PAC—先進(jìn)的可編程自動(dòng)化控制器

1 引言
自從ARC Group提出PAC (Programmable Automation Controller) 這個(gè)概念以來，作為近年來自動(dòng)化產(chǎn)業(yè)最為重要的發(fā)展趨勢(shì)之一，PAC受到了自動(dòng)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(jìn)行一些探討，以拋磚引玉。
2 為什么需要使用PAC？
PAC這個(gè)概念的提出是針對(duì)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(jì)滿足了工廠對(duì)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(jī)電工程師的思維習(xí)慣，故PLC自問世以來在自動(dòng)化控制系統(tǒng)領(lǐng)域獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷已經(jīng)有20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(qiáng)大的浮點(diǎn)數(shù)據(jù)運(yùn)算能力和較為豐富完備的通信介面，可以完成今日的系統(tǒng)化與復(fù)雜化的自動(dòng)控制技術(shù)。
在當(dāng)前的自動(dòng)化應(yīng)用里，對(duì)自動(dòng)化控制系統(tǒng)已經(jīng)提出了更高的要求，圖1示出了這些要求帶來的變化。

圖1 自動(dòng)化應(yīng)用的最新需求

雖然PLC業(yè)界已經(jīng)注意到了這一趨勢(shì)，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)通信接口等，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(jì)，其互操作性和靈活性很差(即使是對(duì)于同一品牌的PLC來說，也是這樣)，并不能完全滿足用戶的如下要求:
(1) 傳統(tǒng)的PLC均不能提供主動(dòng)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(jī)的主動(dòng)定時(shí)查詢;
(2) 因?yàn)樵趯?shí)時(shí)信息上的欠缺，要實(shí)現(xiàn)跨PLC的事件處理比較困難，且速度延遲，效果不佳;
(3) 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(jī)的集中處理，所以系統(tǒng)當(dāng)機(jī)時(shí)，立刻停擺;
(4) 系統(tǒng)的建構(gòu)由于采用了不同供應(yīng)商的多種平臺(tái)，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(shí)施并不是一件輕松和容易的事情;
(5) 系統(tǒng)升級(jí)將必須付出重新設(shè)計(jì)的成本和時(shí)間，其不可預(yù)見成本太高;
(6) 梯形圖程序的設(shè)計(jì)是基于專案進(jìn)行，每一專案均無法完全復(fù)制應(yīng)用，無法實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，從而工程設(shè)計(jì)費(fèi)用無法降低;
(7) 現(xiàn)行自動(dòng)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(shí)顯得力不從心;
(8) 無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)同步遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)傳輸，與PDA、手機(jī)的連接比較困難;
(9) 需要通過PC或第三方設(shè)備來實(shí)現(xiàn)基于WEB的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)發(fā)布。
3 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(shí)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(tái)，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(shí)現(xiàn)功能的側(cè)重，因?yàn)榛谕话l(fā)展平臺(tái)進(jìn)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(gè)完全無關(guān)的部件拼湊成的集合體。
圖2示出PAC的功能定義，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:

圖2 PAC的功能定義

(1) 供通用發(fā)展平臺(tái)和單一數(shù)據(jù)庫(kù)，以滿足多領(lǐng)域自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)和集成的需求;
(2) 一個(gè)輕便的控制引擎，可以實(shí)現(xiàn)多領(lǐng)域的功能，包括:邏輯控制、過程控制、運(yùn)動(dòng)控制和人機(jī)界面等;
(3) 允許用戶根據(jù)系統(tǒng)實(shí)施的要求在同一平臺(tái)上運(yùn)行多個(gè)不同功能的應(yīng)用程序，并根據(jù)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，在各程序間進(jìn)行系統(tǒng)資源的分配;
(4) 采用開放的模塊化的硬件架構(gòu)以實(shí)現(xiàn)不同功能的自由組合與搭配，減少系統(tǒng)升級(jí)帶來的開銷;
(5) 支持IEC-61158現(xiàn)場(chǎng)總線規(guī)范，可以實(shí)現(xiàn)基于現(xiàn)場(chǎng)總線的高度分散性的工廠自動(dòng)化環(huán)境;
(6) 支持事實(shí)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;
(7) 使用既定的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，程序語(yǔ)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。
4 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(jìn)步。在硬件方面，有重要意義的包括:嵌入式硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其中具有代表意義的是CPU技術(shù)的發(fā)展;現(xiàn)場(chǎng)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(shí)時(shí)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:
(1) 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(shí)，其體積更小、功耗更低，從而在出眾的計(jì)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(jìn)行設(shè)計(jì)，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 On Chip)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(shí)所具備的綜合優(yōu)勢(shì)，采用RISC CPU的系統(tǒng)占據(jù)了目前市場(chǎng)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(shí)，移動(dòng)存儲(chǔ)技術(shù)方面也有很大的進(jìn)展，從而使最新的系統(tǒng)可以在付出有限成本的同時(shí)，獲得大容量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，以適應(yīng)新的自動(dòng)化應(yīng)用對(duì)不斷增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)量的要求，同時(shí)又可以避免因?yàn)槭褂脵C(jī)械式硬盤帶來的系統(tǒng)崩潰的風(fēng)險(xiǎn)。
(2) 經(jīng)過14年的紛爭(zhēng)，最后IEC的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)化組織經(jīng)投票，接納了8種現(xiàn)場(chǎng)總線成為IEC61158現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)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(guó)大陸的產(chǎn)業(yè)自動(dòng)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(dòng)化的LONWorks、以及未曾列入IEC61158標(biāo)準(zhǔn)的CCLink等。
(3) 但是由于這8種現(xiàn)場(chǎng)總線采用的通信協(xié)議完全不同，因此，要實(shí)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(guó)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(guó)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(dòng)化，有以下4個(gè)問題需要解決:
l 實(shí)時(shí)性問題
由于Ethernet采用CSMA/CD碰撞檢測(cè)方式，網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷較大時(shí)，網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)牟淮_定性不能滿足工業(yè)控制的實(shí)時(shí)要求。但據(jù)測(cè)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(dá)40%以上時(shí)才會(huì)有明顯的延遲現(xiàn)象。同時(shí)，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(shí)間協(xié)議 (Standard Precision Time Protocol，PTP)。
l Ethernet如何滿足現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境問題
Ethernet所用的接插件、集線器、交換機(jī)和電纜等是為辦公室應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，不符合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)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(jī)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(guó)科動(dòng)控制系統(tǒng)公司和國(guó)內(nèi)的東土電信等。
l 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(shí)標(biāo)準(zhǔn)，并使以太網(wǎng)在傳感器級(jí)和設(shè)備級(jí)得到了大量的應(yīng)用;德國(guó)西門子公司:PROFINET(2001);美國(guó)Rockwell自動(dòng)化公司: Ethernet/IP(2000);基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線FF:HSE (2000)。
l 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。
(4) 通用的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)獲得了長(zhǎng)足的發(fā)展，并獲得了廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的美國(guó)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(shì)是微軟公司的Windows CE在推出.net版本以后，有效的解決了硬實(shí)時(shí)的問題，并以其低廉的價(jià)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(shì)，獲得一些特殊應(yīng)用客戶及中小制造商的歡迎。
(5) 符合IEC-61131-3標(biāo)準(zhǔn)的軟邏輯編程語(yǔ)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(jī)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(shí)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(yǔ)言實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的算法或通信編程，例如VB.net、EVC、VC#、JAVA等。目前IEC-61131-3標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了基本層的轉(zhuǎn)載(包括編碼體和變量)，正在進(jìn)行攜帶層的轉(zhuǎn)載(包括函數(shù)和功能塊)，并最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)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(jí)時(shí)的開銷。
(6) 在人機(jī)介面的部分，一些軟邏輯開發(fā)工具均同時(shí)提供HMI開發(fā)套件，例如ISaGRAF、Micro Trace Mode、KW MultiProg等。如果有更進(jìn)一步的需求，一些專業(yè)的SCADA/HMI軟件廠商也提供針對(duì)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。
5 目前主流的PAC系統(tǒng)
目前已有多個(gè)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PACS ystemsTM 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PACSystemsTM 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(jí)到Pentium IV-M 2.5GHz處理器，其特色在于整合了測(cè)試測(cè)量領(lǐng)域中應(yīng)用非常廣泛的開發(fā)平臺(tái)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見圖3:

圖3 ICPDAS的Smart PAC——WinCon-8000

圖3是ICPDAS泓格科技的WinCon-8000，筆者就以此為例來說明目前新一代可編程自動(dòng)化控制器可以完成的功能及其特點(diǎn):
(1) 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(chǎng)合，對(duì)應(yīng)所規(guī)劃的信號(hào)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(shí)其采購(gòu)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(見圖4)，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(diǎn)，采用Token Ring的方式，無須軟件協(xié)議，在固定的時(shí)間內(nèi)可以掃描所有I/O點(diǎn)，再透過Dual-Port RAM的方式與主控制層做溝通。

圖4 WinCon的應(yīng)用架構(gòu)

(2) 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(jì)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(tái)PLC來使用，而且還有以下幾點(diǎn)PLC所不能做到的功能，如此架構(gòu)可以產(chǎn)生PLC Plus的效果。
(3) 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(jì)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(dòng)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。
(4) 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(hào)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(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化。舉例來說:以前任何一個(gè)程序要與PLC相連以讀寫相關(guān)信號(hào)點(diǎn)，必須自行設(shè)計(jì)通信驅(qū)動(dòng)程序，但是對(duì)于各種PLC不同的通信方式及信號(hào)安排都需熟悉，系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(tái) WinCon就可以搞定一切。
(5) SQL數(shù)據(jù)庫(kù):此功能是非常重要的一點(diǎn)。此為標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)，與Windows SQL Server同一等級(jí)。一般控制系統(tǒng)因?yàn)槭芟抻谟布募軜?gòu)，只能專注于信號(hào)點(diǎn)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(jià)格更便宜，因此大量資料的儲(chǔ)存及處理變成可能，可以擴(kuò)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(bào)紀(jì)錄、作業(yè)程序步驟、影像文件、語(yǔ)音文件、設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)紀(jì)錄、大量信號(hào)數(shù)據(jù)記錄等各種形式數(shù)據(jù)的運(yùn)用。當(dāng)數(shù)據(jù)越詳細(xì)，活用數(shù)據(jù)的機(jī)會(huì)越多，就會(huì)創(chuàng)造許多新的功能;信息越透明就會(huì)使得控制更為精確，同時(shí)也降低人為的錯(cuò)誤率，并且延伸出許多新的應(yīng)用手法。
(6) 網(wǎng)絡(luò)聯(lián)機(jī)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(jì)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(shí)，然后設(shè)計(jì)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(jí)的程序設(shè)計(jì)技巧。同時(shí)通信的形式又有多種選擇，例如:短信、語(yǔ)音通知、影像傳輸、E-mail、Message、主動(dòng)廣播、多數(shù)或單獨(dú)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(jī)、Internet瀏覽器等。如今以上的一切都交給iPush就可以了，如圖5所示:

圖5 iPush實(shí)現(xiàn)基于TCP/IP的實(shí)時(shí)主動(dòng)同步通信

(7) 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(shí)也有多種接口API以作為整合設(shè)計(jì)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(gè)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(jì)特有功能的程序，然后整合至原有套裝系統(tǒng)，變成一個(gè)新的應(yīng)用系統(tǒng)。
6 結(jié)束語(yǔ)
在可以預(yù)見的幾年內(nèi)，對(duì)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(dòng)化產(chǎn)品的重要特征，作為融匯了IPC和PLC的優(yōu)點(diǎn)的PAC系統(tǒng)必將成為控制系統(tǒng)的主流。自動(dòng)化供應(yīng)商在最近幾年將會(huì)推出更多適合各領(lǐng)域個(gè)性化應(yīng)用的控制器及新的功能，以滿足廣泛和不斷增長(zhǎng)的需求。