù)記錄等各種形式數(shù)據(jù)的運用。當數(shù)據(jù)越詳細，活用數(shù)據(jù)的機會越多，就會創(chuàng)造許多新的功能；信息越透明就會使得控制更為精確，同時也降低人為的錯誤率，并且延伸出許多新的應用手法。

網(wǎng)絡聯(lián)機iPush：此功能打開一扇網(wǎng)絡方便門，使得應用系統(tǒng)使用者不用知道背后復雜的網(wǎng)絡處理程序。以往如果設計網(wǎng)絡系統(tǒng)，就必須知道TCP/IP、Socket、網(wǎng)絡通信協(xié)議7層架構等技術知識，然后設計網(wǎng)絡通信程序，又要考慮通信量、通信速度、Socket API使用、通信Timing的掌握等高級的程序設計技巧。同時通信的形式又有多種選擇，例如：短信、語音通知、影像傳輸、E-mail、Message、主動廣播、多數(shù)或單獨通知、通信頻率、單向或雙向通信等不同方式。最后接收端的選擇也是多樣性，例如：監(jiān)控系統(tǒng)、OPC Server、Excel、PDA、手機、Internet瀏覽器等。如今以上的一切都交給iPush就可以了，如下圖所示。

圖五 iPush實現(xiàn)基于TCP/IP的實時主動同步通訊

開發(fā)工具應用：如果要自行開發(fā)程序，有Visual Basic .net、Visual C#、Embedded Visual C++等多種工具。同時也有多種接口API以作為整合設計用。例如：控制I/O的DLL、iPush組件、SCADA System API、SQL Server API、Modbus Protocol DLL、OPC接口等。也就是可以由各種功能層面得到所要的連接接口，如此形成一個完全的整合系統(tǒng)，無論從哪一方面切入都可以得到滿意的整合性。所以使用者可以放心去設計特有功能的程序，然后整合至原有套裝系統(tǒng)，變成一個新的應用系統(tǒng)。

遠景展望

在可以預見的幾年內(nèi)，對標準性、開放性、可互操作性、可移植性的要求將是用戶至為關心的自動化產(chǎn)品的重要特征，作為融匯了IPC和PLC的優(yōu)點的PAC系統(tǒng)必將成為控制系統(tǒng)的主流。自動化供應商在最近幾年將會推出更多適合各領域個性化應用的控制器及新的功能，以滿足廣泛和不斷增長的需求。