PLC与PAC的差别

 

PAC与PLC分析

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。
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。

    1.“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。

    2.“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。

    3.“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。

    4.“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。

    5.“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。 PLC、PC-based、PAC三者之间的区别和动态？   [309]

    彭瑜先生，中国自动化学会理事，上海市自动化学会常务理事，中国仪器仪表学会专家委员会委员。
   
    　　PLC在工业控制领域长盛不衰，得益于它方便而有效地为工控80%以上的需求提供了解决方案。近两年见诸于专业杂志有关PLC发展的报告，披露了从2003年起5年内，全球预计PLC的年综合增长率达4.6%，而同期中国PLC市场预计年综合增长率高达14.1%，是世界发展速度的3倍。这主要是由于中国工业高速发展的趋势和成为世界制造业基地的趋势依然强劲。国内市场对PLC的应用有着强烈的驱动，各种行业PLC应用相当普遍，在有些行业和场合应用水平还相当高。令人鼓舞的是这一发展趋势还在继续。据ARC最近发表的PLC全球展望报告宣称，2005～2009年PLC年综合增长率将显著上升。2004年的PLC市场(包括离散控制、过程控制和混合控制)已接近70亿美元，预计到2009年会达到90亿美元。这就是说，下一个五年PLC的综合增长率将达5.9%。发展的推动力主要来自经济全球化趋势日益强烈，在着重关注顾客的需求和发展基础设施的同时，促使制造商把投资配置的重点放在通过加强自动化，追求降低成本，提升产品质量。
    　　以中国为首的亚洲发展中国家，在缓解基础设施的压力、扩展制造业的基础和谋求工厂现代化等方面，是PLC市场发展的重要推动力。在稍后一些时间，如2009年，在日本、南美，PLC供应商也有机会。此外，PLC市场的增长还受到以下关键因素的推动：节能、环境条件检测、安全、协同制造和实时优化策略等。对于PLC供应商来说，市场的竞争策略应是：在发达地区扩大市场份额，在发展中地区迅速赢得市场，而对本土市场则要警惕外来供应商的进入。
    　　PLC技术及其产品之所以表现出如此旺盛的生命力，植根于它不断能根据自身技术和产品的发展需要，通过全面吸收数字技术和信息技术新发展的技术内容，以及通过推广应用IEC 61131的国际标准，追求编程语言的标准化，将现代软件的特征赋予PLC的传统编程语言，从体系结构、控制任务和控制要求的软件描述等多方面对传统PLC加以改造，从而形成了现代PLC。因此，即使多年来它经常受到各种技术(例如基于　　PC的控制、近年出现的可编程自动控制器PAC等)的挑战，但是PLC作为自动控制的核心地位依然不可动摇。
    　　工业控制方面的专家估计，对于离散制造业的控制要求来说，80%的PLC都是用于小型系统(I/O少于128点)；78%的PLC其I/O都是数字量或者开关量；80%的PLC应用采用20来个梯形图指令就可解决问题。有人把这些概括为“80-20”法则。它从应用的观点揭示了传统PLC以其简单适用、价格低廉、稳定可靠的特点满足了80%的工业控制要求。这也告诉人们，从实用的角度来看，传统的PLC至今仍不可能被挤出控制舞台的基本原由。
    　　余下20%的控制要求传统的PLC难以满足，需要由现代PLC或者PC控制或PAC来满足。那么，该怎么选择呢？我们先看传统PLC和基于PC的控制之间存在的区别。
   
    一 传统PLC和PC控制之间的区别及其存在的问题
   
    　　传统PLC是指按处理逻辑运算和顺序控制的要求设计、采用按经典扫描方式运行的专用硬实时操作系统、具有确定性控制特征、以处理开　　关量I/O为主模拟量I/O为辅的程序可编的控制器。按照IEC 61131-3的软模型，传统的PLC模型包括一个资源，运行一个任务，控制一个程序，且运行于一个封闭系统中(见图1)。除了编制控制程序外，使用者无法控制或干预输入采样、输出设置和PLC例行程序。
    　　基于PC的控制是指采用PC机的基本硬件软件，实现PLC的控制功能，又充分利用PC机在通信、存储、编程等方面的灵活性和性价比较高的系统，其I/O通道可利用各种PC总线插槽，也可利用现场总线接入。它仅具软实时、非确定性特征。若要实现硬实时、确定性等特性，需将现行操作系统改造为具有硬实时的操作系统。由此可见，基于PC的控制存在的主要问题是与生俱来的。
    　　PC控制存在的主要问题是：
    　　(1)稳定性。通用的操作系统难以实现稳定的控制，不能实现确定性控制，且容易死机，以致不得不实施非计划重启；
    　　(2)可靠性。非工业用加固部件和旋转式硬盘容易产生故障；
    　　(3)陌生的编程环境。应用开发和维护人员熟悉PLC的编程工具，不熟悉PC系统的编程环境；
    　　(4)没有统一的开发平台，针对不同的控制任务(如I/O、通信或运动控制、先进控制)，PC常常要求不同的开发环境。
    　　因此，目前往往采用PLC+PC的系统结构，PLC通过串口或以太网口与PC机通信，由PLC进行控制，PC则联网、作流程显示、数据和文字处理、实时数据库等功能，让它们各自发挥所长。
   
    二 传统PLC和现代PLC的主要差别
   
    　　IEC 61131-3的软件模型(见图2)是现代PLC的软件基础，是整个标准基础性的理论工具，帮助人们完整地理解除编程语言以外的全部内容，也为PLC硬件突破原有体系结构(即在一个PLC系统中装插多个CPU模块)，并进行相应的软件设计，奠定了理论基础。软件模型将其最上层解决一个具体控制问题的完整软件概括为一个“配置”。它专指在一种特定类型的控制系统，包括硬件装置、处理资源、I/O通道的存储地址和系统能力的环境下的控制软件。它等同于一个PLC控制系统的应用程序。在一个“配置”中又可定义一个或多个“资源”。可把“资源”看作能执行IEC程序的处理手段，它反映PLC的物理结构，在程序和PLC的物理I/O通道之间提供了一个接口。这就是说每个资源都可拥有一个处理器。
    　　传统PLC与现代PLC的主要差别见表1，其本质差别在于它们的软件模型的完全不同。由此形成了现代PLC的多CPU模块的架构。
   
    三 现代PLC和PAC的主要差别
   
    　　为了弄清现代PLC和PAC的区别(见表2)，有必要对PAC的定义有一清晰的认识。2004年美国ARC咨询集团的C.Resnick通过对PAC五大特征的描述做出以下定义：
    　　(1)PAC具备多个专业的功能性，在一个平台上可实现包括逻辑和顺序控制、运动控制、驱动控制和过程控制的功能；
    　　(2)PAC具有单一却又满足多专业控制要求的开发平台，采用共用的变量标签(tagging)和统一的数据库；
    　　(3)PAC的软件开发可提供按流程或加工过程的设计工具，设计直接针对若干机器或处理单元，按状态(步)、激活状态(动作块)和转移条件进行；
    　　(4)PAC具有开放的、模块化的体系结构，适用于从工厂自动化到流程工业的单元操作；
    　　(5)PAC采用事实上的网络接口、编程语言、安全等各种工业标准，使异型和异构的系统之间能实现数据交换。
    　　现代PLC的高端产品往往也具备这些特征。只不过这些高端PLC产品在实现这些功能性时采用了有别于PAC的技术路线。一般而言PAC只有一个CPU模块，采用具有硬实时特征的商用操作系统；而现代PLC的高端产品却在PLC的传统背板结构上，即在主机架和扩展机架上插装多个CPU模块的新型结构。这些CPU模块可分别选用专门用于逻辑控制、顺序控制的CPU模块、运动控制用的CPU模块、过程控制用的CPU模　块，甚至内嵌Windows操作系统的CPU模块。在这种PLC系统中每个CPU模块都执行某一种控制任务，控制与其所执行任务相关的I/O模块的　存取；它们之间的联锁和协调信息通过同一PLC系统的系统总线来交换，而不是由执行不同任务的PLC系统通过控制网络来交换，速度更快也　更可靠。
    　　传统的主流PLC供应商宁肯仍然把它称为PLC，而不愿将它们叫做PAC。因此，现代PLC和PAC的主要差别应该在于软件，而不是在于功能或其他别的性能。
    　　现代PLC秉承传统PLC的专用硬实时操作系统的特征，这是PLC工作稳定、可靠的软件保证。在此基础上提高其工作性能和功能性。
    　　PAC的软件则分成两类：
    　　(1)以现有的PLC控制软件为基础，增加其控制的功能性、可靠性和易用性；
    　　(2)以PC控制的软件为基本出发点。
    　　基于PLC的控制软件最显著的特征是严格按扫描方式组织的控制程序。即使增加新的功能性(如以太网通信、运动控制和先进控制算法)也是让这些新功能插入现有的扫描结构。传统PLC只允许严格按扫描周期执行输入采样、程序执行和输出设置；现代PLC则可以区别不同性质的程序(如仅执行一次的初始化程序、快速执行的控制程序、慢速执行的显示程序等)设置不同的扫描时间，以提高整体的控制响应。这种程序执行方式易于快速构建控制系统，但也使使用者完全不了解PLC底层的运行情况，从而造成它缺少灵活性。
    　　基于PC控制的控制软件具有灵活的通用编程语言，可对硬件的内部运行作深层地存取，并将可靠性、实现确定性和默认的控制结构加以组合集成。虽然也可让它按扫描方式运行，但这并不是PC控制软件所固有的。这样就保证了PC软件的灵活性，使之更适合于高级结构化的编程技巧的要求，或者更适合于系统级的控制应用。反过来说，对于逻辑控制和顺序控制，用这种方法编程却会带来不便。还要指出的是，基于PC控制的控制软件如果要具备硬实时特性和控制的确定性，不能采用通用的、只能实现软实时的操作系统，而是一定要采用具有硬实时特性的操作系统，如Windows CE(对小系统)、Windows NTe(对大系统)或其他硬实时操作系统，如QNX、VxWorks、Venturcom RTX、ThreadX、pSOS等。
    　　PAC的控制软件的组织结构吸收了两者的长处，同时具备两者的特性和强项，因此更便于解决工业控制中传统PLC不能对付的高端问题(≤20%的控制任务)。
    　　从硬件上来讲，PAC也分为两种不同的结构，即以美国NI为代表的基于PC的结构，其特征是其卡件采用了适合工业环境的PXI总线(即用于仪器的扩展型PCI总线，把PCI总线的电路特性和CompactPCI的坚固的欧卡机械结构结合)，NI、Chroma、LeCroy和JTAG等目前可提供1000多种卡件，除了一般的I/O之外，运动控制、视觉检测识别等特殊功能卡件是其重要特色。另一种则是以GE-FANUC的PACSystem系统为代表的基于PLC背板结构(VME64或PCI总线)的PAC，其控制引擎建立在标准的嵌入式体系结构之上，其高端的RX7i所用的CPU为Intel Pentium III 300MHz(或700MHz)，其低端的RX3i采用Celeron 300MHzCPU，选用商用的具有确定性的操作系统，支持通过标准的通信网络(如以太网、Profibus、DeviceNet和GE自己的Genius网络)的分布式I/O。在这个意义上，PACSystem系统也是基于工业PC的系统。不过还要支持与GE原　来的PLC Series 90-70和Series 90-30的I/O兼容。
   
    四 PAC的价值所在
   
    　　PAC的所有部件均按软件和硬件集成最灵活、最方便、成本最低为出发点，因此它是跨机械自动化、电气自动化、仪表自动化、计算机等专业的。这些特点使最终用户获得以下收益：设备的生命周期成本较低，资产的投资回报率提高，资产所有者总成本下降。
    　　与传统的按专业划分的体系结构相比，PAC创造了另外一种商业机会，公共的集成开发环境将降低项目开发成本和实现成本，促使项目的总费用经得起各方面的比较推敲，从而增加了占领更多市场的机会。
    　　应用PAC将会把着重点从以硬件为核心，持续不断地转向以开放的通信标准和软件集成为核心。PAC将引导用户去关心如何更好去监控和控制与硬件相连接的机械设备和生产过程，让他们更多地去关注系统的整体性能，而更少地关注硬件本身。反过来这又促使PAC的供应商更多地去思考系统的优化和性能，而较少地去考虑硬件和元器件等级的差异。PAC制造厂还可通过基于Web的监控向运行工厂提供维护服务，操作人员可访问运行厂的网页，维护技术人员可直接通过Web从工厂层获得诊断信息，并找出故障之所在。
   
    五 PAC自动化市场的影响及PLC稳固的市场地位
   
    　　在今天各类制造厂正在持续地将服务范围从与用户协商转向交钥匙工程全程承包。用户则把更多的精力集中在提高核心竞争力，而把自动化和控制的功能委托给自动化的供应商。这就创造了对服务和支持的更大需求，而PAC的多功能、多专业的能力正是可利用和可依托的开发、实现和强化服务的工具和环境。
    　　是不是PAC会取代PLC呢？PAC是在PLC和PC控制的基础上发展起来的，而PC控制也是建立在PLC的基础上的。所以可以说，PAC源于　PLC，在某些方面高于PLC，或者说是在高端向PLC发起挑战。但它难以取PLC而代之，因为单纯逻辑和顺序控制还是有很大的市场。PLC本　身一直在发展推进，有许多近年来推出的PLC新系列就具有PAC的特征和多功能，但厂家仍把它叫做PLC而不称之为PAC。由于PLC在自动化　市场中历经考验而始终在稳固发展，它的特点和特色引起了其他一些控制系统装置如DCS开发商的重视和借鉴。最近老牌DCS供应商Invensys 　Foxboro推出了A2 T2550系列就是基于PLC的DCS系统，其强大的过程控制功能和PLC的低价的特点，既可作为独立的系统又有很强的联网能　力，使它在DCS的解决方案中独树一帜。
    　　综上所述，我们仍然可下以下论断：PLC、PC控制和PAC会在很长一段时间内都共处于自动化市场，PLC仍居主要地位。