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注。筆者試圖在本文里就PAC的產(chǎn)生及其關鍵技術進行一些探討，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(gòu)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(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，組合和搭配相關的技術和產(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的功能應用

　　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(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

　　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(jié)構(gòu)進行設計，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 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(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(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PACSystemsÔ 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PACSystemsÔ 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 2.5。