揭開(kāi)PAC的神秘面紗

　　PAC的含義

　　PAC這一術(shù)語(yǔ)，它定義了一種新類(lèi)型的控制器。該控制器結(jié)合了PC的處理器、RAM和軟件的優(yōu)勢(shì)，以及PLC固有的可靠性、堅(jiān)固性和分布特性。PAC采用現(xiàn)有的商業(yè)化技術(shù)(COTS)，非常適合于工業(yè)化環(huán)境，它具有可伸縮性，易于維護(hù)和具有較低的發(fā)生故障時(shí)間等特性。

　　PAC的產(chǎn)生背景

　　可編程自動(dòng)化控制器（PAC）是將最佳的PLC，DCS和PC技術(shù)融合在一個(gè)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(lái)愈多的復(fù)雜要求。

　　實(shí)施一個(gè)現(xiàn)代化的工業(yè)應(yīng)用會(huì)引出一系列問(wèn)題，有時(shí)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(lì)發(fā)出的信號(hào)，但對(duì)于許多現(xiàn)代應(yīng)用，這僅僅是一個(gè)開(kāi)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(lái)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(duì)I/O信號(hào)的控制。大多數(shù)PLC使用梯形邏輯編程，它起源于用來(lái)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(shí)器的接線圖。

　　對(duì)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(jì)算，PLC往往須增加獨(dú)立和單獨(dú)編程的硬件卡。

　　使用PLC來(lái)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(shí)可能會(huì)遇到問(wèn)題。這些類(lèi)型的任務(wù)往往更適合PC來(lái)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(tái)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(lèi)似PLC的任務(wù)如機(jī)器或過(guò)程控制，同樣需要擴(kuò)展。

　　進(jìn)入PAC

　　隨著現(xiàn)代工業(yè)應(yīng)用需求范圍擴(kuò)大，自動(dòng)化生產(chǎn)商已經(jīng)做出積極回應(yīng)，一項(xiàng)融合PLC類(lèi)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(guò)程控制，使企業(yè)能基于PC系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)勢(shì)整合的設(shè)備誕生。這個(gè)設(shè)備即被定義為可編程自動(dòng)化控制器，或者叫PAC。

　　來(lái)自ARC咨詢公司的工業(yè)分析家CraigResnick在2002年首創(chuàng)了“PAC”的定義。ARC創(chuàng)造這一新名詞基于2個(gè)原因：幫助自動(dòng)化硬件用戶更好地確定他們的應(yīng)用需求；給予自動(dòng)化硬件商一個(gè)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(guò)，但是只有通過(guò)如前述的“添加”的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中附加的中間件、處理器與一個(gè)或多個(gè)PLC協(xié)同工作。一個(gè)PAC，擁有先進(jìn)的功能，需要納入設(shè)計(jì)中。

　　例如，執(zhí)行功能包括計(jì)數(shù)、閉鎖、PID回路控制、數(shù)據(jù)采集及傳輸，一個(gè)典型的PLC控制系統(tǒng)需要更多的、價(jià)格較昂貴的過(guò)程硬件。一個(gè)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(jì)和架構(gòu)，同樣使用開(kāi)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)。

　　PAC必須符合下列要求：

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

　　2.采用一個(gè)單一的開(kāi)發(fā)平臺(tái)，使用通用的標(biāo)簽和一個(gè)單一的數(shù)據(jù)庫(kù)用于不同門(mén)類(lèi)的任務(wù)開(kāi)發(fā)

　　3.無(wú)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(jì)控制程序以支持跨越多個(gè)機(jī)器或設(shè)備的“流程”

　　5.提供高效的處理和I/O掃描

　　PAC優(yōu)于PLC的多種原因分析

　　之所以PAC優(yōu)于PLC，將從成本，高級(jí)功能，外形結(jié)構(gòu)，控制器，I／O和軟件等六個(gè)方面的特征作分析。

　　1 成本-最為經(jīng)濟(jì)的選擇

　　采用了單一的控制器節(jié)省了成本。它具有單一的控制器和機(jī)箱，可用于處理數(shù)字和模擬I/O，具有運(yùn)動(dòng)、視覺(jué)功能和模塊化儀器，因此不再需要花錢(qián)購(gòu)買(mǎi)多個(gè)控制器。正因?yàn)槿绱耍绻枰刂葡到y(tǒng)具有多種功能，如視覺(jué)或模塊化儀器，那么采用PAC將是最為經(jīng)濟(jì)的選擇。

　　2 有多功能實(shí)時(shí)控制的高級(jí)功能

　　過(guò)程控制進(jìn)行優(yōu)化的高級(jí)控制

　　由于能源或材料的成本很高的，對(duì)過(guò)程控制來(lái)說(shuō)，工程師往往要對(duì)PID控制算法要進(jìn)行優(yōu)化，以最大程度地減少浪費(fèi)。這些算法常常采用如模糊邏輯或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等控制設(shè)計(jì)技術(shù)，從而可以最大限度地降低過(guò)程控制的穩(wěn)定時(shí)間。傳統(tǒng)的PLC所能實(shí)現(xiàn)的PID控制算法并沒(méi)有為特定的過(guò)程控制進(jìn)行優(yōu)化，若采用高級(jí)的控制算法不僅需要強(qiáng)大的浮點(diǎn)處理器，而且還要占用大量的內(nèi)存，但若使用PAC平臺(tái)則可以滿足過(guò)程控制進(jìn)行優(yōu)化的要求。

　　監(jiān)控的實(shí)時(shí)分析

　　對(duì)機(jī)器運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)控的系統(tǒng)中，需要實(shí)時(shí)采集來(lái)自模擬或數(shù)字I/O通道的數(shù)據(jù)，從而能有效地檢測(cè)故障狀態(tài)。則可能需要進(jìn)行實(shí)時(shí)的階次跟蹤和振動(dòng)分析等復(fù)雜工作才能有效地檢測(cè)機(jī)器的狀況。然而對(duì)于這些應(yīng)用，則可以使用PAC的高效平臺(tái)來(lái)進(jìn)行實(shí)時(shí)地分析工作。

　　控制系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫(kù)和網(wǎng)絡(luò)連接

　　利用來(lái)自廠房?jī)?nèi)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，操作人員可以在控制室內(nèi)根據(jù)所得的信息制定決策。然而，要使控制系統(tǒng)具有輸出現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的功能是很困難的。企業(yè)系統(tǒng)一般采用標(biāo)準(zhǔn)的ODBC，ADO和XML以獲得來(lái)自自動(dòng)化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。PLC只能通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的OPC進(jìn)行通信，這意味著需要增加一臺(tái)PC來(lái)采用OPC獲取數(shù)據(jù)并使用如ODBC(開(kāi)放數(shù)據(jù)厙互連)、ADO(數(shù)據(jù)自動(dòng)化設(shè)計(jì))和XML(可擴(kuò)充描述語(yǔ)言)這樣的標(biāo)準(zhǔn)把數(shù)據(jù)傳送給企業(yè)。為了能有效地把現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)傳送到ERP系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)必須能直接和外部數(shù)據(jù)庫(kù)通信，據(jù)此，完全可以使用PAC來(lái)完成這些工作。

　　網(wǎng)絡(luò)傳送數(shù)據(jù)對(duì)數(shù)據(jù)加密

　　在把控制系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫(kù)和網(wǎng)絡(luò)連接時(shí)，是需要考慮安全問(wèn)題的。出于安全的利益，許多廠商選擇不把自動(dòng)化系統(tǒng)和企業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)相連，但是對(duì)于大多數(shù)廠商而言，連接所帶來(lái)的好處要遠(yuǎn)大于安全方面的顧慮。盡管可以對(duì)PLC加鎖來(lái)防止他人入侵工廠的網(wǎng)絡(luò)，但是由于PLC通過(guò)以太網(wǎng)發(fā)送非加密包，所以它并不適合用于防止黑客入侵。PAC在通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送數(shù)據(jù)時(shí)，可以對(duì)數(shù)據(jù)加密。盡管目前這還不是需要考慮的第一因素，但是在將來(lái)它將是廠房?jī)?nèi)分布式系統(tǒng)采用PAC的主要原因。

　　多種速度與多個(gè)循環(huán)的確定性應(yīng)用

　　PLC只能以固定的速度運(yùn)行，而且它并不是為能以不同循環(huán)速率獨(dú)立進(jìn)行處理所設(shè)計(jì)的。但如今，復(fù)雜的控制系統(tǒng)中常需要多種速率的確定性應(yīng)用，它需要有多個(gè)循環(huán)，每個(gè)循環(huán)以不同的速率運(yùn)行。這就要求能進(jìn)行并行處理，而只有在PAC上運(yùn)行的操作系統(tǒng)才具有這樣的特性。

　　3 靈活堅(jiān)固的結(jié)構(gòu)

　　適合于工廠環(huán)境

　　選擇PLC的一個(gè)常見(jiàn)原因是它能在工廠的環(huán)境下正常工作。然而，絕大部分PLC是安裝在向列箱內(nèi)。然而在這樣的環(huán)境里，PXI平臺(tái)附加的冷卻裝置，堅(jiān)固的外表面和增強(qiáng)的抗沖擊和振動(dòng)指標(biāo)都使系統(tǒng)具有和PLC相同的可靠性。

　　很強(qiáng)的擴(kuò)展功能

　　工程師很希望使用柔性的自動(dòng)化系統(tǒng)來(lái)滿足不斷更新的要求，所以他們需要控制系統(tǒng)具有模塊化、靈活性和伸縮性。PLC系統(tǒng)由于受到了I／O的限制，只能在數(shù)字和運(yùn)動(dòng)方面具有伸縮性，而PAC不僅具有PLC的伸縮性，而且您還可以在系統(tǒng)上增加視覺(jué)，模塊化儀器或高速模擬I／O。也可以通過(guò)以太網(wǎng)來(lái)使用多個(gè)PC并根據(jù)需要增加或減少PC的數(shù)目。

　　更新或更換模塊方便

　　對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)工程師而言，最大限度地減小故障時(shí)間是非常重要的。在對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行更新或更換I/O模塊時(shí)，需要能最大程度地減少更換或增加模塊的工作量。PAC的模塊化特性滿足這方面的要求。

　　4 控制器

　　具備Pentium4處理器與G字節(jié)容量的RAM

　　由于采用了現(xiàn)有的硬件來(lái)構(gòu)建基于PAC的系統(tǒng)，所以PAC控制器可使用Pentium4處理器并具備G字節(jié)容量的RAM，這樣可滿足對(duì)機(jī)器高速狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控時(shí)需要高速的處理器和大容量?jī)?nèi)存的要求。

　　信息存儲(chǔ)功能

　　PAC則可以根據(jù)指定的時(shí)間、方式和數(shù)據(jù)格式來(lái)記錄數(shù)據(jù)。如果無(wú)法保存和查看歷史信息，那么信息還有什么用呢？而PLC傳統(tǒng)上就缺乏數(shù)據(jù)記錄的功能。

　　數(shù)字I/O可以提供24V的電壓，高達(dá)500mA的驅(qū)動(dòng)電流和光學(xué)隔離

　　傳統(tǒng)上，PLC平臺(tái)的數(shù)字I/O只能為工業(yè)傳感器和激勵(lì)器提供標(biāo)準(zhǔn)的電壓驅(qū)動(dòng)電流。然而，新的如N1651x系列模塊的數(shù)字I/O則可以提供24V的電壓，高達(dá)500mA的驅(qū)動(dòng)電流和光學(xué)隔離，并且它還具有看門(mén)狗定時(shí)器，可編程電源啟動(dòng)狀態(tài)，用于提高安全性和可靠性的輸入濾波器等特性，而成本只有每通道5美元。

　　模擬輸入速率可高達(dá)每秒200M

　　目前某些PLC也具有模擬I/O模塊，但是它們的編程十分復(fù)雜而且不適合用于高分辨率和大數(shù)據(jù)量的應(yīng)用。而PAC所提供的模擬輸入速率可高達(dá)每秒200M并具有24位的分辨率，這主要由于PCI總線技術(shù)速度快的原因，故可采用基于PC平臺(tái)來(lái)提供模擬I/O。

　　高達(dá)8軸的運(yùn)動(dòng)方式

　　在各種平臺(tái)中，特別是當(dāng)您需要高于兩軸運(yùn)動(dòng)方式時(shí)，軟件起著主要的作用。在PXI平臺(tái)上的運(yùn)動(dòng)控制器可以提供高達(dá)8軸的運(yùn)動(dòng)方式，而且可以使用NI運(yùn)動(dòng)助手對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行輕松地配置。

　　視覺(jué)應(yīng)用

　　數(shù)據(jù)傳輸速率是在PLC平臺(tái)上提供視覺(jué)功能的最大障礙。目前，無(wú)論是要自動(dòng)監(jiān)測(cè)零件還是檢驗(yàn)藥品的包裝，都可以在PXI平臺(tái)上使用用于視覺(jué)應(yīng)用的模擬、數(shù)字和FireWire攝像機(jī)。可以在控制程序中集成多種視覺(jué)算法，如模式匹配，光學(xué)字符識(shí)別，顏色匹配，規(guī)格和顏色檢測(cè)。

　　通過(guò)各種工業(yè)化的現(xiàn)場(chǎng)總線提供互聯(lián)

　　和PLC類(lèi)似，PAC可以通過(guò)各種工業(yè)化的現(xiàn)場(chǎng)總線提供互聯(lián)，如FOUNDATIONFietdbus，DeviceNet，CAN，Modbus，Ethernet，Profibus，串口等。PAC不僅能作為分布式I／O模塊的主控設(shè)備，而且也可以作為從屬設(shè)備添加到已有系統(tǒng)中。

　　5 軟件

　　實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)

　　在PAC平臺(tái)上可以使用如RTLinux，PharlapETS，QNX和VxWorks這些實(shí)時(shí)的操作系統(tǒng)(RTOS)。一般來(lái)講，實(shí)時(shí)系統(tǒng)的編程很困難，但是使用如LabVIEWRT這樣的軟件可以改變工程師開(kāi)發(fā)實(shí)時(shí)系統(tǒng)的方式。現(xiàn)在工程師可以把Windows上開(kāi)發(fā)的程序下載到實(shí)時(shí)運(yùn)載平臺(tái)上，如PXl控制器。

　　HMI(人機(jī)接口)的圖像顯示

　　特別是在混雜和過(guò)程控制工業(yè)中，大多數(shù)控制系統(tǒng)需要一個(gè)能連接控制系統(tǒng)的人機(jī)界面。一個(gè)HMI(人機(jī)接口)由一個(gè)觸摸屏組成，它可以包含一個(gè)嵌入式控制器也可以沒(méi)有。由于基于PAC的系統(tǒng)考慮到了用于I/O的相同控制器的使用，所以也就不需要添加額外的嵌入式控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)HMI的圖像顯示。

　　容易的開(kāi)發(fā)環(huán)境

　　雖然傳統(tǒng)的梯形邏輯編程非常適合于數(shù)字I/O的編程，然而對(duì)于處理模擬I/O、運(yùn)動(dòng)或視覺(jué)這種編程方式則十分麻煩。PAC可以用通用的語(yǔ)言編寫(xiě)控制程序，為您提供了很大的靈活性，這些通用語(yǔ)言包括C，C++，VisuaIBasic，LabVIEW甚至是傳統(tǒng)的梯形邏輯。

　　4從上看出PAC與PLC功能之差異，其PAC可執(zhí)行較多的高級(jí)任務(wù):

　　實(shí)時(shí)的振動(dòng)分析、圖像處理．運(yùn)動(dòng)控制和CAN；

　　執(zhí)行自動(dòng)調(diào)節(jié)的PID控制，或可調(diào)增益的PID控制．模糊邏輯；

　　使用內(nèi)置Web服務(wù)器、FTP服務(wù)器和e-mail功能進(jìn)行通訊。

　　由于PAC能為您增加所需的PC功能以用于高級(jí)控制，實(shí)時(shí)分析或連接企業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)，而且同時(shí)保持了PLC的可靠性。如果您不只是需要集成數(shù)字I/O和運(yùn)動(dòng)控制，或者需要更快的計(jì)算機(jī)處理能力的話，PAC可能是非常好的選擇。為此，當(dāng)今的工程師除了PLC控制外，其PAC不失為是一種最佳選擇，它正占領(lǐng)自動(dòng)化領(lǐng)域，而PAC概念將在當(dāng)今和未來(lái)的工廠自動(dòng)化中發(fā)揮重要的作用。