可編程自動化控制器PAC控制方案的優(yōu)勢與要求研究

一、概念

PAC（可編程自動化控制器）的概念是由ARC咨詢集團(tuán)的高級研究員Craig Resnick提出的，在談到創(chuàng)造這個新名詞的意義時，他認(rèn)為，“PLC在市場相當(dāng)活躍，而且發(fā)展良好，具很強(qiáng)的生命力。然而，PLC也正在許多方面不斷改變，不斷增加其魅力。自動化供應(yīng)商正不斷致力于PLC的開發(fā)，以迎合市場與用戶需求。功能的增強(qiáng)促使新一代系統(tǒng)浮出水面。PAC基于開放的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、具多領(lǐng)域功能、通用的開放平臺以及高性能。ARC創(chuàng)造了這個詞，以幫助用戶定義應(yīng)用需要，幫助制造商在談到其產(chǎn)品時能更清晰?！?/p>

PAC的概念定義為：控制引擎的集中，涵蓋PLC用戶的多種需要，以及制造業(yè)廠商對信息的需求。PAC包括PLC的主要功能和擴(kuò)大的控制能力，以及PC-based控制中基于對象的、開放數(shù)據(jù)格式和網(wǎng)絡(luò)連接等功能。

它是將最佳的PLC，DCS和PC技術(shù)融合在一個統(tǒng)一的、多功能的單元上，并用于滿足現(xiàn)代工業(yè)應(yīng)用中愈來愈多的復(fù)雜要求。

實(shí)施一個現(xiàn)代化的工業(yè)應(yīng)用會引出一系列問題，有時甚至是艱巨的復(fù)雜要求。比如，眾所周知，典型的控制系統(tǒng)必須接收傳感器和激勵發(fā)出的信號，但對于許多現(xiàn)代應(yīng)用，這僅僅是一個開始。先進(jìn)的控制功能、網(wǎng)絡(luò)連通性、設(shè)備的互操作性及企業(yè)數(shù)據(jù)整合都是工業(yè)應(yīng)用中所越來越強(qiáng)調(diào)的。

這些現(xiàn)代化的要求大大超出了傳統(tǒng)基于離散邏輯的可編程邏輯控制器（PLC）對I/O信號的控制。大多數(shù)PLC使用梯形邏輯編程，它起源于用來描述控制系統(tǒng)內(nèi)布局和連接的離散物理繼電器及定時器的接線圖。

對于這一模式的偏離或需要擴(kuò)展的應(yīng)用，梯形邏輯編程有些力不從心。例如，數(shù)學(xué)上的復(fù)雜應(yīng)用，如PID回路控制應(yīng)用于溫度控制包括浮點(diǎn)算法等。為了執(zhí)行這些計算， PLC往往須增加獨(dú)立和單獨(dú)編程的硬件卡。

使用PLC來滿足應(yīng)用中的網(wǎng)絡(luò)連通、設(shè)備互操作、企業(yè)數(shù)據(jù)整合等要求時可能會遇到問題。這些類型的任務(wù)往往更適合PC來處理。

為了在PLC的應(yīng)用中提供這些功能，需要在獨(dú)立PC中運(yùn)行更多的處理器、網(wǎng)關(guān)或轉(zhuǎn)換器、“中間件”軟件，且企業(yè)系統(tǒng)中的特殊軟件必須經(jīng)常與系統(tǒng)進(jìn)行整合。

另一方面，一臺用于工業(yè)環(huán)境下的PC能提供大量的現(xiàn)代應(yīng)用功能，尤其是那些需要聯(lián)網(wǎng)和數(shù)據(jù)通訊功能的。如同將PLC擴(kuò)容至完成PC的任務(wù)，但是，工業(yè)用PC需要執(zhí)行類似PLC的任務(wù)如機(jī)器或過程控制，同樣需要擴(kuò)展。

例如，一臺PC所使用的操作系統(tǒng)大多并不是高性能、確定性工業(yè)應(yīng)用的最佳選擇。附加I/O擴(kuò)展卡或特殊擴(kuò)展可能需要融入PC的操作系統(tǒng)中以提供高性能、確定性或類確定性操作。

二、基本要求

1多域功能（邏輯、運(yùn)動、驅(qū)動和過程）——這個概念支持多種I/O類型。邏輯、運(yùn)動和其他功能的集成是不斷增長的復(fù)雜控制方法的要求。

2單一的多學(xué)科開發(fā)平臺——單一的開發(fā)環(huán)境必須能支持各種I/O和控制方案。

3用于設(shè)計貫穿多個機(jī)器或處理單元的應(yīng)用程序的軟件工具——這個軟件工具必須能適應(yīng)分布式操作。

4一組de facto網(wǎng)絡(luò)和語言標(biāo)準(zhǔn)——這個技術(shù)必須利用高投入技術(shù)。

5開放式、模塊化體系結(jié)構(gòu)——設(shè)計和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范必須是在實(shí)現(xiàn)中開放的、模塊化的和可結(jié)合的。

進(jìn)入PAC

隨著現(xiàn)代工業(yè)應(yīng)用需求范圍擴(kuò)大，自動化生產(chǎn)商已經(jīng)做出積極回應(yīng)，一項(xiàng)融合PLC類似確定性機(jī)器的工業(yè)控制設(shè)備或擁有靈活配置的過程控制，使企業(yè)能基于PC系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)勢整合的設(shè)備誕生。這個設(shè)備即被定義為可編程自動化控制器，或者叫PAC。

來自ARC咨詢公司的工業(yè)分析家Craig Resnick在2002年首創(chuàng)了“PAC”的定義。ARC創(chuàng)造這一新名詞基于2個原因：幫助自動化硬件用戶更好地確定他們的應(yīng)用需求；給予自動化硬件商一個更明確的概念用于幫助他們闡述產(chǎn)品功能。

合并PLC和PC技術(shù)用于工業(yè)控制的想法之前已出現(xiàn)過，但是只有通過如前述的“添加”的方法來實(shí)現(xiàn)，其中附加的中間件、處理器與一個或多個PLC協(xié)同工作。一個PAC，擁有先進(jìn)的功能，需要納入設(shè)計中。

例如，執(zhí)行功能包括計數(shù)、閉鎖、PID回路控制、數(shù)據(jù)采集及傳輸，一個典型的PLC控制系統(tǒng)需要更多的、價格較昂貴的過程硬件。一個PAC則內(nèi)置了以上所有功能。

PAC的矚目之處在于模塊化的設(shè)計和架構(gòu)，同樣使用開放式的架構(gòu)提供擴(kuò)展性和設(shè)備及商用系統(tǒng)的互聯(lián)性。特別的是，PAC冠以高效處理及I/O掃描的特點(diǎn)，并以多種方式使其能夠融入企業(yè)的商用系統(tǒng)。根據(jù)ARC，可編程自動化控制器必須符合下列要求：

1.在多領(lǐng)域中的單一平臺上操作包括邏輯、運(yùn)動、驅(qū)動和過程控制

2.采用一個單一的開發(fā)平臺，使用通用的標(biāo)簽和一個單一的數(shù)據(jù)庫用于不同門類的任務(wù)開發(fā)

3.無縫集成控制器硬件和軟件

4.使用軟件工具進(jìn)行編程能設(shè)計控制程序以支持跨越多個機(jī)器或設(shè)備的“流程”

5.在開放、模塊化的架構(gòu)中進(jìn)行操作反映了工業(yè)應(yīng)用中從設(shè)備布局到過程中的單元操作

6.采用事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)接口，語言和協(xié)議，使數(shù)據(jù)交換成為網(wǎng)絡(luò)化的多供應(yīng)商系統(tǒng)的一部分

7.提供高效的處理和I/O掃描

PAC的優(yōu)點(diǎn)

PAC控制解決方案，如PACSystems可實(shí)現(xiàn)工廠和OEM廠商都需要的優(yōu)點(diǎn)：

（1）提高生產(chǎn)率和操作效率：一個通用輕便控制引擎和綜合工程開發(fā)平臺允許快速地開發(fā)、實(shí)施和遷移；且由于它的開放性和靈活性，確保了控制、操作、企業(yè)級業(yè)務(wù)系統(tǒng)的無縫集成，優(yōu)化了工廠流程。

（2）降低操作成本：使用通用、標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)，降低了操作成本，讓工程師們能為一個體現(xiàn)成本效益、使用現(xiàn)貨供應(yīng)的平臺選擇不同系統(tǒng)部件，而不是專有產(chǎn)品和技術(shù)；只要求用戶在一個統(tǒng)一平臺和開發(fā)環(huán)境上培訓(xùn)，而不是幾種；且為用戶提供了一個無縫遷移路徑，保護(hù)在I/O和應(yīng)用開發(fā)方面的投資。

（3）使用戶對其控制系統(tǒng)擁有更多控制力：使用戶擁有更多靈活性來選擇適合每種特殊應(yīng)用的硬件和編程語言，以他們自己的時間表來規(guī)劃升級，并且可在任何地方設(shè)計、制造產(chǎn)品。

的弱勢：

雖然PLC業(yè)界已經(jīng)注意到了這一趨勢，并通過將PC技術(shù)應(yīng)用于PLC產(chǎn)品，直接提供OPC Server、WEB Server及IEEE標(biāo)準(zhǔn)通訊接口等，以提供更高的應(yīng)用靈活性。但是受限于傳統(tǒng)PLC專屬式的設(shè)計，其互操作性和靈活性限制（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：

1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(wù)器主機(jī)的主動定時查詢；

2因?yàn)樵趯?shí)時信息上的欠缺，要實(shí)現(xiàn)跨PLC的事件處理比較困難，且速度延遲，效果不佳；

3無法提供本地直接處理的預(yù)約控制，預(yù)約控制完全有賴于服務(wù)器主機(jī)的集中處理，所以系統(tǒng)當(dāng)機(jī)時，立刻停擺；

4系統(tǒng)的建構(gòu)由于采用了不同供應(yīng)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(shí)施并不是一件輕松和容易的事情；

5系統(tǒng)升級將必須付出重新設(shè)計的成本和時間，其不可預(yù)見成本太高。

6梯形圖程序的設(shè)計是基于個案進(jìn)行，每一專案均無法完全復(fù)制應(yīng)用，無法實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，從而工程設(shè)計費(fèi)用無法降低；

7現(xiàn)行自動化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)容量太小，在適應(yīng)新的應(yīng)用需求時顯得力不從心；

8無法實(shí)現(xiàn)實(shí)時同步遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)傳輸，與PDA、手機(jī)的連接比較困難；

9需要通過PC或第三方設(shè)備來實(shí)現(xiàn)基于WEB的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)發(fā)布。

RTU和PAC

遠(yuǎn)程終端設(shè)備（RTU）類似控制器設(shè)備，安裝在遠(yuǎn)程位置以收集傳感器和其他數(shù)據(jù)。流行了幾十年后，RTU通常被用來作為監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集（ SCADA系統(tǒng)）網(wǎng)絡(luò)，RTU向SCADA發(fā)送數(shù)據(jù)。RTU從SCADA主控接收信息而操控遠(yuǎn)程位置上的現(xiàn)場設(shè)備上。

RTU主要在遙遠(yuǎn)的地理區(qū)域部署，以監(jiān)測，采集和控制遠(yuǎn)程分散設(shè)備，如管道、井、起重機(jī)、或電信設(shè)施等。傳統(tǒng)的PLC在這些類型的應(yīng)用中不具備天然的通訊功能。另外， PLC一般不提供承受惡劣的野外環(huán)境條件，也沒有多數(shù)RTU應(yīng)用中所需的靈活I(lǐng)/O配置。

總的說來，RTU更強(qiáng)調(diào)其通訊功能的開發(fā)，適用于嚴(yán)酷環(huán)境，擁有靈活的I/O配置。

然而，傳統(tǒng)的RTU通信能力通常是過時的，因?yàn)樗鼈兪窃谒綘I無線電或租用專線通訊網(wǎng)時期發(fā)展起來的。如今開放的，基于IP的有線和無線本地和廣域的網(wǎng)絡(luò)則更加靈活，而且價格更便宜。由于這一原因，改造現(xiàn)有的RTU或執(zhí)行新的應(yīng)用程序時，使用過時的RTU技術(shù)在商業(yè)或技術(shù)上是沒有太大意義的。

相反地，PAC能提供卓越的通信能力，通用I / O選項(xiàng)，寬溫和振動規(guī)格，并使用當(dāng)今領(lǐng)先的通信標(biāo)準(zhǔn)。這些特點(diǎn)使得PAC適合替代傳統(tǒng)戶外RTU，尤其是舊網(wǎng)絡(luò)，專有網(wǎng)絡(luò)等由于維修費(fèi)用增加或過時廢棄的網(wǎng)絡(luò)。

數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAQ）基于PC設(shè)備，提供快速的信號采集、基本信號調(diào)試、數(shù)據(jù)保存功能和有限的聯(lián)網(wǎng)能力。多數(shù)DAQ系統(tǒng)是基于PC，在物理環(huán)境或遠(yuǎn)程位置上的使用有一定限制。大多數(shù)DAQ系統(tǒng)更喜歡呆在實(shí)驗(yàn)室里而非戶外的環(huán)境。

PAC提供通用且靈活的信號偵測、調(diào)試及多線路。其擁有強(qiáng)大的處理器和大量的內(nèi)存，獲得的原始數(shù)據(jù)可以在傳送至數(shù)據(jù)庫用于其他應(yīng)用之前進(jìn)行累加、校對或其他處理（例如，將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成工程單位）。

另外，數(shù)據(jù)可以保存在本地。由于PAC不是PC ，故不像PC需要較高的成本，它可以在現(xiàn)場應(yīng)用中隨意部署。所以PAC是個不錯的選擇。

各種工業(yè)自動化供應(yīng)商現(xiàn)在提供PAC或類似PAC產(chǎn)品。在某些情況下，這些產(chǎn)品更像PLC，而在其他情況下則更象是工業(yè)用PC 。如前所述，PAC與這些設(shè)備集成，從而使側(cè)重PLC或PC功能的設(shè)備可能會并不適用于你的應(yīng)用需求。

在評估PAC或類似PAC自動化控制器時，只需考慮這一經(jīng)驗(yàn)方法：為了滿足您的要求，你是否需要添加附加的處理器，網(wǎng)絡(luò)接口或中間件使得控制器擁有PLC或PC類似的特點(diǎn)？

如果是，查看一下控制器是否更符合如前所述的PAC特點(diǎn)？

對于任何產(chǎn)品，一些廠商可能從業(yè)已久。許多供應(yīng)商最近引入了新PAC或PAC類似產(chǎn)品，有幾個候選公司，包括OPTO 22，在PAC進(jìn)入主流的前幾年就已經(jīng)用出色的銷售業(yè)績證明了其強(qiáng)大功能。

在1990年，在PAC概念誕生前的11年，Opto 22引進(jìn)了PAC雛形—以電腦為形式的硬件設(shè)備—mistic控制器?，F(xiàn)在Opto 22 SNAP PAC系統(tǒng)以mistic為基礎(chǔ)，其他PAC設(shè)備應(yīng)用包括半導(dǎo)體處理、原料加工、水和水處理、管道監(jiān)測等。

總之，PAC提供了一個擁有先進(jìn)控制功能的緊湊型控制器，網(wǎng)絡(luò)連接，設(shè)備互操作，以及企業(yè)數(shù)據(jù)集成功能，都能在PLC或基于PC的控制器中找到。有了這些功能，PAC在現(xiàn)代工業(yè)應(yīng)用中已經(jīng)成為滿足各種工業(yè)需求不可獲缺的部分。

PAC蓄勢待發(fā)

仔細(xì)看看如何使PAC適用于現(xiàn)代工業(yè)應(yīng)用

如下圖所示的單一的PAC正在多域內(nèi)進(jìn)行操作以監(jiān)測管理生產(chǎn)線，包括化學(xué)工藝、測試臺、物流等。為了完成以上任務(wù)，PAC必須同時管理模擬值如溫度、壓力；數(shù)字量閥門的開/關(guān)狀態(tài)，開關(guān)及儀表；庫存跟蹤和測試設(shè)備中的串行數(shù)據(jù)等。

PAC與OLE交換數(shù)據(jù)用于過程控制服務(wù)器（OPC）、操作界面及SQL（結(jié)構(gòu)式查詢語言）數(shù)據(jù)庫等。且PAC能同時處理這些任務(wù)，無需附加任何處理器、網(wǎng)關(guān)或中間件等。

PAC、操作員、工作臺、測試設(shè)備、生產(chǎn)線、過程傳感器、激勵及條形碼識別等一起連接在遍布設(shè)備區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)10/100 Mbps以太網(wǎng)上。在一些實(shí)例中，一些無內(nèi)置以太網(wǎng)連接功能的設(shè)備如溫度傳感器等是通過一個中繼以太網(wǎng)激活I(lǐng)/O單元從而連接在I/O模塊上，再依次與PAC通訊。

使用以太網(wǎng)，使PAC與遠(yuǎn)程I/O模塊通訊，對模擬、數(shù)字和串口信號進(jìn)行讀、寫操作。以太網(wǎng)同時把PAC和OPC服務(wù)器連接起來，故PAC也可以和類似升降機(jī)、臨時工作臺等移動設(shè)備通訊。

PAC能控制、監(jiān)測，并與各種設(shè)備和系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)，源于PAC與它們使用相同標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和協(xié)議，包括有線和無線以太網(wǎng)、IP網(wǎng)絡(luò)傳輸、OPC及SQL等。

在另一種控制情況中，需要應(yīng)用到基于的應(yīng)用層的協(xié)議如Modbus、SNMP（簡單的網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議）及通過調(diào)制解調(diào)器的PPP（點(diǎn)對點(diǎn)協(xié)議）。而PAC能夠滿足這些不同的通訊要求。

在一些工廠實(shí)例中，PAC與企業(yè)SQL數(shù)據(jù)庫交換制造、生產(chǎn)及清單數(shù)據(jù)。這樣依次與幾個關(guān)鍵商務(wù)系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)，包括企業(yè)資源計劃（ERP）系統(tǒng)、總體設(shè)備效率（OEE）系統(tǒng)及供應(yīng)鏈管理（SCM）系統(tǒng)等。因?yàn)閺墓S車間來的數(shù)據(jù)不斷由PAC更新，所以整個商務(wù)系統(tǒng)的信息是實(shí)時、有價值的。