從PLC到WinAC和PAC---追求開放、靈活和高效

0  前言

   自從美國數字設備公司（DEC）設計制造的第一臺PLC于1969年率先投入汽車工業應用以來， PLC（可編程序控制器）為各行各業的用戶和設備配套廠商提供了高可靠性、快速和多功能的控制方案及系統，對世界范圍內高水平工業化的迅速推進做出了劃時代的巨大貢獻。

   PLC最初主要是為完成各種順序和邏輯控制任務（對應于繼電器控制線路的功能）而設計開發的，隨著技術的進步和需求面的擴展，PLC系統又逐漸擴充了過程（回路）控制、運動控制、通信和人機界面等功能。現代的歐美主流PLC系統，借助于當今最先進的電子技術、計算機技術、網絡通信技術、圖形及圖像處理技術、現場總線技術和先進的自動化控制理論，在經過網絡化和DCS（分布式控制系統或稱集散系統）開發后，更是具備了功能強大、應用方便的人機界面功能、DCS功能、PC功能、伺服運動控制功能和以互聯網、工業以太網和各種現場總線為主要構架的網絡通信功能。

   其中性能優良的Siemens的PCS 7系列（在TELEPERM系列集散系統和S7-400系列PLC的基礎上開發）、GE Fanuc的PA30和PA70系列（分別在90TM-30和90TM-70系列PLC的基礎上開發）DCS/PLC混合系統在過去幾年中已得到較為廣泛的應用，而Rockwell AB最新推出的基于批處理、過程控制、SCADA應用的開放型混合控制系統ProcessLogix也同樣優秀。當前控制系統總的發展趨勢是：PLC與DCS甚至PC的功能正在互相滲透，互相補充，而且都在朝著智能化、網絡化（FCS——現場總線控制系統）、提高處理能力與實時性、高度開放和EIC（電氣、儀表和計算機）三電一體化的方向發展。

   然而，為實現更完善和更靈活的控制功能并滿足多層次的網絡通信的需要，使用PLC的工程師們不得不考慮已投運的控制系統（特別是早期投入的系統）的更新換代問題。雖然PLC在相當長的一段時期中為各種用戶（主要是工業應用）提供了有效的控制解決方法，但我們不能過分關注這些過去的成績，而應以發展的眼光去探討更加完美的未來！

   本世紀初，德國Siemens公司開始在亞洲推廣應用基于PC技術的自動化系統WinAC，而美國GE Fanuc公司則在大約兩年前推出了一種全新概念的PAC系統，這是在當前自動化領域技術革命中兩種具有代表性而其技術理念互不相同，又不同于傳統的PLC和DCS的先進自動化系統。


   1  實現企業“管控一體化”要求更開放、更靈活和功能更全面的控制系統

   一般來說，PLC系統是基于專用架構而構成的，并為某一特定應用中的主體設備的動作和工藝需求而進行系統配置和編程，此外，它們中的大部分還很難滿足實時性要求較高的系統和復雜的過程控制系統以及大型企業中日益增長的多層次（包括現場設備控制與檢測、基礎自動化、過程自動化、生產執行和經營管理層）的數據通信需求。為實現這種需求，企業的自動化系統經常需要進行整體升級。在最近幾年，很多自動化和計算機公司已經開始規劃與以前完全不同的工廠車間底層控制裝置和網絡系統，而且擬實現它們與過程級和企業管理級的數據通信。

   某些大型企業的目標是實現所謂的“管控一體化”，它的重要技術特征是在進行系統集成中，必須保證統一的數據管理、統一的數據通信、統一的組態和編程環境。

   自1973年英國J·Harrington博士提出CIMS計算機集成制造的概念以來，逐漸在機械工業及其它離散生產線工業形成了CIMS計算機集成制造系統，在石油、化工、冶金、電力、建材、輕工、醫藥、食品等流程生產線為主的行業形成了計算機集成生產系統(CIPS)，一般人對此兩者統稱為CIMS。由于計算機技術、網絡技術和現代企業管理科學的發展，CIMS中管理和控制兩方面的軟硬件技術進一步集成，加之需求方的制造商和產品用戶的利潤和客戶滿意度等項指標的綜合要求，都需要管理和控制一體化，所以“管控一體化”的提法為更多的人接受。大家意識到要使企業與市場經濟接軌，要增強企業核心競爭力，“管控一體化”的實施是當務之急。“管控一體化”通常分為三層結構，即BPS經營計劃系統、MES制造執行系統、PCS過程控制系統（簡稱為管理層/生產層/控制層）。有鑒于BPS層是以ERP企業資源計劃為主，故三層結構表述為:ERP/MES/PCS。

   當今對策劃“管控一體化”表現得最為積極的當屬于工業自動化產品的供應商，這些年來，各大著名公司分別推出了一系列的解決方案，下列系統均屬于“管控一體化”概念的范疇,但并不意味著它們均符合我們上面提到的具備開放、靈活、實時性和高處理能力等先進系統的標準，也不一定全面包含了“管控一體化”中三個層面的內容： 

   西門子公司——全集成自動化(TIA)；GE Fanuc公司 ——智能化生產管理(IPM) ；

   羅克韋爾公司(AB) ——電子化制造(e-Manufacturing) ；施耐德公司(MODICON) ——透明工廠；

   ABB公司——Industrial IT；Honeywell公司——Experion PKS系統； Foxboro公司——I/A Series A2系統；橫河電機公司——企業技術解決方案(ETS、e-RM)等。

   實現“管控一體化”意味著能獲得更多的商業利益：

   1） 較強的開放性使我們可采用不同公司生產的通用和標準化產品來構成系統，還可在世界上任何地點設計和制造來拓展該標準產品流程的全球化，做到盡可能地降低成本；

   2） 較強的靈活性將賦予制造業及時調整產品結構和生產工藝的能力，盡可能減少原材料和人力資源消耗，并對瞬息萬變的市場做出迅速的應對；

   3） 優越的操作性有助于企業生產更高級的產品，獲得更多利潤并擴展業務；

   4） 完善的企業信息管理將加強企業的核心競爭力，并能更加合理、準確地定位主體市場和業務。

 
   2  傳統控制系統的局限性

   顯然，傳統的PLC系統很難提供構成上述“管控一體化”所需的開放性和靈活性，因為已有的大量平臺和系統是配置來為企業中各條生產線的自動化服務的。若某些系統的開發平臺和通信模式不完全兼容，則在這些設備和系統之間實現互操作和信息交換就相當困難。

   與新的系統相比，傳統控制系統有以下一些局限性：

   1） 由于使用了不同供應廠商的多種硬/軟件平臺，控制系統的集成將相當復雜和困難：對于各個獨立的子系統和過程，可能需要在不同的硬/軟件平臺下進行開發；

   2） 當考察、評價某種相對較新的自動化技術及其實施價值時，用戶可能對采用該技術和產品比較猶豫，因為他們顧慮該項新技術可能會很快變得過時；

   3） 將老系統升級后所能獲得的經濟效益或許并不能補償對一個現有系統重新設計開發所花費的時間和費用；

   4） 現有的PLC系統處理能力不夠強，快速性不夠好，而且在容納不斷增長的數據量需要方面往往顯得力不從心；

   5） 開發的控制對象的數量、用戶和設計所需的工具和平臺經常會導致在定義和實施自動化平臺時大規模的無可逆轉的延遲；

   6） 一旦開發完畢并正常投入運行，一個專用控制系統可能在一種應用中效果較好，但事實證明欲將其成功地移植到其它的應用中卻非常困難。

   考慮到這些局限性，如前所述，PLC系統的功能在最近幾年中已經作了較大的擴展，它提供了較多的應用靈活性和互操作性。然而，除幾家主流自動化公司以外，大多數PLC的制造商直到現在還不能成功地定位和改進他們的控制器來適應這種革命性的變化，或者試圖擴展這些工業應用基礎的功能來滿足當今變革巨大的多種控制技術方案的需要。

  
   3  什么是WinAC系統？

   SIMATIC WinAC是SIEMENS基于PC的自動化控制產品，從功能上和產品系列上與其他基于PC的控制產品相比均有所區別。WinAC不是簡單地將PLC替換為PC，而是將PLC和PC的功能完美地結合，包括控制功能、通信功能、可視化功能、網絡功能以及工藝技術等功能，產品包括WinAC插槽型、WinAC實時型、WinAC基本型和WinAC嵌入型等。

   3.1  WinAC 控制功能

   WinAC允許用戶使用普通PC或工業PC完成PLC的控制功能。WinAC基本型/實時型提供軟件PLC，采用PC機的硬件資源(如CPU、內存、硬盤)來實現控制要求；WinAC插槽型提供硬件PCI插卡型PLC，控制性能與S7 400系列PLC中的412-2DP/416-2DP相同。 

   3.2  計算功能 

   WinAC提供標準的ActiveX控件，用于標準化軟件包（如MS Visual Basic或Office）對過程數據的實時存取。同時，WinAC內置Software Container(ActiveX容器)用于集成自帶的和第三方的ActiveX 控件。

   3.3  可視化功能 

   WinAC 提供兩種與人機界面軟件的連接方式：

   通過SIMATIC軟件之間的內部集成，WinCC和ProTool/Pro是WinAC最優的可視化和數據存取工具；WinAC內置的OPC服務器可以完成與任何第三方的人機界面軟件的集成。

   3.4  網絡功能 

   WinAC提供連接 Profibus-DP通信板卡的驅動程序，用于連接遠程I/O和電氣驅動裝置或進行遠程編程調試。同時WinAC可以采用現成的PC技術，通過以太網和互聯網實現與生產和管理網絡的連接。

   3.5  工藝技術功能

   對于用戶的特殊工藝要求，可配合西門子的功能模塊來實現，或使用VB、VC、Java等高級語言編程，由WinAC ODK進行集成。

  
   4  WinAC對于PLC的優勢

   4.1  處理能力較高

   眾所周知，PC與PLC相比，在CPU、內存等方面具有明顯的優勢，當進行數據處理，尤其是模擬量處理或數學模型算法的運算時，PC的運算能力通常可以達到PLC的10倍或更高。WinAC 基本型和WinAC實時型采用PC機資源進行控制和運算，用戶在編制程序時，具有更多的靈活性，而無需擔心編制的程序超出內存容量等問題。例如，編制多回路控制系統時，PLC由于受到內存和運算速度等方面的限制，PID回路數通常有嚴格的限制，控制性能也不是非常理想。

   4.2  實時性較強

   傳統的PLC具有硬實時特性，可以保證I/O掃描周期及中斷的響應。PC采用的Windows NT/2000操作系統雖然不是實時系統，不能保證中斷的響應時間或任務的執行周期的確定性，但是隨著PC技術的發展，PC已具有比PLC更好的硬實時特性：PLC中每個掃描周期是固定的，包括I/O映像區刷新，程序從開始到結束每個梯段的掃描，其掃描周期需要至少10倍于最快的事件處理時間；在PC機中，如果采用功能塊或流程圖編程時(WinAC支持這些編程方式)，程序的執行是基于中斷或I/O狀態的變化，而無需執行所有的程序，這樣就大大縮短了掃描周期。 另外多任務實時操作系統(RTOS)也保證了系統的精確性。Window CE 3.0的出現使基于PC的控制在實時性方面更進一步加強，經測試，Windows CE 3.0在實時性方面比任何PLC都強，可保證更精確的讀寫周期和程序循環周期。

   對于基于PC的自動化產品WinAC而言，WinAC插槽型PLC在主板集成了PLC的CPU、通信端口等，所有控制任務均在WinAC插槽型PLC中執行，具有與傳統PLC幾乎完全一樣的實時特性。

   WinAC實時型(WinAC RTX)采用VenturCom公司提供的實時操作系統作為Windows NT的擴展，具有硬實時的特性。同時，WinAC RTX 3.1版本采用“等周期”處理方式，當遠程I/O采用新的ET200S系列產品時，對于I/O的響應時間可精確到兩個Profibus循環掃描周期。對于一些高速處理任務，如“飛剪”、包裝機械、運動控制、沖壓設備等，無疑是非常適合的解決方案。

   WinAC MP為基于Windows CE 3.0操作系統的軟件型PLC，運行在MP370上(預裝Windows CE 3.0， ProTool)，可保證系統對于實時性、精確性的要求。