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PAC-先進的可編程自動化控制器

PAC-先進的可編程自動化控制器

2016/7/18 10:04:29

導讀:

  作為一種多功能的控制平臺,用戶可以根據(jù)系統(tǒng)的需要,組合和搭配相關的技術和產(chǎn)品以實現(xiàn)功能的側(cè)重,因為基于同一發(fā)展平臺進行開發(fā),所以采用PAC系統(tǒng)保證了控制系統(tǒng)各功能模塊具有統(tǒng)一性,而不僅是一個完全無關的部件拼湊成的集合體。                                                                   

   自從ARC Group提出PAC (Programmable Automation Controller) 這個概念以來,作為近年來自動化產(chǎn)業(yè)最為重要的發(fā)展趨勢之一,PAC受到了自動化業(yè)界及終端用戶的廣泛關注。筆者試圖在本文里就PAC的產(chǎn)生及其關鍵技術進行一些探討,以拋磚引玉。

為什么需要使用PAC

   PAC 這個概念的提出是針對PLC (Programmable Logic Controller) 的概念而來,作為一種快速和可靠的解決方案,PLC的設計滿足了工廠對于使用環(huán)境和可靠性的要求,而且其編程方式也非常適合機電工程師的思維習慣,故PLC自問世以來在自動化控制系統(tǒng)領域獨領風騷已經(jīng)有二十多年的歷史了。目前的PLC已經(jīng)不僅限于在邏輯控制的應用,一些新一代的大中型PLC已經(jīng)具備了比較強大的浮點數(shù)據(jù)運算能力和較為豐富完備的通訊介面,可以完成今日的系統(tǒng)化與復雜化的自動控制技術。

   在當前的自動化應用里,對自動化控制系統(tǒng)已經(jīng)提出了更高的要求,下表列出了這些要求帶來的變化。

   雖然PLC業(yè)界已經(jīng)注意到了這一趨勢,并通過將PC技術應用于PLC產(chǎn)品,直接提供OPC Server、WEB Server及IEEE標準通訊接口等,以提供更高的應用靈活性。但是受限于傳統(tǒng)PLC專屬式的設計,其互操作性和靈活性很差(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:

  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)視管理有賴于服務器主機的主動定時查詢;

  因為在實時信息上的欠缺,要實現(xiàn)跨PLC的事件處理比較困難,且速度延遲,效果不佳;

  無法提供本地直接處理的預約控制,預約控制完全有賴于服務器主機的集中處理,所以系統(tǒng)當機時,立刻停擺;

  系統(tǒng)的建構由于采用了不同供應商的多種平臺,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,故其實施并不是一件輕松和容易的事情;

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

  梯形圖程序的設計是基于個案進行,每一專案均無法完全復制應用,無法實現(xiàn)標準化,從而工程設計費用無法降低;

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

  無法實現(xiàn)實時同步遠程的數(shù)據(jù)傳輸,與PDA、手機的連接比較困難;

  需要通過PC或第三方設備來實現(xiàn)基于WEB的遠程數(shù)據(jù)發(fā)布。

什么是PAC

  雖然從外形上來看,PAC與傳統(tǒng)的PLC非常相似,但究其實質(zhì),PAC系統(tǒng)的性能卻廣泛得多。作為一種多功能的控制平臺,用戶可以根據(jù)系統(tǒng)的需要,組合和搭配相關的技術和產(chǎn)品以實現(xiàn)功能的側(cè)重,因為基于同一發(fā)展平臺進行開發(fā),所以采用PAC系統(tǒng)保證了控制系統(tǒng)各功能模塊具有統(tǒng)一性,而不僅是一個完全無關的部件拼湊成的集合體。

  綜合業(yè)界專家的意見,所謂PAC系統(tǒng)應該具備以下一些主要的特征和性能:

  提供通用發(fā)展平臺和單一數(shù)據(jù)庫,以滿足多領域自動化系統(tǒng)設計和集成的需求

  一個輕便的控制引擎,可以實現(xiàn)多領域的功能,包括:邏輯控制、過程控制、運動控制人機界面

  允許用戶根據(jù)系統(tǒng)實施的要求在同一平臺上運行多個不同功能的應用程序,并根據(jù)控制系統(tǒng)的設計要求,在各程序間進行系統(tǒng)資源的分配

  采用開放的模塊化的硬件架構以實現(xiàn)不同功能的自由組合與搭配,減少系統(tǒng)升級帶來的開銷

  支持IEC-61158現(xiàn)場總線規(guī)范,可以實現(xiàn)基于現(xiàn)場總線的高度分散性的工廠自動化環(huán)境

  支持事實上的工業(yè)以太網(wǎng)標準,可以與工廠的EMS、ERP系統(tǒng)輕易集成

  使用既定的網(wǎng)絡協(xié)議,程序語言標準來保障用戶的投資及多供應商網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)交換

PAC系統(tǒng)的關鍵技術

  的產(chǎn)生受益于近年來在嵌入式系統(tǒng)領域的發(fā)展與進步。在硬件方面,有重意義的包括:嵌入式硬件系統(tǒng)設計,其中具有代表意義的是CPU技術的發(fā)展;現(xiàn)場總線技術的發(fā)展;工業(yè)以太網(wǎng)的廣泛應用。在軟件方面則包括:嵌入式實時操作系統(tǒng);軟邏輯編程技術;嵌入式組態(tài)軟件的發(fā)展等。試分別說明如下:

  跟隨摩爾定律的發(fā)展,最新的高性能CPU在獲得更高的處理能力的同時,其體積更小、功耗更低,從而在出眾的計算能力以及工業(yè)用戶最為關心的穩(wěn)定性和可靠性方面獲得平衡,使制造廠商有可能去選擇通用的標準的嵌入式系統(tǒng)結(jié)構進行設計,擺脫傳統(tǒng)PLC因采用專有的硬件結(jié)構體系帶來的局限,使系統(tǒng)具備更為豐富的功能前景和開放性。

  在現(xiàn)有面世的PAC系統(tǒng)中,被廣泛采用的是低功耗、高性能的SOC (System On Chip) 核心處理器。這里面既有采用CISC架構的CPU,如Mobile Pentium系列CPU,也有采用RISC架構的CPU,如ARM系列、SHx系列等,當然也有使用MIPS CPU的。綜合比較而言,由于RISC CPU在應用于工業(yè)控制系統(tǒng)時所具備的綜合優(yōu)勢,采用RISC CPU的系統(tǒng)占據(jù)了目前市場所供應的控制系統(tǒng)的多數(shù)。

  在CPU技術發(fā)展的同時,移動存儲技術方面也有很大的進展,從而使最新的系統(tǒng)可以在付出有限成本的同時,獲得大容量的數(shù)據(jù)存儲空間,以適應新的自動化應用對不斷增長的數(shù)據(jù)量的要求,同時又可以避免因為使用機械式硬盤帶來的系統(tǒng)崩潰的風險。

  經(jīng)過14年的紛爭,最后IEC的現(xiàn)場總線標準化組織經(jīng)投票,接納了8種現(xiàn)場總線成為IEC61158現(xiàn)場總線標準,即:FF H1,Control Net,PROFIBUS,INTERBUS,P-Net,World FIP,Swift Net,F(xiàn)F之高速Ethernet即HSE。IEC61158現(xiàn)場總線標準的最終塵埃落定,使在工業(yè)控制在設備層和傳感器層有了可以遵循的標準。目前在中國大陸的產(chǎn)業(yè)自動化應用領域,影響比較大的有:PROFIBUS、基于CAN總線的DeviceNET、主要應用于建筑自動化的LONWorks、以及未曾列入IEC61158標準的CCLink等。

  但是由于這8種現(xiàn)場總線采用的通信協(xié)議完全不同,因此,要實現(xiàn)這些總線的兼容和互操作是十分困難的。其可能的出路是采用已經(jīng)是通用的國際標準Ethernet、TCP/IP等協(xié)議,并使其符合工業(yè)應用的要求,而且這種方案最容易被廣大國家的用戶、集成商、OEM及制造商接受和歡迎。

  但是要把Ethernet用于工業(yè)自動化,有以下4個問題需要解決:

  1、實時性問題。由于Ethernet采用CSMA/CD碰撞檢測方式,網(wǎng)絡負荷較大時,網(wǎng)絡傳輸?shù)牟淮_定性不能滿足工業(yè)控制的實時要求。但據(jù)測試,在典型的工業(yè)應用中,其峰值負載在500K左右,相當于10M Ethernet的5%,或100M Ethernet的0.5%,而Ethernet只有當負載達40%以上時才會有明顯的延遲現(xiàn)象。同時,目前已經(jīng)開發(fā)出多種有用方法以提高以太網(wǎng)相關組件及軟件的速度,并使數(shù)據(jù)的發(fā)送和接受更可靠。這其中最有前途的解決方案是IEEE1588標準精準時間協(xié)議 (Standard Precision Time Protocol,PTP)。

  2、Ethernet如何滿足現(xiàn)場環(huán)境問題。Ethernet所用的接插件、集線器、交換機和電纜等是為辦公室應用而設計的,不符合工業(yè)現(xiàn)場惡劣環(huán)境的要求。為了解決在不間斷的工業(yè)應用領域,在極端條件下網(wǎng)絡也能穩(wěn)定地工作的問題,目前已有多家公司專門開發(fā)和生產(chǎn)了DIN導軌式收發(fā)器、集線器和交換機系列產(chǎn)品,并有冗余電源供電,接插件采用牢固的DB-9結(jié)構,如美國科動控制系統(tǒng)公司和國內(nèi)的東土電信等。

  3、在工業(yè)控制中使用Ethernet如何獲得技術支持。在工業(yè)以太網(wǎng)的應用層,有四種標準獲得了廣泛的支持和應用:施奈德公司:ModbusTCP/IP (1998) 是目前工業(yè)以太網(wǎng)的事實標準,并使以太網(wǎng)在傳感器級和設備級得到了大量的應用;德國西門子公司:PROFINET (2001);美國Rockwell自動化公司: Ethernet/IP (2000);基金會現(xiàn)場總線FF:HSE (2000)。

  4、Ethernet與網(wǎng)絡安全問題。目前有多種軟硬件技術可以有效的解決網(wǎng)絡安全的問題。

  通用的嵌入式實時操作系統(tǒng)獲得了長足的發(fā)展,并獲得了廣泛的應用。傳統(tǒng)的美國WindRiver公司的Vx Works、PSOS操作系統(tǒng)在高端領域還是有很高的占有率;另一引人注目的趨勢是微軟公司的Windows CE在推出.net版本以后,有效的解決了硬實時的問題,并以其低廉的價格和廣泛的客戶群獲得了用戶的青睞;作為開放源碼的代表,Linux操作系統(tǒng)也推出了其嵌入式版本,并以其在成本、開放性、安全性上面的優(yōu)勢,獲得一些特殊應用客戶及中小制造商的歡迎。

  符合IEC-61131-3標準的軟邏輯編程語言的發(fā)展,有效的整合了傳統(tǒng)PLC在編程技術上的積累,使廣大的機電工程師可以在基于PC的系統(tǒng)上使用其熟悉的編程方式實現(xiàn)其控制邏輯。另一方面在PAC系統(tǒng)上,工程師也可以使用高階語言實現(xiàn)復雜的算法或通訊編程,例如VB.net、EVC、VC#、JAVA等。目前IEC-61131-3標準已經(jīng)實現(xiàn)了基本層的轉(zhuǎn)載(包括編碼體和變量),正在進行攜帶層的轉(zhuǎn)載(包括函數(shù)和功能塊),并最終實現(xiàn)整個編譯層的轉(zhuǎn)載(應用程序)。從而有效提高不同供應商設備間的互操作性,并減少系統(tǒng)升級時的開銷。

  在人機介面的部分,一些軟邏輯開發(fā)工具均同時提供HMI開發(fā)套件,例如ISaGRAF、Micro Trace Mode、KW MultiProg等。如果有更進一步的需求,一些專業(yè)的SCADA/HMI軟件廠商也提供針對嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的套裝軟件,例如組態(tài)王公司的嵌入版KingView、Indusoft等。

審核編輯(
王靜
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