可編程自動化控制器PAC

近年來，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。然而，為實現越來越多的功能和不斷提高網絡通信性能，PLC工程師們不得不考慮進行系統硬/軟件的更新換代，不斷進行硬/軟件的重新設計。現在，一種全新概念的控制系統，可編程自動化控制器(PAC)的出現，提高了控制系統的靈活性、開放性和整體性能。PAC可使客戶無需重新設計整個系統，就可不斷獲得遞升的系統性能。在PAC操作系統上設計了一個通用、適合于多平臺(包括硬件平臺和操作系統平臺)、便于移植用戶應用程序、輕便的控制引擎， 這樣保證使用PAC系統的用戶可使其編制的應用程序獲得較大應用收益，且還能不斷優化其自動化平臺。

GE Fanuc公司PACSystemsTM系列，是定位于工業領域的PAC產品。對于不同硬件平臺，PAC系統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有一定靈活性。

對PAC的需求

使用PLC作為控制系統已有20多年的歷史，PLC為工業控制應用提供了快速可靠的解決方案，其設計滿足了工廠對于使用環境和可靠性的要求。然而，PLC建立在各廠家專有架構基礎上，其編程和程序執行的實現是對于特定應用設計。因此，為實現工業企業中各層次的數據通信需求—設備層、控制層和管理層—整個系統經常需整體升級。

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備和網絡系統，而且把它們連接到操作和企業級的系統和流程。這種集成化程度預示了更多商業利益，包括：(1)更優越的操作性能有助于公司生產更高級產品、獲得利潤和擴展業務；(2)賦予制造業更多靈活性來減少浪費和對多變的市場做出迅速回應；(3)加強和提高核心競爭力來更加清晰地定義市場和業務；(4)在任何地點設計和生產來擴展產品流程的全球化；(5)采用通用和標準化架構來降低成本；(6)使資產保值。

傳統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須部署為整個企業的自動化。如在某些設備不提供這些開放性和靈活性，在這些設備和系統間實現信息交換非常困難。

因此，對于目前工業自動化的需求，傳統控制系統有一定局限性：(1)由于使用不同供應商的多種平臺，控制系統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)當考察實施價值和新自動化控制技術時，用戶可能對采用這些技術和產品較猶豫，因為他們害怕技術會很快變得過時；(3)升級系統性能所帶來的好處可能并不能補償對一個已存在系統重新設計所花費的時間和開支；(4)現行自動化系統在容納不斷增長的數據量方面經常顯得力不從心；(5)開發數量、用戶和設計的工具和平臺會導致在定義和實施自動化平臺時大規模無可逆轉的延遲；(6)一旦實施完畢和運行，一個專門控制系統可能在一種應用中表現良好，但是想把它成功地遷移到其他應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擴展了不少，它提供了更多應用靈活性和互操作性。然而，大多數PLC制造商直到現在并不能成功地定義和改變其控制器來適應這種革命性的變化，或試圖擴展這些工業應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，且對多種應用使用同一種開發工具，PAC系統保證了控制系統功能的統一集成，而不僅僅是一個完全無關的部件拼湊的集成。

PAC定義了幾種特征和性能：(1)多領域的功能，包括邏輯控制、運動控制、過程控制和人機界面，為統一平臺；(2)一個滿足多領域自動化系統設計和集成的通用開發平臺；(3)允許OEM廠商和最終用戶在統一平臺上部署多個控制應用；(4)有利于開放、模塊化控制架構來適應高度分布性自動化工廠環境；(5)對于網絡協議、語言等，使用既定事實標準來保證多供應商網絡的數據交換。

PAC與PLC的區別

雖然PAC形式與傳統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、搭配和實施的技術和產品。與其相反，PLC是一種基于專有架構的產品，僅僅具備了制造商認為必要的性能。

PAC與PLC最根本的不同在于它們的基礎不同。PLC性能依賴于專用硬件，應用程序的執行是依靠專用硬件芯片實現，因硬件的非通用性會導致系統的功能前景和開放性受到限制，由于是專用操作系統，其實時可靠性與功能都無法與通用實時操作系統相比，這樣導致了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，標準、通用、開放的實時操作系統，嵌入式硬件系統設計以及背板總線。

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

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

PAC操作系統采用通用實時操作系統，如GEFanuc的PACSystems系列產品即采用通用、成熟的WindRiver公司VxWorks。PAC系統硬件結構采用標準、通用嵌入式系統結構設計，這樣其處理器可使用最新的高性能CPU，如PACSystems系列產品的CPU即采用Pentium III 300/700MHz處理器。

PAC系統通常采用標準、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域中流行的總線標準，均可支持多CPU并行處理功能，且由于采用標準開放背板總線，使得PACSystems系列產品可支持大量第三方模塊集成到PACSystems產品中，如CPU模板、通信模板、I/O模板等，體現了系統的開放性、優越性。一個典型例子是PACSystems系列可支持2.1G通信速率，使用光纖映射內存技術，結構如圖2所示。

圖2 影像內存技術CMX網絡可達到2.1G通信速率

PAC系統編程軟件為統一平臺，集成了多領域功能，如Cimplicity Machine Edition軟件，對于數據點Tags使用統一數據庫，且在一個工程中支持多個PAC目標編程，既適合過程控制系統的應用，也適合工廠生產線多設備統一編程。

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

PAC與PC Control的區別

同樣，作為可利用先進計算機技術高性能控制系統，PAC與PC Control也有著本質區別。

PAC使用實時操作系統，所有系統硬/軟件功能控制由控制引擎和應用程序負責，是實時、確定性控制系統。

PC Control使用普通商業操作系統，系統控制功能屬于操作系統任務的一部分，所有系統硬/軟件功能控制屬于操作系統的一部分，屬于非實時、非確定性控制系統。

PAC的優點

PAC控制解決方案，如PACSystems可實現工廠和OEM廠商都需要的優點：

(1)提高生產率和操作效率：一個通用輕便控制引擎和綜合工程開發平臺允許快速地開發、實施和遷移；且由于它的開放性和靈活性，確保了控制、操作、企業級業務系統的無縫集成，優化了工廠流程。

(2)降低操作成本：使用通用、標準架構和網絡，降低了操作成本，讓工程師們能為一個體現成本效益、使用現貨供應的平臺選擇不同系統部件，而不是專有產品和技術；只要求用戶在一個統一平臺和開發環境上培訓，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和應用開發方面的投資。

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

PACSystems解決方案

GE Fanuc公司PACSystems產品系列，作為世界上第一代PAC產品，其性能和結構贏得了多項大獎。PACSystems以一個基于標準嵌入式商品化運行系統架構的控制引擎為特征，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用的硬件和編程語言。系統通過標準通信機制如以太網、Profibus、DeviceNet和智能網支持分布式I/O。

PACSystems編程開發使用Cimplicity Machine Edition軟件。這個開發軟件為開發、配置和診斷提供了通用工程開發環境。用戶可通過基于Windows的軟件開發控制軟件，并把它應用到控制系統中。標記式開發語言、可重用代碼庫和用于改善在線故障分析的測試編輯環境。

圖3 CIMPLICITY Machine Edition軟件
為機器級的編程、監控和數據采集和故障
分析提供了一個統一、集成的開發環境

PACSystems產品線組成：

(1)基于VME64的RX7i，提供所有標準VME模塊，包括90TM-70系列I/O和VMIC模塊；
(2)RX3i，提供高速PCI總線數據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PC，一個全集成的顯示屏面和完全的工業PC；
(4)PCI總線和VME總線的可插拔卡為多種設備提供標準接口。

RX7i和RX3i

PACSystems系列產品目前有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存，RX7i基于VME64，支持各種標準VME模塊(包括90TM-70系列I/O和多CPU結構，可進行并行運算處理)，包含嵌入式系統技術，使用Pentium III 300或700MHz CPU，內置PMC子板的10/100MHz以太網卡，并通過光纖影像內存技術支持冗余系統。

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數據傳輸速率。支持標準底板使第三方可方便地開發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工具箱來修改配合RX3i使用的標準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產品應用標準的工業PCI總線標準，真正支持熱插拔

遠景展望

在可預見的未來幾年內，開放型、標準化、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和軟件技術的快速融合，PAC會逐步取代PLC成為控制系統的主流產品，在廣泛領域內給用戶提供領先技術。