可編程自動化控制器PAC

    多年來，可編程邏輯控制器(PLC)為OEM廠商和最終用戶提供了高可靠性控制系統(tǒng)。然而，為實現(xiàn)越來越多的功能和不斷提高網(wǎng)絡(luò)通信性能，PLC工程師們不得不考慮進行系統(tǒng)硬/軟件的更新?lián)Q代，不斷進行硬/軟件的重新設(shè)計。現(xiàn)在，一種全新概念的控制系統(tǒng)，可編程自動化控制器(PAC)的出現(xiàn)，提高了控制系統(tǒng)的靈活性、開放性和整體性能。PAC可使客戶無需重新設(shè)計整個系統(tǒng)，就可不斷獲得遞升的系統(tǒng)性能。在PAC操作系統(tǒng)上設(shè)計了一個通用、適合于多平臺(包括硬件平臺和操作系統(tǒng)平臺)、便于移植用戶應(yīng)用程序、輕便的控制引擎， 這樣保證使用PAC系統(tǒng)的用戶可使其編制的應(yīng)用程序獲得較大應(yīng)用收益，且還能不斷優(yōu)化其自動化平臺。

    GE Fanuc公司PACSystemsTM系列，是定位于工業(yè)領(lǐng)域的PAC產(chǎn)品。對于不同硬件平臺，PAC系統(tǒng)提供了一個同樣的控制引擎和通用的編程軟件，使用戶選擇硬件系統(tǒng)有一定靈活性。

    對PAC的需求

    使用PLC作為控制系統(tǒng)已有20多年的歷史，PLC為工業(yè)控制應(yīng)用提供了快速可靠的解決方案，其設(shè)計滿足了工廠對于使用環(huán)境和可靠性的要求。然而，PLC建立在各廠家專有架構(gòu)基礎(chǔ)上，其編程和程序執(zhí)行的實現(xiàn)是對于特定應(yīng)用設(shè)計。因此，為實現(xiàn)工業(yè)企業(yè)中各層次的數(shù)據(jù)通信需求—設(shè)備層、控制層和管理層—整個系統(tǒng)經(jīng)常需整體升級。

    然而，在最近幾年，很多組織已開始尋找完全不同的工廠底層設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，而且把它們連接到操作和企業(yè)級的系統(tǒng)和流程。這種集成化程度預(yù)示了更多商業(yè)利益，包括：(1)更優(yōu)越的操作性能有助于公司生產(chǎn)更高級產(chǎn)品、獲得利潤和擴展業(yè)務(wù)；(2)賦予制造業(yè)更多靈活性來減少浪費和對多變的市場做出迅速回應(yīng)；(3)加強和提高核心競爭力來更加清晰地定義市場和業(yè)務(wù)；(4)在任何地點設(shè)計和生產(chǎn)來擴展產(chǎn)品流程的全球化；(5)采用通用和標(biāo)準(zhǔn)化架構(gòu)來降低成本；(6)使資產(chǎn)保值。

    傳統(tǒng)控制解決方案通常較難提供所需開放性和靈活性的好處，因為大量平臺和系統(tǒng)須部署為整個企業(yè)的自動化。如在某些設(shè)備不提供這些開放性和靈活性，在這些設(shè)備和系統(tǒng)間實現(xiàn)信息交換非常困難。

    因此，對于目前工業(yè)自動化的需求，傳統(tǒng)控制系統(tǒng)有一定局限性：(1)由于使用不同供應(yīng)商的多種平臺，控制系統(tǒng)實施并不是一件輕松和迅速的事；對于邏輯控制、過程控制和運動控制都需不同編程；(2)當(dāng)考察實施價值和新自動化控制技術(shù)時，用戶可能對采用這些技術(shù)和產(chǎn)品較猶豫，因為他們害怕技術(shù)會很快變得過時；(3)升級系統(tǒng)性能所帶來的好處可能并不能補償對一個已存在系統(tǒng)重新設(shè)計所花費的時間和開支；(4)現(xiàn)行自動化系統(tǒng)在容納不斷增長的數(shù)據(jù)量方面經(jīng)常顯得力不從心；(5)開發(fā)數(shù)量、用戶和設(shè)計的工具和平臺會導(dǎo)致在定義和實施自動化平臺時大規(guī)模無可逆轉(zhuǎn)的延遲；(6)一旦實施完畢和運行，一個專門控制系統(tǒng)可能在一種應(yīng)用中表現(xiàn)良好，但是想把它成功地遷移到其他應(yīng)用中卻被證明是非常困難的。

    考慮到這些局限性，PLC的功能在最近幾年中已經(jīng)擴展了不少，它提供了更多應(yīng)用靈活性和互操作性。然而，大多數(shù)PLC制造商直到現(xiàn)在并不能成功地定義和改變其控制器來適應(yīng)這種革命性的變化，或試圖擴展這些工業(yè)應(yīng)用基石的功能來滿足變革巨大的多種解決方案的需要。

    PAC定義

    由一個輕便的控制引擎支持，且對多種應(yīng)用使用同一種開發(fā)工具，PAC系統(tǒng)保證了控制系統(tǒng)功能的統(tǒng)一集成，而不僅僅是一個完全無關(guān)的部件拼湊的集成。

    PAC定義了幾種特征和性能：(1)多領(lǐng)域的功能，包括邏輯控制、運動控制、過程控制和人機界面，為統(tǒng)一平臺；(2)一個滿足多領(lǐng)域自動化系統(tǒng)設(shè)計和集成的通用開發(fā)平臺；(3)允許OEM廠商和最終用戶在統(tǒng)一平臺上部署多個控制應(yīng)用；(4)有利于開放、模塊化控制架構(gòu)來適應(yīng)高度分布性自動化工廠環(huán)境；(5)對于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、語言等，使用既定事實標(biāo)準(zhǔn)來保證多供應(yīng)商網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交換。

    PAC與PLC的區(qū)別

    雖然PAC形式與傳統(tǒng)PLC很相似，但性能卻廣泛全面得多。PAC是一種多功能控制器平臺，它包含多種用戶可按照自己意愿組合、搭配和實施的技術(shù)和產(chǎn)品。與其相反，PLC是一種基于專有架構(gòu)的產(chǎn)品，僅僅具備了制造商認(rèn)為必要的性能。

    PAC與PLC最根本的不同在于它們的基礎(chǔ)不同。PLC性能依賴于專用硬件，應(yīng)用程序的執(zhí)行是依靠專用硬件芯片實現(xiàn)，因硬件的非通用性會導(dǎo)致系統(tǒng)的功能前景和開放性受到限制，由于是專用操作系統(tǒng)，其實時可靠性與功能都無法與通用實時操作系統(tǒng)相比，這樣導(dǎo)致了PLC整體性能的專用性和封閉性。

    PAC的性能是基于其輕便控制引擎，標(biāo)準(zhǔn)、通用、開放的實時操作系統(tǒng)，嵌入式硬件系統(tǒng)設(shè)計以及背板總線。

    PLC的用戶應(yīng)用程序執(zhí)行是通過硬件實現(xiàn)的，而PAC設(shè)計了一個通用、軟件形式的控制引擎用于應(yīng)用程序的執(zhí)行，控制引擎位于實時操作系統(tǒng)與應(yīng)用程序之間，這個控制引擎與硬件平臺無關(guān)，可在不同平臺的PAC系統(tǒng)間移植，如圖1所示。因此對于用戶來說，同樣的應(yīng)用程序不需修改即可下載到不同PAC硬件系統(tǒng)中，用戶只需根據(jù)系統(tǒng)功能需求和投資預(yù)算選擇不同性能PAC平臺。這樣，根據(jù)用戶需求的迅速擴展和變化，用戶系統(tǒng)和程序無需變化，即可無縫移植。

圖1 PAC的控制引擎位于操作系統(tǒng)與應(yīng)用程序之間，與硬件無關(guān)，可以方便地移植

    PAC操作系統(tǒng)采用通用實時操作系統(tǒng)，如GE Fanuc的PACSystems系列產(chǎn)品即采用通用、成熟的 WindRiver公司VxWorksㄊ凳輩僮饗低常?AC系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)采用標(biāo)準(zhǔn)、通用嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計，這樣其處理器可使用最新的高性能CPU，如PACSystems系列產(chǎn)品的CPU即采用Pentium III 300/700MHz處理器。

    PAC系統(tǒng)通常采用標(biāo)準(zhǔn)、開放的背板總線，如PACSystems系列RX7i采用VME64總線；RX3i采用cPCI總線，這兩種總線是目前嵌入式控制領(lǐng)域中流行的總線標(biāo)準(zhǔn)，均可支持多CPU并行處理功能，且由于采用標(biāo)準(zhǔn)開放背板總線，使得PACSystems系列產(chǎn)品可支持大量第三方模塊集成到PACSystems產(chǎn)品中，如CPU模板、通信模板、I/O模板等，體現(xiàn)了系統(tǒng)的開放性、優(yōu)越性。一個典型例子是PACSystems系列可支持2.1G通信速率，使用光纖映射內(nèi)存技術(shù)，結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 影像內(nèi)存技術(shù)CMX網(wǎng)絡(luò)可達(dá)到2.1G通信速率

    PAC系統(tǒng)編程軟件為統(tǒng)一平臺，集成了多領(lǐng)域功能，如Cimplicity Machine Edition軟件，對于數(shù)據(jù)點Tags使用統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫，且在一個工程中支持多個PAC目標(biāo)編程，既適合過程控制系統(tǒng)的應(yīng)用，也適合工廠生產(chǎn)線多設(shè)備統(tǒng)一編程。

    PLC基于專有技術(shù)建立，而PAC的軟件和硬件由于采用標(biāo)準(zhǔn)通用部件，可使用COTS(商品現(xiàn)貨供應(yīng))產(chǎn)品和技術(shù)，這樣：(1)有助于確保系統(tǒng)的可靠性和可用性，因為可保證硬/軟件迅速、方便的維護；(2)降低了系統(tǒng)價格、減少了停機時間，因為隨時可得到現(xiàn)貨；(3)提高了開放性、靈活性、可擴展性。

    PAC與PC Control的區(qū)別

    同樣，作為可利用先進計算機技術(shù)高性能控制系統(tǒng)，PAC與PC Control也有著本質(zhì)區(qū)別。

    PAC使用實時操作系統(tǒng)，所有系統(tǒng)硬/軟件功能控制由控制引擎和應(yīng)用程序負(fù)責(zé)，是實時、確定性控制系統(tǒng)。

    PC Control使用普通商業(yè)操作系統(tǒng)，系統(tǒng)控制功能屬于操作系統(tǒng)任務(wù)的一部分，所有系統(tǒng)硬/軟件功能控制屬于操作系統(tǒng)的一部分，屬于非實時、非確定性控制系統(tǒng)。

    PAC的優(yōu)點

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

    (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。

    PACSystems解決方案

    GE Fanuc公司PACSystems產(chǎn)品系列，作為世界上第一代PAC產(chǎn)品，其性能和結(jié)構(gòu)贏得了多項大獎。PACSystems以一個基于標(biāo)準(zhǔn)嵌入式商品化運行系統(tǒng)架構(gòu)的控制引擎為特征，使引擎對多種平臺都十分輕便靈活，并使用戶可選擇適合特殊應(yīng)用的硬件和編程語言。系統(tǒng)通過標(biāo)準(zhǔn)通信機制如以太網(wǎng)、Profibus、DeviceNet和智能網(wǎng)支持分布式I/O。

    PACSystems編程開發(fā)使用Cimplicity Machine Edition軟件。這個開發(fā)軟件為開發(fā)、配置和診斷提供了通用工程開發(fā)環(huán)境。用戶可通過基于Windows的軟件開發(fā)控制軟件，并把它應(yīng)用到控制系統(tǒng)中。標(biāo)記式開發(fā)語言、可重用代碼庫和用于改善在線故障分析的測試編輯環(huán)境。

圖3 CIMPLICITY Machine Edition軟件

為機器級的編程、監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集和故障

分析提供了一個統(tǒng)一、集成的開發(fā)環(huán)境

  PACSystems產(chǎn)品線組成：

    (1)基于VME64的RX7i，提供所有標(biāo)準(zhǔn)VME模塊，包括90TM-70系列I/O和VMIC模塊；

    (2)RX3i，提供高速PCI總線數(shù)據(jù)傳輸速率和更廣泛的擴展功能支持90-30系列I/O模塊；

    (3)工業(yè)PC，一個全集成的顯示屏面和完全的工業(yè)PC；

    (4)PCI總線和VME總線的可插拔卡為多種設(shè)備提供標(biāo)準(zhǔn)接口。

    RX7i和RX3i

    PACSystems系列產(chǎn)品目前有RX7i和RX3i兩個系列。

    高性能RX7i(見圖4)，2003年4月面世。它擁有4倍于已有PLC底板的速度和10MB的可用來編程和文件存儲的內(nèi)存，RX7i基于VME64，支持各種標(biāo)準(zhǔn)VME模塊(包括90TM-70系列I/O和多CPU結(jié)構(gòu)，可進行并行運算處理)，包含嵌入式系統(tǒng)技術(shù)，使用Pentium III 300或700MHz CPU，內(nèi)置PMC子板的10/100MHz以太網(wǎng)卡，并通過光纖影像內(nèi)存技術(shù)支持冗余系統(tǒng)。

  

圖4 PACSystem RX7i提供4倍于已有PLC底板的速度

    RX3i(見圖5)于2004年面世，使用PCI總線底板支持高速PCI數(shù)據(jù)傳輸速率。支持標(biāo)準(zhǔn)底板使第三方可方便地開發(fā)I/O、通信、動作控制、可視和其他模塊。第三方可購買一個開發(fā)工具箱來修改配合RX3i使用的標(biāo)準(zhǔn)PCI總線卡。RX3i底板也可匹配90TM-30系列I/O模塊。目前，RX3i模塊使用Pentium III處理器。

圖5 PACSystem RX3i產(chǎn)品應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)PCI總線標(biāo)準(zhǔn)，真正支持熱插拔

    遠(yuǎn)景展望

    在可預(yù)見的未來幾年內(nèi)，開放型、標(biāo)準(zhǔn)化、可移植性等特征對于用戶越來越重要，且由于對最新嵌入式系統(tǒng)和軟件技術(shù)的快速融合，PAC會逐步取代PLC成為控制系統(tǒng)的主流產(chǎn)品，在廣泛領(lǐng)域內(nèi)給用戶提供領(lǐng)先技術(shù)。