PLC和PAC的較量 誰(shuí)會(huì )是最后的王者？

　　全球化正在從根本上改變行業(yè)領(lǐng)導者如何制定商業(yè)目標。這些目標包括，提升工廠(chǎng)和設備利用率，產(chǎn)量，產(chǎn)品質(zhì)量，可用性，安全性，以及帶來(lái)績(jì)效，極大地影響自動(dòng)化的資本投資。自動(dòng)化供應商，特別是PLC和基于PLC的PAC供應商在這樣的環(huán)境中發(fā)展形勢看好，這些產(chǎn)品被廣泛地應用于工業(yè)領(lǐng)域，幫助企業(yè)面對提高生產(chǎn)力，降低產(chǎn)品成本，降低工廠(chǎng)運營(yíng)費用以及提高投資回報率。

　　PAC產(chǎn)生的背景

　　目前很多現代化的工業(yè)應用需要更多的功能要求，如網(wǎng)絡(luò )連接、設備互用、企業(yè)數據集成等，這些都遠遠超過(guò)了傳統的、基于離散-邏輯控制的PLC所能提供的功能。想要基于PLC的系統實(shí)現這些功能，必須用單獨的處理器、網(wǎng)關(guān)或轉換器、運行于獨立PC的軟件中間件以及企業(yè)系統級的專(zhuān)用軟件進(jìn)行綜合系統集成。

　　然而，隨著(zhù)工業(yè)用機器和工廠(chǎng)系統的復雜性的增加，PLC已經(jīng)很難而且也不可能成為完成所有自動(dòng)化任務(wù)?，F在的自動(dòng)化系統已經(jīng)超越了PLC的功能范圍，使得工業(yè)機器領(lǐng)域的工程師必須在自動(dòng)化系統中集成更多更先進(jìn)的I/O、處理和控制策略。

　　新的可編程自動(dòng)化控制器(PAC)硬件系統就是這樣一個(gè)非凡的PLC系統擴展方案，能夠很容易整合到PLC系統中，給工業(yè)機器增加更多的先進(jìn)功能，并提高機器的效率。

　　不過(guò)PLC歷史已久，在1969年就已問(wèn)世，當時(shí)PC技術(shù)尚未成形，制造現場(chǎng)的整合概念也不多，因此自動(dòng)化系統多為單獨運作(StandAlone)，1980年P(guān)C技術(shù)開(kāi)始起飛，PCBased在20世紀末期開(kāi)始跨入自動(dòng)化領(lǐng)域，由于PC已是企業(yè)作業(yè)的標準平臺，利用PC的高相容性來(lái)將作業(yè)現場(chǎng)與企業(yè)e化系統整合，已成制造業(yè)系統建置重點(diǎn)之一。

　　PCBased在自動(dòng)化應用初期被PLC陣營(yíng)高度質(zhì)疑，至今市場(chǎng)上仍有相關(guān)疑慮，主要問(wèn)題有三點(diǎn)：

　　1.穩定性─PC作業(yè)系統向來(lái)給人穩定性不足的印象，不能做為控制之用。

　　2.可靠性-PC使用非工業(yè)強化元件，容易發(fā)生當機的情形。

　　3.程式設計環(huán)境不熟悉-工廠(chǎng)操作員必須有能力掌控系統，以便進(jìn)行維護或故障排除。使用階梯邏輯時(shí)，他們可以手動(dòng)強迫1個(gè)線(xiàn)圈到達需要的狀態(tài)，并迅速修補受影響的程式碼，以便迅速控制系統，但是PC系統要求操作員學(xué)習更新、更高階的工具。

　　不過(guò)在整合層面的考量下，也有工程師將PLC配合PC使用，以進(jìn)行資料記錄、連接至條碼掃瞄器、將資料加入資料庫，以及將資料公布至網(wǎng)站之故。這種架構最大的問(wèn)題在于，這些系統往往難以組裝、故障排除及維護。系統工程師往往必須處理整合不同廠(chǎng)商間的軟硬體，然而這些設備在設計時(shí)并未考量到整合面，因此在系統整合時(shí)會(huì )遇到相當大的問(wèn)題。

　　PAC的五大控制特性

　　為解決PLC與PCBased的整合問(wèn)題，美國研究機構ARC提出了PAC架構，PAC英文全名是AutomationResearchCorporation，中文則是可程式自動(dòng)化控制器，美國國家儀器(NI)指出在A(yíng)RC透過(guò)軟體功能的定義，來(lái)列出PAC的五大控制特性，包括：

　　1.多領(lǐng)域的功能性。在1個(gè)平臺上至少有2種功能，包括邏輯、運動(dòng)、PID控制、磁碟以及處理，除了部份在I/O上做變動(dòng)以配合特殊協(xié)定之需要外，邏輯、運動(dòng)、處理，以及PID，都只是軟體的1個(gè)函數。

　　2.單一的多元化開(kāi)發(fā)平臺，結合一般標簽及單一資料庫，以存取所有的參數及功能。由于PAC是為了高階應用而設計的，因此它們需要更先進(jìn)的軟體。為了讓系統設計更有效率，軟體必須是一款單一整合軟體套件，而不是未經(jīng)處理、無(wú)法合作無(wú)間的分散式軟體工具。

　　3.透過(guò)處理跨越多部機器或處理元件之資料流，并配合IEC61131-3、使用者導引，以及資料管理，使之能夠完成設計的軟體工具。另外一個(gè)簡(jiǎn)化系統設計的元件是高階圖形化開(kāi)發(fā)工具，它能夠輕易將工程師對于過(guò)程的概念轉變成實(shí)際控制機器的程式碼。

　　4.反應出工業(yè)應用環(huán)境的開(kāi)放、模組化架構，從工廠(chǎng)中的機器配置到處理廠(chǎng)中的元件操作皆含括在內。由于所有工業(yè)應用都需要大量的自訂功能，因此硬體必須提供模組化功能，工程師可以選擇適用的元件。軟體必須讓工程師能夠增加及移除模組，以設計所需的系統。

　　5.采用實(shí)質(zhì)標準做為網(wǎng)路界面、語(yǔ)言等，例如TCPIP、OPC&XML以及SQL查詢(xún)。對于現代控制系統而言，和企業(yè)網(wǎng)路的通訊是非常重要的。雖然PAC含有乙太網(wǎng)路連接埠，但是通訊用軟體是與機構其它部份順利進(jìn)行整合的關(guān)鍵。

　　PAC融合PLC與PCBased兩種技術(shù)，在PC層面，會(huì )大量應用嵌入式技術(shù)，擁有使用軟體來(lái)定義硬體的能力就是其一，PAC將采用FPGA作為控制元件，FPGA是消費性電子廠(chǎng)商用來(lái)制作客制晶片常用的電子元件，可使設備中重設組態(tài)邏輯電路，執行多種功能，用于連接功能區塊的可程式接點(diǎn)，以及將資料輸入及輸出晶片的I/O區塊。只要定義可重設組態(tài)邏輯電路的功能，以及彼此之間和I/O間的連接方式，電子設計者就可以創(chuàng )造客制晶片，而不需要生產(chǎn)客制的ASIC。FPGA就像擁有1部可以重新布署內部電路以執行特定應用程式的電腦。

　　過(guò)去只有熟悉低階程式設計語(yǔ)言(如VHDL)的硬體設計師才能運用FPGA技術(shù)。但之后系統控制工程師可以利用PC軟體撰寫(xiě)程式如NI的LabVIEWFPGA來(lái)建立客制控制運算法，將下載至FPGA晶片。此功能讓工程師得以將執行上對時(shí)間極度要求的功能結合至硬體中，例如極限開(kāi)關(guān)及鄰近感測器的偵測以及健康狀態(tài)監視的應用等。由于控制程式直接在晶片中執行，因此工程師可以迅速建立具備客制通訊協(xié)定或高速控制回路的應用程式。

　　有業(yè)內人士在談到價(jià)值時(shí)表示，PAC的所有部件均按軟件和硬件集成最靈活、最方便、成本最低為出發(fā)點(diǎn)，因此它是跨機械自動(dòng)化、電氣自動(dòng)化、儀表自動(dòng)化、計算機等專(zhuān)業(yè)的。這些特點(diǎn)使最終用戶(hù)獲得以下收益：設備的生命周期成本較低，資產(chǎn)的投資回報率提高，資產(chǎn)所有者總成本下降。

　　雖然部份PLC廠(chǎng)商認為，PAC仍屬于PCBased產(chǎn)品，只是換了另一種包裝，但就市場(chǎng)整體面來(lái)看，PAC的確已逐漸成形，包括西門(mén)子在內的大廠(chǎng)，均已紛紛推出產(chǎn)品，未來(lái)嵌入式技術(shù)將會(huì )被大量應用在PAC，成為自動(dòng)化系統的重要技術(shù)之一。

　　PLC和PAC的功能比較與性能分析

　　PAC與PLC廣泛應用于工業(yè)自動(dòng)化中，兩者孰優(yōu)孰劣，下面從成本，高級功能，外形結構，控制器，I/O和軟件等幾個(gè)方面的特征作分析。

　　1、成本-哪種更經(jīng)濟

　　采用了單一的控制器節省了成本。它具有單一的控制器和機箱，可用于處理數字和模擬I/O，具有運動(dòng)、視覺(jué)功能和模塊化儀器，因此不再需要花錢(qián)購買(mǎi)多個(gè)控制器。正因為如此，如果需要控制系統具有多種功能，如視覺(jué)或模塊化儀器，那么采用PAC將是最為經(jīng)濟的選擇。

　　2、多功能實(shí)時(shí)控制的高級功能

　　過(guò)程控制進(jìn)行優(yōu)化的高級控制

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

　　監控的實(shí)時(shí)分析

　　對機器運行進(jìn)行監控的系統中，需要實(shí)時(shí)采集來(lái)自模擬或數字I/O通道的數據，從而能有效地檢測故障狀態(tài)。則可能需要進(jìn)行實(shí)時(shí)的階次跟蹤和振動(dòng)分析等復雜工作才能有效地檢測機器的狀況。然而對于這些應用，則可以使用PAC的高效平臺來(lái)進(jìn)行實(shí)時(shí)地分析工作。

　　控制系統與數據庫和網(wǎng)絡(luò )連接

　　利用來(lái)自廠(chǎng)房?jì)鹊膶?shí)時(shí)數據，操作人員可以在控制室內根據所得的信息制定決策。然而，要使控制系統具有輸出現場(chǎng)數據的功能是很困難的。企業(yè)系統一般采用標準的ODBC，ADO和XML以獲得來(lái)自自動(dòng)化系統的數據。PLC只能通過(guò)標準的OPC進(jìn)行通信，這意味著(zhù)需要增加一臺PC來(lái)采用OPC獲取數據并使用如ODBC(開(kāi)放數據厙互連)、ADO(數據自動(dòng)化設計)和XML(可擴充描述語(yǔ)言)這樣的標準把數據傳送給企業(yè)。為了能有效地把現場(chǎng)數據傳送到ERP系統中，控制系統必須能直接和外部數據庫通信，據此，完全可以使用PAC來(lái)完成這些工作。

　　網(wǎng)絡(luò )傳送數據對數據加密

　　在把控制系統與數據庫和網(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(chǎng)商選擇不把自動(dòng)化系統和企業(yè)數據庫相連，但是對于大多數廠(chǎng)商而言，連接所帶來(lái)的好處要遠大于安全方面的顧慮。盡管可以對PLC加鎖來(lái)防止他人入侵工廠(chǎng)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 )傳送數據時(shí)，可以對數據加密。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(chǎng)房?jì)确植际较到y采用PAC的主要原因。

　　多種速度與多個(gè)循環(huán)的確定性應用

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

　　3、靈活堅固的結構

　　適合于工廠(chǎng)環(huán)境

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

　　很強的擴展功能

　　工程師很希望使用柔性的自動(dòng)化系統來(lái)滿(mǎn)足不斷更新的要求，所以他們需要控制系統具有模塊化、靈活性和伸縮性。PLC系統由于受到了I/O的限制，只能在數字和運動(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并根據需要增加或減少PC的數目。

　　更新或更換模塊方便

　　對于現場(chǎng)工程師而言，最大限度地減小故障時(shí)間是非常重要的。在對控制系統進(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(mǎn)足這方面的要求。

　　4、控制器

　　具備Pentium4處理器與G字節容量的RAM

　　由于采用了現有的硬件來(lái)構建基于PAC的系統，所以PAC控制器可使用Pentium4處理器并具備G字節容量的RAM，這樣可滿(mǎn)足對機器高速狀態(tài)進(jìn)行監控時(shí)需要高速的處理器和大容量?jì)却娴囊蟆?/p>

　　信息存儲功能

　　PAC則可以根據指定的時(shí)間、方式和數據格式來(lái)記錄數據。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傳統上就缺乏數據記錄的功能。

　　數字I/O可以提供24V的電壓，高達500mA的驅動(dòng)電流和光學(xué)隔離

　　傳統上，PLC平臺的數字I/O只能為工業(yè)傳感器和激勵器提供標準的電壓驅動(dòng)電流。然而，新的如N1651x系列模塊的數字I/O則可以提供24V的電壓，高達500mA的驅動(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雜而且不適合用于高分辨率和大數據量的應用。而PAC所提供的模擬輸入速率可高達每秒200M并具有24位的分辨率，這主要由于PCI總線(xiàn)技術(shù)速度快的原因，故可采用基于PC平臺來(lái)提供模擬I/O。

　　高達8軸的運動(dòng)方式

　　在各種平臺中，特別是當您需要高于兩軸運動(dòng)方式時(shí)，軟件起著(zhù)主要的作用。在PXI平臺上的運動(dòng)控制器可以提供高達8軸的運動(dòng)方式，而且可以使用NI運動(dòng)助手對系統進(jìn)行輕松地配置。

　　視覺(jué)應用

　　數據傳輸速率是在PLC平臺上提供視覺(jué)功能的最大障礙。目前，無(wú)論是要自動(dòng)監測零件還是檢驗藥品的包裝，都可以在PXI平臺上使用用于視覺(jué)應用的模擬、數字和FireWire攝像機?？梢栽诳刂瞥绦蛑屑啥喾N視覺(jué)算法，如模式匹配，光學(xué)字符識別，顏色匹配，規格和顏色檢測。

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

　　和PLC類(lèi)似，PAC可以通過(guò)各種工業(yè)化的現場(chǎng)總線(xiàn)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模塊的主控設備，而且也可以作為從屬設備添加到已有系統中。

　　5、軟件

　　實(shí)時(shí)操作系統

　　在PAC平臺上可以使用如RTLinux，PharlapETS，QNX和VxWorks這些實(shí)時(shí)的操作系統(RTOS)。一般來(lái)講，實(shí)時(shí)系統的編程很困難，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)系統的方式?，F在工程師可以把Windows上開(kāi)發(fā)的程序下載到實(shí)時(shí)運載平臺上，如PXl控制器。

　　HMI(人機接口)的圖像顯示

　　特別是在混雜和過(guò)程控制工業(yè)中，大多數控制系統需要一個(gè)能連接控制系統的人機界面。一個(gè)HMI(人機接口)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HMI的圖像顯示。

　　容易的開(kāi)發(fā)環(huán)境

　　雖然傳統的梯形邏輯編程非常適合于數字I/O的編程，然而對于處理模擬I/O、運動(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甚至是傳統的梯形邏輯。

　　從上看出PAC與PLC功能之差異，其PAC可執行較多的高級任務(wù);

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

　　執行自動(dòng)調節的PID控制，或可調增益的PID控制.模糊邏輯;

　　使用內置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功能以用于高級控制，實(shí)時(shí)分析或連接企業(yè)數據庫，而且同時(shí)保持了PLC的可靠性。如果您不只是需要集成數字I/O和運動(dòng)控制，或者需要更快的計算機處理能力的話(huà)，PAC可能是非常好的選擇。為此，當今的工程師除了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概念將在當今和未來(lái)的工廠(chǎng)自動(dòng)化中發(fā)揮重要的作用。

　　未來(lái)相當長(cháng)時(shí)間內PLC仍是主流

　　在用戶(hù)和系統集成商之間，對于PAC的批評聲也不絕于耳。有人說(shuō)，PAC相對于PLC來(lái)說(shuō)價(jià)格高、可靠性低、可擴展能力差;還有人認為，PAC并沒(méi)有真正針對某種迫切的或潛在的市場(chǎng)需求，因此不免曲高和寡。許多工業(yè)用戶(hù)認為PLC簡(jiǎn)單適用、價(jià)格低廉、穩定可靠，大概可以滿(mǎn)足80%的工業(yè)控制要求。

　　其實(shí)早在20世紀90年代中期，PLC技術(shù)就曾面臨軟PLC/PC控制技術(shù)的挑戰，因此曾有人預言它將逐步退出工業(yè)自動(dòng)化的歷史舞臺。而事實(shí)恰恰與之相反，過(guò)去10年內，超小型和小型PLC的性能獲得了極大的提高，產(chǎn)量也大幅增長(cháng)。

　　由于純邏輯控制和順序控制還有很大的市場(chǎng)，因此有專(zhuān)家認為，PAC很難取PLC而代之。高端PLC盡管受到PC和最近幾年出現的PAC的頻頻挑戰，但根據自身技術(shù)和產(chǎn)品的發(fā)展需要，通過(guò)全面引入計算機新技術(shù)和信息技術(shù)，PLC在工業(yè)控制中的核心地位依然不可動(dòng)搖。PLC、PC和PAC會(huì )在很長(cháng)一段時(shí)間內，都共處于自動(dòng)化市場(chǎng)，各有各的市場(chǎng)定向，PLC仍居主要地位。

　　但對于PAC的出現對于工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的積極意義，業(yè)內人士也表示，PAC的技術(shù)發(fā)展趨向，如統一的多專(zhuān)業(yè)開(kāi)發(fā)平臺、通信技術(shù)等也會(huì )對PLC的技術(shù)發(fā)展施加有益的影響。