關(guān)鍵詞：PAC；控制；PLC；標(biāo)準(zhǔn)化；ICPDAS；WinCon 自從ARC Group 提出PAC （Programmable Automation Controller） 這個概念以來，作為近年來自動化產(chǎn)業(yè)最為重要的發(fā)展趨勢之一，PAC 受到了自動化業(yè)界及終端用戶的廣泛關(guān)注。筆者試圖在本文里就PAC 的產(chǎn)生及其關(guān)鍵技術(shù)進行一些探討，以拋磚引玉。 為什么需要使用PAC 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(shè)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(xí)慣，故PLC 自問世以來在自動化控制系統(tǒng)領(lǐng)域獨領(lǐng)風(fēng)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(yīng)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(fù)雜化的自動控制技術(shù)。 在當(dāng)前的自動化應(yīng)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。 [align=center][IMG=自動化應(yīng)用的最新需求]/uploadpic/THESIS/2007/8/2007080115441793259W.jpg[/IMG] 圖一 自動化應(yīng)用的最新需求[/align] 雖然PLC 業(yè)界已經(jīng)注意到了這一趨勢，并通過將PC 技術(shù)應(yīng)用于PLC 產(chǎn)品，直接提供OPC Server、WEB Server 及IEEE 標(biāo)準(zhǔn)通訊接口等，以提供更高的應(yīng)用靈活性。但是受限于傳統(tǒng)PLC 專屬式的設(shè)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(wù)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(yù)約控制，預(yù)約控制完全有賴于服務(wù)器主機的集中處理，所以系統(tǒng)當(dāng)機時，立刻停擺； 􀁺 ●系統(tǒng)的建構(gòu)由于采用了不同供應(yīng)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(shè)計的成本和時間，其不可預(yù)見成本太高。 􀁺 ●梯形圖程序的設(shè)計是基于個案進行，每一專案均無法完全復(fù)制應(yīng)用，無法實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，從而工程設(shè)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(yīng)新的應(yīng)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(shè)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(zhì)，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(guān)的技術(shù)和產(chǎn)品以實現(xiàn)功能的側(cè)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(guān)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(yīng)該具備以下一些主要的特征和性能： [align=center] 圖二 PAC 的功能定義[/align] 􀁺 ●提供通用發(fā)展平臺和單一數(shù)據(jù)庫，以滿足多領(lǐng)域自動化系統(tǒng)設(shè)計和集成的需求 􀁺 ●一個輕便的控制引擎，可以實現(xiàn)多領(lǐng)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(yīng)用程序，并根據(jù)控制系統(tǒng)的設(shè)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(gòu)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(biāo)準(zhǔn)，可以與工廠的EMS、ERP 系統(tǒng)輕易集成 􀁺 ●使用既定的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，程序語言標(biāo)準(zhǔn)來保障用戶的投資及多供應(yīng)商網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交換 PAC 系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù) PAC 的產(chǎn)生受益于近年來在嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)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(shè)計，其中具有代表意義的是CPU 技術(shù)的發(fā)展；現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展；工業(yè)以太網(wǎng)的廣泛應(yīng)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(shù)；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(guān)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(biāo)準(zhǔn)的嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，擺脫傳統(tǒng)PLC 因采用專有的硬件結(jié)構(gòu)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 OnChip） 核心處理器。這里面既有采用CISC 架構(gòu)的CPU，如Mobile Pentium 系列CPU，也有采用RISC 架構(gòu)的CPU，如ARM 系列、SHx 系列等，當(dāng)然也有使用MIPS CPU 的。綜合比較而言，由于RISC CPU 在應(yīng)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(yīng)的控制系統(tǒng)的多數(shù)。在CPU 技術(shù)發(fā)展的同時，移動存儲技術(shù)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(yīng)新的自動化應(yīng)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(fēng)險。 􀁺 ●經(jīng)過14 年的紛爭，最后IEC 的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)，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(biāo)準(zhǔn)的最終塵埃落定，使在工業(yè)控制在設(shè)備層和傳感器層有了可以遵循的標(biāo)準(zhǔn)。目前在中國大陸的產(chǎn)業(yè)自動化應(yīng)用領(lǐng)域，影響比較大的有：PROFIBUS、基于CAN 總線的DeviceNET、主要應(yīng)用于建筑自動化的LONWorks、以及未曾列入IEC61158 標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)Ethernet、TCP/IP 等協(xié)議，并使其符合工業(yè)應(yīng)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(luò)負(fù)荷較大時，網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用中，其峰值負(fù)載在500K 左右，相當(dāng)于10M Ethernet 的5%，或100M Ethernet的0.5%，而Ethernet 只有當(dāng)負(fù)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(guān)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(biāo)準(zhǔn)精準(zhǔn)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(yīng)用而設(shè)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(yīng)用領(lǐng)域，在極端條件下網(wǎng)絡(luò)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(dǎo)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(jié)構(gòu)，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(shù)支持。在工業(yè)以太網(wǎng)的應(yīng)用層，有四種標(biāo)準(zhǔn)獲得了廣泛的支持和應(yīng)用：施奈德公司：ModbusTCP/IP （1998） 是目前工業(yè)以太網(wǎng)的事實標(biāo)準(zhǔn)，并使以太網(wǎng)在傳感器級和設(shè)備級得到了大量的應(yīng)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(luò)安全問題。目前有多種軟硬件技術(shù)可以有效的解決網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用。傳統(tǒng)的美國WindRiver 公司的Vx Works、PSOS 操作系統(tǒng)在高端領(lǐng)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(yīng)用客戶及中小制造商的歡迎。 􀁺 ●符合IEC-61131-3 標(biāo)準(zhǔn)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(shù)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(fù)雜的算法或通訊編程，例如VB.net、EVC、VC#、JAVA 等。目前IEC-61131-3標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)實現(xiàn)了基本層的轉(zhuǎn)載（包括編碼體和變量），正在進行攜帶層的轉(zhuǎn)載（包括函數(shù)和功能塊），并最終實現(xiàn)整個編譯層的轉(zhuǎn)載（應(yīng)用程序）。從而有效提高不同供應(yīng)商設(shè)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PentiumIV-M 2.5GHz 處理器，其特色在于整合了測試測量領(lǐng)域中應(yīng)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。 [align=center][IMG=WinCon-8000]/uploadpic/THESIS/2007/8/20070801155815592117.jpg[/IMG] 圖三 ICPDAS 的Smart PAC——WinCon-8000[/align] 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(luò)連接、并行式（Build in I/O）連接等。此三種架構(gòu)的I/O 模塊都有適用的場合，對應(yīng)所規(guī)劃的信號響應(yīng)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(zhǔn)度和采樣速度，同時其采購成本更低。 另外WinCon 的網(wǎng)絡(luò)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(gòu)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。 [align=center][IMG=WinCon 的應(yīng)用架構(gòu)]/uploadpic/THESIS/2007/8/200708011600227892227.jpg[/IMG] 圖四 WinCon 的應(yīng)用架構(gòu)[/align] 􀁺 ●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(shè)計梯形圖應(yīng)用程序，然后下載至WinCon-8000 執(zhí)行。也就是可以當(dāng)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(gòu)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(shè)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(qū)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(biāo)準(zhǔn)，所以系統(tǒng)整合也可以實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化。舉例來說：以前任何一個程序要與PLC相連以讀寫相關(guān)信號點，必須自行設(shè)計通信驅(qū)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(shè)計門坎非常的高。如今只要依據(jù)以上兩種通信標(biāo)準(zhǔn)，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(biāo)準(zhǔn)的關(guān)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(gòu)，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(chǔ)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(yīng)用領(lǐng)域。例如：配方表、生產(chǎn)工單、產(chǎn)品品質(zhì)紀(jì)錄、操作紀(jì)錄、警報紀(jì)錄、作業(yè)程序步驟、影像文件、語音文件、設(shè)備運轉(zhuǎn)紀(jì)錄、大量信號數(shù)據(jù)記錄等各種形式數(shù)據(jù)的運用。當(dāng)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(yīng)用手法。 􀁺 ●網(wǎng)絡(luò)聯(lián)機iPush：此功能打開一扇網(wǎng)絡(luò)方便門，使得應(yīng)用系統(tǒng)使用者不用知道背后復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)處理程序。以往如果設(shè)計網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，就必須知道TCP/IP、Socket、網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議7 層架構(gòu)等技術(shù)知識，然后設(shè)計網(wǎng)絡(luò)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(shè)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。 [align=center] 圖五 iPush 實現(xiàn)基于TCP/IP 的實時主動同步通訊[/align] 􀁺 ●開發(fā)工具應(yīng)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(shè)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(shè)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(yīng)用系統(tǒng)。 遠景展望 在可以預(yù)見的幾年內(nèi)，對標(biāo)準(zhǔn)性、開放性、可互操作性、可移植性的要求將是用戶至為關(guān)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(yīng)商在最近幾年將會推出更多適合各領(lǐng)域個性化應(yīng)用的控制器及新的功能，以滿足廣泛和不斷增長的需求。