【正文】 中文 5720字 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 隨著許多廠商已生產(chǎn)出能結(jié)合 PC功能和 PLC可靠性的可編程自動化控制器（ PAC），目前控制系統(tǒng)已逐漸開始采用 PAC。本白皮書介紹 PAC的起源以及它與 PLC和 PC的區(qū)別，并指出了使用 PAC的工業(yè)控制未來發(fā)展方向。 目錄 ? PAC將成為未來的工業(yè)控制方式 ? “ 8020” 法則 ? 構(gòu)建更好的控制器 ? 兩種不同的軟件解決方案 ? PAC的視覺和測量應(yīng)用 ? PAC免除了對專門硬件的需要 ? LabVIEW用于自動化控制 NI PAC系統(tǒng) 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(shí)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(jī)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。 “ 8020” 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 611313。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 ： ? 77%的 PLC被用于小型應(yīng)用（低于 128 I/O） ? 72%的 PLC I/O是數(shù)字的 ? 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(qiáng)烈地需要有低成本簡單的 PLC；從而促進(jìn)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(diǎn)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： ? 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。 ? 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。 ? 不熟悉的編程環(huán)境：工廠操作人員需要具備在維護(hù)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(bǔ)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(jī)，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(yùn)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(shí)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(shí)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(jìn)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(hù)。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?yàn)檫@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(shí)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(diǎn)處理器、 DRAM、固態(tài)存儲器如 CompactFlash 以及快速 Ether 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(qiáng)大的軟件，而且該 PC控制系統(tǒng)還可運(yùn)行實(shí)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(diǎn)。 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(shí)現(xiàn)其 功能的。 1. “ 多功能性，在一個平臺上有邏輯、運(yùn)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(shí)現(xiàn)特殊的協(xié)議如 SERCOS 要對I/O做一些改進(jìn)；而且軟件還能提供邏輯、運(yùn)動、處理和 PID的功能。例如，運(yùn)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 IEC611313，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(jī)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?shí)際控制機(jī)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(jī)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， OPCamp。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。 6. 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(diǎn)，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(diǎn)，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(yùn)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(yùn)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(diǎn)。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(yùn)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(diǎn)，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(shí)時操作系統(tǒng)（ RTOS）如來自 Ardence 的 Phar Lap 或Wind River 的 VxWorks 來實(shí)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(yùn)行 LabVIEW程序的一系列 PAC運(yùn)載平臺。 LabVIEW已成為測試和測量軟件的事實(shí)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(shí)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(jī)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(jī)械的狀態(tài)，確定維護(hù)時間表，識別電機(jī)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(dú)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(diǎn)的速率直接進(jìn)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(yàn)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(jìn)行分類，以及進(jìn)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(jìn)行分類。目前許多工廠采用獨(dú)立的智能攝像頭，它要和生產(chǎn)處理控制器進(jìn)行通信。 NI的 PAC引入帶有邏輯和運(yùn)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(diǎn)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(jī)，其內(nèi)部電路能被重新連接來運(yùn)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(shí)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(yùn)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。 LabVIEW用于自動化控制 由于 LabVIEW ()具有強(qiáng)大的功能和圖形 化編程的易用性，基于 LabVIEW的 PAC 非常適合有如下要求的應(yīng)用： ? 圖形化 由于 LabVIEW 編程天生引入圖形用戶界面，您可以為控制系統(tǒng)提供圖形化人機(jī)界面。 ? 測量（高速數(shù)據(jù)采集，視覺和運(yùn)動）。 NI 在包括視覺采集的高速 I/O方面有著長期經(jīng)驗(yàn)，因此您可以在您的標(biāo)準(zhǔn)控制系統(tǒng)中使用振動或機(jī)器視覺等功能。 ? 處理能力： 在某些應(yīng)用中，您需要有專門的控制算法、高級的信號處理或數(shù)據(jù)記錄。使用 LabVI