PAC——新一代工業(yè)控制系統(tǒng)可編程自動化控制發(fā)展的未來

PAC將成為未來的工業(yè)控制方式


   和基于PC控制系統(tǒng)相比，有關(guān)PLC（可編程邏輯控制器）優(yōu)勢和劣勢的激烈爭論已經(jīng)持續(xù)了十年。由于PC和PLC在技術(shù)上的差別越來越小，并且隨著PLC采用了商業(yè)化（COTS）硬件以及PC能采用實時操作系統(tǒng)，從而出現(xiàn)了一種新類型的控制器——PAC。PAC的概念是由自動化研究機構(gòu) (ARC) 提出的，它表示可編程自動化控制器，用于描述結(jié)合了PLC和PC功能的新一代工業(yè)控制器。傳統(tǒng)的PLC廠商使用PAC的概念來描述他們的高端系統(tǒng)，而PC控制廠商則用來描述他們的工業(yè)化控制平臺。



   “80-20” 法則 


   在PLC被開發(fā)出來的三十年里，它經(jīng)過不斷地發(fā)展，已經(jīng)能結(jié)合模擬I/O，網(wǎng)絡(luò)通信以及采用新的編程標(biāo)準(zhǔn)如IEC 61131-3。然而，工程師們只需利用數(shù)字I/O和少量的模擬I/O數(shù)以及簡單的編程技巧就可開發(fā)出80%的工業(yè)應(yīng)用 。來自ARC、聯(lián)合開發(fā)公司（VDC）以及網(wǎng)上PLC培訓(xùn)資源PLC.net的專家估計： 


   1、77%的PLC被用于小型應(yīng)用（低于128 I/O） 

   2、72%的PLC I/O是數(shù)字的 

   3、80%的PLC應(yīng)用可利用20條的梯形邏輯指令集來解決


   由于采用傳統(tǒng)的工具可以解決80%的工業(yè)應(yīng)用，這樣就強烈地需要有低成本簡單的PLC；從而促進了低成本微型PLC的增長，它帶有用梯形邏輯編程的數(shù)字I/O。然而，這也在控制技術(shù)上造成了不連續(xù)性，一方面80%的應(yīng)用需要使用簡單的低成本控制器，而另一方面其它的20%應(yīng)用則超出了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)所能提供的功能。工程師在開發(fā)這些20%的應(yīng)用需要有更高的循環(huán)速率，高級控制算法，更多模擬功能以及能更好地和企業(yè)網(wǎng)絡(luò)集成。


   在八十和九十年代，那些要開發(fā)“20%應(yīng)用”的工程師們已考慮在工業(yè)控制中使用PC。PC所提供的軟件功能可以執(zhí)行高級任務(wù)，提供豐富的圖形化編程和用戶環(huán)境，并且PC的COTS部件使控制工程師能把不斷發(fā)展的技術(shù)用于其它應(yīng)用。這些技術(shù)包括浮點處理器；高速I/O總線，如PCI和以太網(wǎng)；固定數(shù)據(jù)存儲器；圖形化軟件開發(fā)工具。而且PC還能提供無比的靈活性，高效的軟件以及高級的低成本硬件。


   然而，PC還不是非常適合用于控制應(yīng)用。盡管許多工程師在集成高級功能時使用PC，這些功能包括模擬控制和仿真、連接數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)功能以及和第三方設(shè)備通信，但是PLC仍然在控制領(lǐng)域中處于統(tǒng)治地位。基于PC控制的主要問題是標(biāo)準(zhǔn)PC并不是為嚴(yán)格的工業(yè)環(huán)境而設(shè)計的。


   PC主要面臨三大問題： 


   1、穩(wěn)定性：通常PC的通用操作系統(tǒng)不能提供用于控制足夠的穩(wěn)定性。安裝基于PC控制的設(shè)備會迫使處理系統(tǒng)崩潰和未預(yù)料到的重啟。 

   2、可靠性：由于PC帶有旋轉(zhuǎn)的磁性硬盤和非工業(yè)性牢固的部件，如電源，這使得它更容易出現(xiàn)故障。 

   3、不熟悉的編程環(huán)境：工廠操作人員需要具備在維護和排除故障時恢復(fù)系統(tǒng)的能力。使用梯形邏輯，他們可以手動迫使線圈恢復(fù)到理想狀態(tài)，并能快速修補受影響的代碼以快速恢復(fù)系統(tǒng)。然而，PC系統(tǒng)需要操作人員學(xué)習(xí)新的更高級的工具。

   盡管某些工程師采用具有堅固硬件和專門操作系統(tǒng)的專用工業(yè)計算機，但是由于PC可靠性方面的問題絕大多數(shù)工程師還是避免在控制中使用PC。此外，在PC中的用于各種自動化任務(wù)的設(shè)備，如I/O、通信、或運動可能需要不同的開發(fā)環(huán)境。


   因此那些要開發(fā)“20%應(yīng)用”的工程師們要么使用一個PLC無法輕松實現(xiàn)系統(tǒng)所需的功能，要么采用既包含PLC又包含PC的混合系統(tǒng)，他們利用PLC來執(zhí)行代碼的控制部分，用PC來實現(xiàn)更高級的功能。因而現(xiàn)在許多工廠車間使用PLC和PC相結(jié)合的系統(tǒng)，利用系統(tǒng)中的PC進行數(shù)據(jù)記錄，連接條碼掃描儀，在數(shù)據(jù)庫中插入信息以及把數(shù)據(jù)發(fā)布到網(wǎng)上。采用這種方式建立系統(tǒng)的主要問題是該系統(tǒng)常常難以構(gòu)建，排除故障和維護。系統(tǒng)工程師常常被要結(jié)合來自多個廠商軟硬件的工作所困擾，這是因為這些設(shè)備并不是為了能協(xié)同工作而設(shè)計的。


   構(gòu)建更好的控制器 

   由于沒有適合的PC或PLC解決方案，那些需要開發(fā)復(fù)雜應(yīng)用的工程師就和控制廠商密切合作開發(fā)新的產(chǎn)品。他們需要新產(chǎn)品能結(jié)合PC的高級軟件功能和PLC的可靠性。這些重要用戶為PLC和基于PC控制的公司提供了產(chǎn)品開發(fā)指導(dǎo)。


   實現(xiàn)軟件的功能不僅需要有高級的軟件，而且控制器的硬件功能也需要有所提高。由于世界范圍內(nèi)對PC部件的需求在下降，所以許多半導(dǎo)體廠商開始為工業(yè)應(yīng)用重新設(shè)計他們的產(chǎn)品。目前控制領(lǐng)域的廠商已開始在工業(yè)控制產(chǎn)品中使用工業(yè)化浮點處理器、DRAM、固態(tài)存儲器如CompactFlash以及快速Ethernet芯片。這使得廠商能利用基于PC控制系統(tǒng)的靈活性和可用性來開發(fā)更為強大的軟件，而且該PC控制系統(tǒng)還可運行實時操作系統(tǒng)以保證可靠性。


   這種新的控制器是為解決“20%”的應(yīng)用問題而設(shè)計的，它結(jié)合了PLC和PC兩者的優(yōu)點。ARC的工業(yè)分析家把這種設(shè)備稱為可編程自動化控制器，即PAC。在ARC的“可編程邏輯控制器世界概覽”研究中，他們給出了PAC的五個主要特性。這些控制器特性是通過定義軟件的能力來實現(xiàn)其功能的。 

   1、“多功能性，在一個平臺上有邏輯、運動、PID控制、驅(qū)動和處理中的至少兩種以上功能。”除了為了實現(xiàn)特殊的協(xié)議如SERCOS要對I/O做一些改進；而且軟件還能提供邏輯、運動、處理和PID的功能。例如，運動控制作為軟件控制循環(huán)，它能從正交編碼器上讀取數(shù)字輸入，執(zhí)行模擬控制循環(huán)并輸出控制設(shè)備的模擬信號。 

   2、“單一的多規(guī)程開發(fā)平臺使用通用標(biāo)簽和單一的數(shù)據(jù)庫來訪問所有的參數(shù)和功能。”由于PAC是為更為高級的應(yīng)用如多功能而設(shè)計的，他們需要更為高級的軟件。為了能高效地設(shè)計系統(tǒng)，軟件必須是單一的集成化軟件包，而不是多種分離的軟件工具，這些軟件工具在工程上不能無縫地協(xié)同工作。 

   3、“通過結(jié)合IEC61131-3，用戶向?qū)Ш蛿?shù)據(jù)管理，軟件工具能設(shè)計出在跨越多個機器和處理單元的處理流程。”簡化系統(tǒng)設(shè)計的另一方面是具有高級的圖形化開發(fā)工具，利用該工具可以使工程師很輕松地把處理的概念轉(zhuǎn)變?yōu)槟軐嶋H控制機器的代碼。 

   4、“開放的模塊化構(gòu)架能解決的工業(yè)應(yīng)用可從控制分布于工廠機器到加工車間的操作單元。”由于所有的工業(yè)應(yīng)用都需要有高度的定制特性，所以硬件必須是模塊化的以便工程師們可以選擇合適的部件。而且，軟件也必須能讓工程師增加和拆除模塊以設(shè)計出所需的系統(tǒng)。 

   5、“采用已有的網(wǎng)絡(luò)接口標(biāo)準(zhǔn)，語言等，如TCPIP，OPC&XML和SQL查詢語言。”能和企業(yè)的網(wǎng)絡(luò)通信對于現(xiàn)代化控制系統(tǒng)是非常關(guān)鍵的。盡管PAC包含有以太網(wǎng)接口，但是為了要把設(shè)備和工廠其它系統(tǒng)無問題地集成在一起，通信軟件是至關(guān)重要的。


   兩種不同的軟件解決方案

   一方面軟件是PAC和PLC主要的區(qū)別，而另一方面廠商在提供高級軟件的方式上也有所不同。通常他們以目前已有的控制軟件作為起點，不斷增加PAC編程所需的功能、可靠性和易用性。一般說來，有兩種提供PAC軟件的方式：基于PLC控制的軟件和基于PC控制的軟件


   基于PLC概念的軟件方案

   傳統(tǒng)的PLC軟件廠商以可靠且易用的掃描式架構(gòu)軟件為起點，并逐漸增加新的功能。PLC軟件根據(jù)通用模型而建立：輸入掃描，控制代碼運行，輸入更新，以及常規(guī)功能執(zhí)行。由于輸入循環(huán)，輸出循環(huán)和常規(guī)循環(huán)都是隱藏的，所以控制工程師只需關(guān)注控制代碼的設(shè)計。由于廠商已完成了大部分工作，這種嚴(yán)格的控制架構(gòu)使得建立控制系統(tǒng)更為容易和快速。這些系統(tǒng)的嚴(yán)格性也能讓控制工程師在開發(fā)可靠的程序時無需深入了解PLC的底層操作。然而，作為PLC主要優(yōu)勢的這種嚴(yán)格的掃描式構(gòu)架也導(dǎo)致其靈活性的欠缺。絕大多數(shù)PLC廠商通過在已有的掃描式架構(gòu)中增加新的功能來建立PAC軟件，這些新功能包括以太網(wǎng)通信，運動控制和高級算法。然而，通常他們會保留PLC熟悉的編程方式以及其在邏輯和控制方面固有的特點。因此這種PAC軟件通常是為了適合特殊類型應(yīng)用而設(shè)計的，如邏輯，運動和PID，但是對于定制的應(yīng)用則缺乏靈活性，如通信、數(shù)據(jù)記錄或定制的控制算法。


   基于PC概念的軟件方案

   傳統(tǒng)PC軟件廠商以非常靈活的通用編程語言為起點，能提供對硬件的深層次訪問。該種軟件也具有可靠性、確定性以及預(yù)設(shè)的控制架構(gòu)。盡管工程師能為PLC編程人員建立起掃描式構(gòu)架，但是它并不是基于PC的軟件所固有的。這些使得PC軟件極為靈活，非常適合那些需要高級的架構(gòu)、編程技巧或者系統(tǒng)級控制的復(fù)雜應(yīng)用，但卻使本應(yīng)簡單的應(yīng)用復(fù)雜化。


   這些廠商首先要能提供通用操作系統(tǒng)如Windows所不具備的可靠性和確定性。它們可以通過采用實時操作系統(tǒng)（RTOS）如來自Ardence的Phar Lap或Wind River的VxWorks來實現(xiàn)。這些RTOS能控制系統(tǒng)的各個層面，從I/O讀寫速率到控制器上各個線程的優(yōu)先級。然后為了使工程師能更為容易地開發(fā)出可靠的控制程序，廠商增加了抽象層和I/O讀寫架構(gòu)。因而這種靈活軟件非常適合于定制控制，數(shù)據(jù)記錄和通信，但舍棄PLC編程架構(gòu)的代價是使程序的開發(fā)難度增加。


   NI已開發(fā)出能運行LabVIEW程序的一系列PAC運載平臺。LabVIEW已成為測試和測量軟件的事實標(biāo)準(zhǔn)。它具有直觀的類似于流程圖的圖形化編程方式，并通過易用的界面來提供高級編程語言所具備的所有功能。利用LabVIEW RT和LabVIEW FPGA，我們能結(jié)合LabVIEW和實時操作系統(tǒng)并直接下載到FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）平臺來提供可靠性和確定性。


   基于PAC的視覺和測量應(yīng)用

   NI具有測量的行業(yè)背景，它通過引入高速測量和機器視覺使PAC超越了簡單的I/O。在許多工業(yè)應(yīng)用中需要高速采集測量結(jié)果以用于振動或功率品質(zhì)分析。采集到的數(shù)據(jù)用來監(jiān)測旋轉(zhuǎn)機械的狀態(tài)，確定維護時間表，識別電機的磨損程度以及調(diào)整控制算法。工程師們通常使用專門的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)或獨立儀器來采集這些數(shù)據(jù)并利用通信總線把數(shù)據(jù)輸入到控制系統(tǒng)。而NI的PAC正可以以每秒百萬個采樣點的速率直接進行高精度的測量，并把數(shù)據(jù)直接傳送到控制系統(tǒng)來立即處理。


   工程師們也可以在他們的控制系統(tǒng)中使用視覺功能。過去十年中視覺在自動化領(lǐng)域已得到了迅猛地發(fā)展。在生產(chǎn)環(huán)境中，有許多產(chǎn)品缺陷或錯誤使用傳統(tǒng)的測量方法是很難識別出來的，而通過視覺方式則能檢測。常見的應(yīng)用包括用于生產(chǎn)或裝配檢驗的零件檢測，如檢查電路板上器件的位置是否正確，識別光學(xué)字符（OCR）來檢查日期條碼或?qū)Ξa(chǎn)品進行分類，以及進行光學(xué)測量來找出產(chǎn)品的瑕疵或?qū)Ξa(chǎn)品按質(zhì)量等級進行分類。目前許多工廠采用獨立的智能攝像頭，它要和生產(chǎn)處理控制器進行通信。NI的PAC引入帶有邏輯和運動控制的視覺或是高速測量功能，從而使得工程師們無需集成其他的硬件和軟件平臺。


   PAC免除了對于專門硬件的需要

   PAC代表著可編程控制器的最新技術(shù)，它未來發(fā)展的關(guān)鍵取決于嵌入式技術(shù)的引入。比如要能通過軟件來定義硬件。電子廠商常使用現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）這樣的電子器件來開發(fā)定制的芯片，它可以讓新設(shè)備智能化。這些設(shè)備包含有能執(zhí)行多種功能的可配置邏輯塊，連接這些功能塊的可編程交聯(lián)點以及為芯片輸入輸出數(shù)據(jù)的I/O塊。通過定義這些可配置邏輯塊的功能，其彼此連接以及相應(yīng)的I/O，電子設(shè)計人員即可以開發(fā)出定制的芯片，而不需要花錢來生產(chǎn)專門的ASIC。FPGA如同有一個計算機，其內(nèi)部電路能被重新連接來運行特定的應(yīng)用程序。


   以前只有那些熟悉底層編程語言如VHDL的硬件設(shè)計人員才能利用FPGA技術(shù)。然而，現(xiàn)在工程師們已可以用LabVIEW FPGA來開發(fā)出定制的控制算法并把它下載到FPGA芯片上。通過該特性工程師們可以使硬件具備實時的功能，如限度和接近傳感器檢測和傳感器狀態(tài)監(jiān)控。由于控制代碼直接在芯片上運行，所以工程師們能快速開發(fā)采用定制的通信協(xié)議或高速循環(huán)的程序：數(shù)字控制循環(huán)速度可高達(dá)1 MHz，模擬控制循環(huán)的速度可為200kHz。