6ES7368-3BB01-0AA0技术参数

  PAC与PC Control的区别

    同样，作为可利用先进计算机技术高性能控制系统，PAC与PC Control也有着本质区别。

    PAC使用实时操作系统，所有系统硬/软件功能控制由控制引擎和应用程序负责，是实时、确定性控制系统。

    PC Control使用普通商业操作系统，系统控制功能属于操作系统任务的一部分，所有系统硬/软件功能控制属于操作系统的一部分，属于非实时、非确定性控制系统。

    PAC的优点

    PAC控制解决方案，如PACSystems可实现工厂和OEM厂商都需要的优点：

    (1)提高生产率和操作效率：一个通用轻便控制引擎和综合工程开发平台允许快速地开发、实施和迁移；且由于它的开放性和灵活性，确保了控制、操作、企业级业务系统的无缝集成，优化了工厂流程。

    (2)降低操作成本：使用通用、标准架构和网络，降低了操作成本，让工程师们能为一个体现成本效益、使用现货供应的平台选择不同系统部件，而不是专有产品和技术；只要求用户在一个统一平台和开发环境上培训，而不是几种；且为用户提供了一个无缝迁移路径，保护在I/O和应用开发方面的投资。

    (3)使用户对其控制系统拥有更多控制力：使用户拥有更多灵活性来选择适合每种特殊应用的硬件和编程语言，以他们自己的时间表来规划升级，并且可在任何地方设计、制造产品。

    PACSystems解决方案

    GE Fanuc公司PACSystems产品系列，作为世界上代PAC产品，其性能和结构赢得了多项大奖。PACSystems以一个基于标准嵌入式商品化运行系统架构的控制引擎为特征，使引擎对多种平台都十分轻便灵活，并使用户可选择适合特殊应用的硬件和编程语言。系统通过标准通信机制如以太网、Profibus、DeviceNet和智能网支持分布式I/O。

    PACSystems编程开发使用Cimplicity Machine Edition软件。这个开发软件为开发、配置和诊断提供了通用工程开发环境。用户可通过基于bbbbbbs的软件开发控制软件，并把它应用到控制系统中。标记式开发语言、可重用代码库和用于改善在线故障分析的测试编辑环境。

图3 CIMPLICITY Machine Edition软件
为机器级的编程、监控和数据采集和故障
分析提供了一个统一、集成的开发环境

    PACSystems产品线组成：

    (1)基于VME64的RX7i，提供所有标准VME模块，包括90TM-70系列I/O和VMIC模块；

    (2)RX3i，提供高速PCI总线数据传输速率和更广泛的扩展功能支持90-30系列I/O模块；

    (3)工业PC，一个全集成的显示屏面和完全的工业PC；

    (4)PCI总线和VME总线的可插拔卡为多种设备提供标准接口。

    RX7i和RX3i

    PACSystems系列产品目前有RX7i和RX3i两个系列。

    高性能RX7i(见图4)，2003年4月面世。它拥有4倍于已有PLC底板的速度和10MB的可用来编程和文件存储的内存，RX7i基于VME64，支持各种标准VME模块(包括90TM-70系列I/O和多CPU结构，可进行并行运算处理)，包含嵌入式系统技术，使用Pentium III 300或700MHz CPU，内置PMC子板的10/100MHz以太网卡，并通过光纤影像内存技术支持冗余系统。

图4 PACSystem RX7i提供4倍于已有PLC底板的速度

    RX3i(见图5)于2004年面世，使用PCI总线底板支持高速PCI数据传输速率。支持标准底板使第三方可方便地开发I/O、通信、动作控制、可视和其他模块。第三方可购买一个开发工具箱来修改配合RX3i使用的标准PCI总线卡。RX3i底板也可匹配90TM-30系列I/O模块。目前，RX3i模块使用Pentium III处理器。

图5 PACSystem RX3i产品应用标准的工业PCI总线标准，真正支持热插拔

    远景展望

    在可预见的未来几年内，开放型、标准化、可移植性等特征对于用户越来越重要，且由于对新嵌入式系统和软件技术的快速融合，PAC会逐步取代PLC成为控制系统的主流产品，在广泛领域内给用户提供技术。

 PAC将成为未来的工业控制方式

    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。

    “80-20” 法则

    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，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是为更为的应用如多功能而设计的，他们需要更为的软件。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。

 当今的自动化技术发展迅速，正处于一个快速变革的时代。从半导体到消费类电子产品、再到汽车和航空制造业、以及轻工业和物流行业等多种不同的工业领域都面临着日益激烈的全球竞争压力，他们需要进一步降低成本、缩短产品生产周期，并能够迅速完成产品的更新换代。而采用新的自动化技术正是解决这一系列问题的有效手段。

    1、PAC控制技术产生的背景

    自20世纪70年代，PLC取代了原有的继电器控制系统以来，被广泛地使用到各种控制系统中，成为自动化领域中极具竞争力的控制工具。其优势为：高可靠性和稳定性。但传统PLC的体系结构是封闭的，各PLC厂家的硬件体系互不兼容，编程语言及指令系统也各异，当用户选择了一种PLC产品后，必须选择与其相应的控制规程，并且学习特定的编程语言。尽管如此，PLC还是在很多工业应用中被使用。据来自ARC、联合开发公司（VDC）以及网上PLC培训资源PLC．net的专家估计，80％的PLC用于小型应用（1～128I／O）；78％的PLC的I／O是数字的；80％的PLC应用问题可由20条梯形逻辑指令集来解决。但是，如果要在工程中开发剩余的20％的应用时，我们就不得不突破PLC的限制了。

    20世纪90年代，随着计算机技术的不断提高与发展，人们开始考虑使用PC机来进行系统控制，以求通过PC来满足剩余的20％的应用，给用户带来更多的选择。在许多工程应用中，PC机已能实现原来PLC的控制功能。并且具有更强的数据处理能力、强大的网络通讯功能以及能够执行比较复杂的控制算法和其近乎无限制的存储容量等优势。但是基于PC的自动化控制也有其不足之处，其设备的可靠性、实时性和稳定性都较差，而这3个方面正是在工业现场经常需要克服的问题。

    2、PAC控制技术的特点及其优势

    由于PC和PLC都有其各自的优缺点，因此，人们开发出了新的控制器来解决20％的应用，并把PLC和PC的特性佳地结合在一起。市场调查公司ARC咨询机构采用了PAC或可编程自动化控制器这一术语，它定义了一种新类型的控制器，该控制器是由一个轻便的控制引擎作为支持，并且提供了多种功能的开发工具。这种控制器结合了PC的处理器、RAM和软件的优势，以及PLC固有的可靠性、坚固性和分布特性。在ARC的“可编程逻辑控制器世界概览”研究中，ARC提出了PAC的5个重要特点。分别为：①多功能性，在一个平台上至少有两个逻辑、运动、PID控制、驱动和处理功能；②单一的多功能开发平台使用通用的标记和单个数据库来访问所有的参数和功能；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；④开放的，模块化结构能解决从工厂机器布置到加工车间中单元操作的工业应用；⑤采用既定的网络协议和程序语言标准来保障用户的网络数据交换，如TCP／IP，OPC．XML和SQL查询语言。

    与传统的控制技术相比，PAC技术主要具有以下优点。

    1）采用单一的控制器。PAC具有单一的控制器，可用于处理数字和模拟I／O，具有运动视觉功能和模块化仪器，因此当用户需要视觉等功能时就不必购买其他控制器了。

    2）控制。控制如模糊逻辑和神经网络等控制技术不仅需要强大的浮点处理器，而且还需要占用大量的内存，PAC平台就可以满足这些条件。

    3）实时分析。PAC可以实时地采集来自模拟或数字I／O通道的数据，并且对这些数据进行实时的分析，从而能有效地检测故障状态。如进行阶次跟踪和振动分析来检测机器的运行状况。

    4）安全性。PLC在通过以太网发送的数据包是非加密的，所以它并不适合用于防止黑客入侵。而PAC发送的数据包是可以加密的。虽然这并不是目前需要考虑的因素，但是未来安全性必然会成为一个重要的方面。

    5）多种速度的确定性应用。PLC只能以固定的速度运行，所以它不能以不同的速率来独立完成各任务。而PAC上运行的操作系统就具有这样的特性，它可以进行并行处理。

    6）灵活的记忆功能。PAC有一个模块，可升级的记忆功能，允许用户执行系统以满足当前的应用要求，以及可在将来进行一定的扩展。而PLC只有固定的记忆容量。

    7）机器视觉。由于受到数据传输速率的限制，PLC平台上不能提供视觉功能。PAC的机器视觉可以检测出利用传统的方法很难测量出来的产品缺陷和错误。

    8）提高生产率。一个通用的轻便控制引擎和综合工程开发的平台允许快速开发、实施和迁移项目工程；并且，由于它的开放性和灵活性，确保了控制点和操作以及企业业务系统之间的无缝连接，优化了工厂的流程，提高了生产效率。

    9）降低了操作成本。由于使用了通用标准架构和网络，使用户能够从成本的角度出发来选择不同的系统部件，而不是专有的产品和技术；只要求用户在统一的平台和开发环境下培训，而不需要学习多种专用环境；为用户提供了一个无缝的迁移路径，保护了用户在I／O和应用开发方面的投资。

    3、PAC控制技术的解决方案及主要产品

    从定义可以看出PAC其实是一个系统的概念。它包括了两部分内容：一体化的软件平台和基于开放式模块化结构的硬件平台。PAC技术的解决方案也围绕这两个方面展开。

    一般来说，有两种提供PAC软件的方式：基于PLC控制的软件和基于PC控制的软件。

    1）基于PLC控制的软件方案。绝大多数PLC厂商通过在已有的扫描式架构中增加新的功能来建立PAC软件，这些新功能包括以太网通信，运动控制和算法。通常他们会保留PLC熟悉的编程方式以及在逻辑和控制方面固有的特点。因此这种PAC软件通常是为了适合特殊类型的应用而设计的。

    2）基于PC控制的软件方案。在PC方面，主要的解决方案是通过采用实时操作系统（RTOS）如来自美国WindRiver公司的Vx Works来实现的。实时操作系统能够控制系统的各个层面，从I／O读写速率到控制器上各个线程的优先级。并且为了使用户能更为容易地开发出可靠的控制程序，生产厂商增加了抽象层和I／O读写架构。因而这种灵活的软件非常适合于定制控制，数据记录和通信等方面的应用。

    硬件方面的解决方案主要是依靠先进的CPU技术和开放式的设计（如：工业以太网）。根据摩尔定律，新的CPU在其体积更小、功耗更低的情况下数据处理能力却变的更强。从而使用户在获得更为稳定、可靠的CPU的同时还获得了出众的计算能力。也使得制造厂商有可能去选择标准的嵌入式系统结构进行设计，摆脱传统PLC因采用专有的硬件结构体系所带来的局限，使系统具有更为丰富的功能前景。所谓开放就是在产品设计、元器件选择、网络通信、操作系统、监控及显示等方面都采用或大家公认的工业标准。时刻想到标准化就能使不同厂家的产品兼容、互换、并且能连接在同一个网络中运行。像工业以太网就是这样的标准。以太网（Ethernet）自1975年问世以来，至今市场占有率已高达80％，毫无疑问是当今LAN（局域网）领域中的网络。以太网可以分为很多等级，一般简单的控制系统没有必要采用以太网，但对复杂的系统是很有用的，操作方便，而且能直观地看到各处的图像。

    目前已有多个厂家提供符合PAC定义的特征和性能的产品，其中主要的应用产品如下。

    GE Fanuc公司的PAC是由一体化的软件开发平台CIMPLICITY Machine Edition（ME）和开放式模块化硬件平台PAC Systems RX3i／7i构成的。ME包括3个软件包，如图1所示。   

图1 GE PAC

    其中View是人机界面工具包，实现SCA—DA／HMI功能；Logic Developer为Soft—logic开发包，它完全符合IEC61131，提供所有开发、监控和调试程序的必须工具；Motion De—veloper是运动控制开发包，用来确保运动控制程序的开发，并且提供了多达100个运动控制和复杂控制的算法模块。在硬件平台方面，GE Fanuc公司目前推出了PAC Systems RX3i／7i两个系列的产品。

    NI公司的PAC，其特色在于整合了测试测量领域中应用非常广泛的开发平台LavView。PAC系统开发软件LabVIEW不仅为用户提供创建复杂测量控制系统的编译灵活性，同时因为它直观的图形化开发界面而变得非常容易使用。在LabVIEW中，用户可以利用数百个内置的控制和分析函数，快速开发各种复杂程序。用户还可以在LabVIEW中调用其他软件开发的程序代码，来进行处理I／O、运动控制、机器视觉及仪器通信等各种应用。PAC系统开发硬件包括Compact FieldPoint，CompactRIO，Compact Vi-sion System，Industrial PC。如图2所示。

图2 NI PAC

    ICPDAS泓格科技的PAC的主要产品有WinCon／LinCon。WinCon的操作系统为bbbbbbs CE．net；LinCon的操作系统为bbbbbdedLinux。WinCon支持串行式连接、Ethernet网络连接、并行式连接；提供了Soft Logic PLC的软件包和bbbbbded View等套装监控系统；采用OPC和Modbus两种数据通信方式；具有标准的关系型数据库；并且可以利用Visual Basic．net等多种工具进行自行开发程序。

    除了上述典型产品外，还有一些其他公司的产品，例如：Beckoff公司的CX1000等等。它们也都有自己的特点。

    4、PAC技术的发展趋势

    随着市场的需要，PAC技术在未来的几年内将朝着以下几个方向进一步发展。

    1）设备规格的多样化。为了满足各种实际生产状况的需要，PAC的规格将会呈现出多样化的发展趋势。在具体的生产环境中，选择合适的控制系统要求的PAC，有利于降低成本。

    2）支持更多的控制功能。目前，PAC已经将逻辑、运动、过程控制等功能集成到了单一的平台上。而未来，PAC将进一步融合更多的功能，例如对于安全性的考虑，批处理等等。当信息被越来越广泛地使用时，其安全性就将成为需要考虑的因素。

    3）商业系统的集成。为了实现真正的实时性，自动化设备供应商将在PAC内部继续创建商业系统的连接通道而不依赖于其他的连接设备。PAC将内嵌制造执行系统（MES）的一些属性，例如：标准接口的建立，它将有利于更好地解决控制层和管理层之间的连接问题。

    4）简单的系统维护。PAC将往更小化更智能化的方向发展，但同时它将拥有更出众的数据处理能力。其软件可以监控机器运转状况，硬件可以完成复杂的自检工作。为了提高生产率、增加利润，企业就必须及时有效地传递数据信息。PAC的这种数据处理能力，可以满足用户在任何时间通过任何形式（如：e-mail，网页）对数据进行维护。

    5）延长产品的生命周期。通过采用新技术来获得更高生产效率固然十分重要，但是新技术的使用是否会大幅增加成本和培训费也是厂家十分关注的问题。PAC未来平台将仍然采用标准化的设计，其卖主可以继续使用原来的商业技术和以太网等标准，从而有效地降低了对成本的投入。

    5、结束语

    PAC既可以满足工业控制系统对于开放性和柔性的要求，又可以满足用户对稳定性和可靠性的要求。利用PAC控制技术，可以有效地为客户降低生产成本、提高生产效率，实现收益的增长。ARC指出，尽管PLC的价格在逐渐下降，但是其整体销售额在未来的几年内仍趋于上升。而作为结合了PC和PLC优势的PAC，我们有理由相信随着PAC技术的不断完善、发展和价位逐步的逼近于PLC，PAC技术必将在未来的工业自动化领域中成为控制系统的主流。