PAC——新一代工业控制系统

概览

　　随着许多厂商已生产出能结合PC功能和PLC可靠性的可编程自动化控制器（PAC），目前控制系统已逐渐开始采用PAC。本白皮书介绍PAC的起源以及它与PLC和PC的区别，并指出了使用PAC的工业控制未来发展方向。

目录

　　PAC将成为未来的工业控制方式
　　“80-20” 法则
　　构建更好的控制器
　　两种不同的软件解决方案
　　基于PAC的视觉和测量应用
　　PAC免除了对于专门硬件的需要
　　LabVIEW用于自动化控制
　　NI PAC系统


PAC将成为未来的工业控制方式

　　和基于PC控制系统相比，有关PLC（可编程逻辑控制器）优势和劣势的激烈争论已经持续了十年。由于PC和PLC在技术上的差别越来越小，并且随着PLC采用了商业化（COTS）硬件以及PC能采用实时操作系统，从而出现了一种新类型的控制器——PAC。PAC的概念是由自动化研究机构 (ARC) 提出的，它表示可编程自动化控制器，用于描述结合了PLC和PC功能的新一代工业控制器。传统的PLC厂商使用PAC的概念来描述他们的高端系统，而PC控制厂商则用来描述他们的工业化控制平台。

“80-20” 法则

　　在PLC被开发出来的三十年里，它经过不断地发展，已经能结合模拟I/O，网络通信以及采用新的编程标准如IEC 61131-3。然而，工程师们只需利用数字I/O和少量的模拟I/O数以及简单的编程技巧就可开发出80%的工业应用 。来自ARC、联合开发公司（VDC）以及网上PLC培训资源PLC.net的专家估计：

　　77%的PLC被用于小型应用（低于128 I/O）
　　72%的PLC I/O是数字的
　　80%的PLC应用可利用20条的梯形逻辑指令集来解决

　　由于采用传统的工具可以解决80%的工业应用，这样就强烈地需要有低成本简单的PLC；从而促进了低成本微型PLC的增长，它带有用梯形逻辑编程的数字I/O。然而，这也在控制技术上造成了不连续性，一方面80%的应用需要使用简单的低成本控制器，而另一方面其它的20%应用则超出了传统控制系统所能提供的功能。工程师在开发这些20%的应用需要有更高的循环速率，高级控制算法，更多模拟功能以及能更好地和企业网络集成。

　　在八十和九十年代，那些要开发“20%应用”的工程师们已考虑在工业控制中使用PC。PC所提供的软件功能可以执行高级任务，提供丰富的图形化编程和用户环境，并且PC的COTS部件使控制工程师能把不断发展的技术用于其它应用。这些技术包括浮点处理器；高速I/O总线，如PCI和以太网；固定数据存储器；图形化软件开发工具。而且PC还能提供无比的灵活性，高效的软件以及高级的低成本硬件。

　　然而，PC还不是非常适合用于控制应用。尽管许多工程师在集成高级功能时使用PC，这些功能包括模拟控制和仿真、连接数据库、网络功能以及和第三方设备通信，但是PLC仍然在控制领域中处于统治地位。基于PC控制的主要问题是标准PC并不是为严格的工业环境而设计的。

PC主要面临三大问题：

　　稳定性：通常PC的通用操作系统不能提供用于控制足够的稳定性。安装基于PC控制的设备会迫使处理系统崩溃和未预料到的重启。
　　可靠性：由于PC带有旋转的磁性硬盘和非工业性牢固的部件，如电源，这使得它更容易出现故障。
　　不熟悉的编程环境：工厂操作人员需要具备在维护和排除故障时恢复系统的能力。使用梯形逻辑，他们可以手动迫使线圈恢复到理想状态，并能快速修补受影响的代码以快速恢复系统。然而，PC系统需要操作人员学习新的更高级的工具。
尽管某些工程师采用具有坚固硬件和专门操作系统的专用工业计算机，但是由于PC可靠性方面的问题绝大多数工程师还是避免在控制中使用PC。此外，在PC中的用于各种自动化任务的设备，如I/O、通信、或运动可能需要不同的开发环境。

　　因此那些要开发“20%应用”的工程师们要么使用一个PLC无法轻松实现系统所需的功能，要么采用既包含PLC又包含PC的混合系统，他们利用PLC来执行代码的控制部分，用PC来实现更高级的功能。因而现在许多工厂车间使用PLC和PC相结合的系统，利用系统中的PC进行数据记录，连接条码扫描仪，在数据库中插入信息以及把数据发布到网上。采用这种方式建立系统的主要问题是该系统常常难以构建，排除故障和维护。系统工程师常常被要结合来自多个厂商软硬件的工作所困扰，这是因为这些设备并不是为了能协同工作而设计的。

构建更好的控制器

　　由于没有适合的PC或PLC解决方案，那些需要开发复杂应用的工程师就和控制厂商密切合作开发新的产品。他们需要新产品能结合PC的高级软件功能和PLC的可靠性。这些重要用户为PLC和基于PC控制的公司提供了产品开发指导。

　　实现软件的功能不仅需要有高级的软件，而且控制器的硬件功能也需要有所提高。由于世界范围内对PC部件的需求在下降，所以许多半导体厂商开始为工业应用重新设计他们的产品。目前控制领域的厂商已开始在工业控制产品中使用工业化浮点处理器、DRAM、固态存储器如CompactFlash以及快速Ethernet芯片。这使得厂商能利用基于PC控制系统的灵活性和可用性来开发更为强大的软件，而且该PC控制系统还可运行实时操作系统以保证可靠性。

　　这种新的控制器是为解决“20%”的应用问题而设计的，它结合了PLC和PC两者的优点。ARC的工业分析家把这种设备称为可编程自动化控制器，即PAC。在ARC的“可编程逻辑控制器世界概览”研究中，他们给出了PAC的五个主要特性。这些控制器特性是通过定义软件的能力来实现其功能的。

　　“多功能性，在一个平台上有逻辑、运动、PID控制、驱动和处理中的至少两种以上功能。”除了为了实现特殊的协议如SERCOS要对I/O做一些改进；而且软件还能提供逻辑、运动、处理和PID的功能。例如，运动控制作为软件控制循环，它能从正交编码器上读取数字输入，执行模拟控制循环并输出控制设备的模拟信号。

　　“单一的多规程开发平台使用通用标签和单一的数据库来访问所有的参数和功能。”由于PAC是为更为高级的应用如多功能而设计的，他们需要更为高级的软件。为了能高效地设计系统，软件必须是单一的集成化软件包，而不是多种分离的软件工具，这些软件工具在工程上不能无缝地协同工作。

　　“通过结合IEC61131-3，用户向导和数据管理，软件工具能设计出在跨越多个机器和处理单元的处理流程。”简化系统设计的另一方面是具有高级的图形化开发工具，利用该工具可以使工程师很轻松地把处理的概念转变为能实际控制机器的代码。
“开放的模块化构架能解决的工业应用可从控制分布于工厂机器到加工车间的操作单元。”由于所有的工业应用都需要有高度的定制特性，所以硬件必须是模块化的以便工程师们可以选择合适的部件。而且，软件也必须能让工程师增加和拆除模块以设计出所需的系统。

　　“采用已有的网络接口标准，语言等，如TCPIP，OPC&XML和SQL查询语言。”能和企业的网络通信对于现代化控制系统是非常关键的。尽管PAC包含有以太网接口，但是为了要把设备和工厂其它系统无问题地集成在一起，通信软件是至关重要的。
 
两种不同的软件解决方案

　　一方面软件是PAC和PLC主要的区别，而另一方面厂商在提供高级软件的方式上也有所不同。通常他们以目前已有的控制软件作为起点，不断增加PAC编程所需的功能、可靠性和易用性。一般说来，有两种提供PAC软件的方式：基于PLC控制的软件和基于PC控制的软件

基于PLC概念的软件方案

　　传统的PLC软件厂商以可靠且易用的扫描式架构软件为起点，并逐渐增加新的功能。PLC软件根据通用模型而建立：输入扫描，控制代码运行，输入更新，以及常规功能执行。由于输入循环，输出循环和常规循环都是隐藏的，所以控制工程师只需关注控制代码的设计。由于厂商已完成了大部分工作，这种严格的控制架构使得建立控制系统更为容易和快速。这些系统的严格性也能让控制工程师在开发可靠的程序时无需深入了解PLC的底层操作。然而，作为PLC主要优势的这种严格的扫描式构架也导致其灵活性的欠缺。绝大多数PLC厂商通过在已有的扫描式架构中增加新的功能来建立PAC软件，这些新功能包括以太网通信，运动控制和高级算法。然而，通常他们会保留PLC熟悉的编程方式以及其在逻辑和控制方面固有的特点。因此这种PAC软件通常是为了适合特殊类型应用而设计的，如逻辑，运动和PID，但是对于定制的应用则缺乏灵活性，如通信、数据记录或定制的控制算法。

基于PC概念的软件方案

　　传统PC软件厂商以非常灵活的通用编程语言为起点，能提供对硬件的深层次访问。该种软件也具有可靠性、确定性以及预设的控制架构。尽管工程师能为PLC编程人员建立起扫描式构架，但是它并不是基于PC的软件所固有的。这些使得PC软件极为灵活，非常适合那些需要高级的架构、编程技巧或者系统级控制的复杂应用，但却使本应简单的应用复杂化。

　　这些厂商首先要能提供通用操作系统如Windows所不具备的可靠性和确定性。它们可以通过采用实时操作系统（RTOS）如来自Ardence的Phar Lap或Wind River的VxWorks来实现。这些RTOS能控制系统的各个层面，从I/O读写速率到控制器上各个线程的优先级。然后为了使工程师能更为容易地开发出可靠的控制程序，厂商增加了抽象层和I/O读写架构。因而这种灵活软件非常适合于定制控制，数据记录和通信，但舍弃PLC编程架构的代价是使程序的开发难度增加。

　　NI已开发出能运行LabVIEW程序的一系列PAC运载平台。LabVIEW已成为测试和测量软件的事实标准。它具有直观的类似于流程图的图形化编程方式，并通过易用的界面来提供高级编程语言所具备的所有功能。利用LabVIEW RT和LabVIEW FPGA，我们能结合LabVIEW和实时操作系统并直接下载到FPGA（现场可编程门阵列）平台来提供可靠性和确定性。

基于PAC的视觉和测量应用

　　NI具有测量的行业背景，它通过引入高速测量和机器视觉使PAC超越了简单的I/O。在许多工业应用中需要高速采集测量结果以用于振动或功率品质分析。采集到的数据用来监测旋转机械的状态，确定维护时间表，识别电机的磨损程度以及调整控制算法。工程师们通常使用专门的数据采集系统或独立仪器来采集这些数据并利用通信总线把数据输入到控制系统。而NI的PAC正可以以每秒百万个采样点的速率直接进行高精度的测量，并把数据直接传送到控制系统来立即处理。

　　工程师们也可以在他们的控制系统中使用视觉功能。过去十年中视觉在自动化领域已得到了迅猛地发展。在生产环境中，有许多产品缺陷或错误使用传统的测量方法是很难识别出来的，而通过视觉方式则能检测。常见的应用包括用于生产或装配检验的零件检测，如检查电路板上器件的位置是否正确，识别光学字符（OCR）来检查日期条码或对产品进行分类，以及进行光学测量来找出产品的瑕疵或对产品按质量等级进行分类。目前许多工厂采用独立的智能摄像头，它要和生产处理控制器进行通信。NI的PAC引入带有逻辑和运动控制的视觉或是高速测量功能，从而使得工程师们无需集成其他的硬件和软件平台。

PAC免除了对于专门硬件的需要

　　PAC代表着可编程控制器的最新技术，它未来发展的关键取决于嵌入式技术的引入。比如要能通过软件来定义硬件。电子厂商常使用现场可编程门阵列（FPGA）这样的电子器件来开发定制的芯片，它可以让新设备智能化。这些设备包含有能执行多种功能的可配置逻辑块，连接这些功能块的可编程交联点以及为芯片输入输出数据的I/O块。通过定义这些可配置逻辑块的功能，其彼此连接以及相应的I/O，电子设计人员即可以开发出定制的芯片，而不需要花钱来生产专门的ASIC。FPGA如同有一个计算机，其内部电路能被重新连接来运行特定的应用程序。

　　以前只有那些熟悉底层编程语言如VHDL的硬件设计人员才能利用FPGA技术。然而，现在工程师们已可以用LabVIEW FPGA来开发出定制的控制算法并把它下载到FPGA芯片上。通过该特性工程师们可以使硬件具备实时的功能，如限度和接近传感器检测和传感器状态监控。由于控制代码直接在芯片上运行，所以工程师们能快速开发采用定制的通信协议或高速循环的程序：数字控制循环速度可高达1 MHz，模拟控制循环的速度可为200kHz。

LabVIEW用于自动化控制

　　由于LabVIEW (ni.com/china/labview)具有强大的功能和图形化编程的易用性，基于LabVIEW的PAC 非常适合有如下要求的应用：

　　图形化：由于LabVIEW 编程天生引入图形用户界面，您可以为控制系统提供图形化人机界面。
　　测量（高速数据采集，视觉和运动）：NI在包括视觉采集的高速I/O方面有着长期经验，因此您可以在您的标准控制系统中使用振动或机器视觉等功能。
　　处理能力：在某些应用中，您需要有专门的控制算法、高级的信号处理或数据记录。使用LabVIEW，您可以用NI或第三方的工具来建立定制的控制代码，实现如JTFA的信号处理，或本地及远程记录数据。
　　平台：利用 LabVIEW，您能开发出用于各种平台的代码，这些平台包括PC，嵌入式控制器，FPGA芯片或手持式PDA。
　　通信：利用LabVIEW的数据库连接，OPC和基于网络浏览器的操作界面，您能很容易地把数据传送到企业数据库中。

NI PAC系统

　　NI提供五种基于LabVIEW的PAC平台。

　　PXI是由多个厂商制定的基于CompactPCI架构的工业标准化PAC硬件平台，它能提供模块化、紧凑而坚固的工业化系统。PXI系统的嵌入式控制器内置上GHz的高性能处理器。您可以选用来自NI或第三方厂商的PXI和CompactPCI模块。PXI能提供最为广泛的I/O，包括有1000 V的隔离式模拟输入，高容量数字I/O，用于机器视觉的模拟/数字帧抓取器，联合多轴运动模块。PXI模块的前端都配置有方便电缆连接的接口。PXI平台提供全面的测量模块，以及包括CAN，DeviceNET，RS-232，RS-485，Modbus和Foundation Fieldbus的广泛连接性。

　　Compact FieldPoint产品系列包括有可热抽换的模拟和数字I/O模块和控制器，并带有以太网和串行总线接口。其中I/O模块能直接连接热电偶、RTD、应力计、4-20 mA传感器、5-30 V的直流信号以及0-250 V的交流信号。Compact FieldPoint网络通信接口能自动通过以太网络传送数据。您也可以以读写本地I/O的方式来读写经由网络传输的几英里之外的I/O。由于软件的接口非常简单，您可以快速地建立和编写Compact FieldPoint应用程序，但又不失复杂控制，数据记录和通信的强大功能。

　　Compact Vision System整合了高性能Intel处理器、FPGA，数字I/O和三个1394端口。这种PAC天生就可以通过FireWire（IEEE1394）技术在控制应用中使用视觉功能，并兼容80多种工业摄像头。利用CVS上的可重复配置FPGA和数字I/O通路，您也可以进行低通道数的数字和步进电机控制。当使用LabVIEW编程时，您还能配置该系统以得到高性能的视觉以及高速的数字控制和步进电机控制。

　　CompactRIO是基于FPGA的可重复配置控制和采集系统，它是为需要高度定制和高速控制的应用而设计的。该架构采用实时嵌入式处理器，并结合可重复配置I/O（RIO）的FPGA内核来实现复杂的算法和定制的计算。CompactRIO平台可使用多达八个模拟或数字I/O模块。这些模块可由NI或其它厂商提供。CompactRIO平台非常适合如机器控制这样的复杂和高速应用，并且，对于那些通常需要开发专门的硬件的应用，结合了FPGA的这种系统也是非常好的选择。

　　标准的工业计算机也可以使用NI所提供的广泛的PCI模块。这些插入式板卡包含有为模拟和数字I/O，运动控制和机器视觉而设计的硬件。要得到确定性、实时的性能，可结合PCI硬件和运行于基于PC的实时操作系统上的LabVIEW来实现。LabVIEW RT可被加载到绝大多数标准的工业PC上，从而能提供用于工业测量和控制的低成本平台。

　　由于NI能提供广泛的测量和控制平台，这使得PAC可用于几乎所有的应用。您可以使用网上的评估版进行编程以了解有关LabVIEW的更多信息，或致电 (800) 820-3622或021-65557838向NI工程师了解更多有关PAC产品与技术信息。