可编程自动化控制器在工业自动化上的应用

满足现代工业应用要求

　　目前的控制系统越来越难以满足现代化的工业应用所需要的更多功能要求。例如，典型的控制系统必须与来自简单的传感器和执行元件的信号接口，这一点是非常容易理解的。但是对于很多现代化的应用，这仅仅是开始。先进的控制特点、网络链接、设备互用、企业数据集成都是现代工业应用中所必须的功能。

　　这些功能要求远远超出了传统的、基于离散-逻辑控制的可编程控制器（PLC）所能提供的功能。多数的PLC都使用梯形图来编程，它起源于接线图，用于描述控制系统中简单的继电器和定时器的布置和连线。如果需要一些更高功能的应用，用梯形图编程非常困难。例如，要用复杂的数学公式建立数学模型，完成复杂PID回路计算，以及浮点运算。要完成这些，PLC必须用单独的并可以独立编程的硬件卡扩展卡。


使PLC更象PC

　　要想使PLC能满足现代化的应用要求，进行网络链接、设备互用和企业数据集成，这些类型的功能更适合于PC来实现。想要基于PLC的系统实现这些功能，必须用单独的处理器、网关或转换器、运行于独立PC的软件中间件以及企业系统级的专用软件进行综合系统集成。

使得PC更象PLC

　　另一方面，用于工业环境中的PC可以满足现代化工业应用中所提出的各项要求。特别是网络和数据通信方面的功能要求。

　　要想使PLC能实现PC类似的任务，或用PC实现PLC的任务，例如离散控制或过程控制，二者都需要扩充软件或硬件卡。例如，PC使用的操作系统对于高性能的、确定性的工业应用来说，可能不是最好的。附加的I/O扩充卡或专用的扩展卡可能要集成到PC操作系统中，从而提供高性能的、确定性的或接近确定性的操作。

PAC介绍

　　随着工业控制设备需求的增长，为了满足现代工业应用所提出的各项要求，自动化制造商已经作出了积极的反应。将PLC型的确定性控制与基于PC系统的灵活组态和企业集成功能结合，形成了一种新型的控制系统：可编程自动化控制器，即PAC。

　　虽然以前也有将PLC和PC技术结合用于工业控制的尝试，但一般只通过之前说明的“扩展”方式来实现。其中，额外的中间件、处理器或两者都用于与一个或多个PLC相融合。然而，新型的PAC在其设计中内建了更多的功能。例如，执行更高级复杂计算、锁存、PID回路、数据采集和远程以太网传输。基于PLC的控制系统要实现这些功能需要额外的、价格不菲硬件，而PAC却直接提供了这些功能。


PAC以其模块化设计和制造而著称，以及开放式结构的应用，提供与其它设备和商业系统的扩展性和互联。特别的，PAC具有高效的处理能力和I/O扫描能力，可以通过多种方式同企业及商业系统集成。

　　PAC是多功能的控制系统，可以同时监控数字信号、模拟信号以及串行I/O信号。

PAC的特点

　　多数人都赞同工业分析师ARC咨询集团最初命名的“PAC”概念。ARC提出这个概念基于两个原因：帮助自动户硬件用户更好的定义他们的应用要求；给自动化硬件供应商提出一个概念，更加清楚地表达产品的功能。

一般PAC都提供下列功能：
　　在一个平台上实现多种功能，包括逻辑、运动、驱动和处理控制
　　提供通用的多功能开发平台和单一的数据库，以满足多领域自动化系统设计和集成的　　需求。
　　无缝集成的控制器硬件和软件
　　使用软件工具可以进行统一编程，设计控制程序，支持“流过”多个机器或单元的流　　程
　　使用开放的模块化架构以实现实现不同功能的自由组合和搭配，减少系统扩展升级　　　时需要的成本。
　　支持事实上的工业以太网标准，可以与工厂的MES\ERP系统轻易集成。
　　提供有效的处理和I/O扫描

开发和功能的优势

　　从PAC的定义可以看出PAC具备的特性，可以完成复杂的功能。并且系统的硬件和软件无缝集成，提高了控制系统的性能。而要完成这些功能，PLC需要额外的扩展卡才能完成。

　　编程时，集成的硬件和软件也是一个优势：用于PAC编程的集成开发环境（IDE）包括一个所有开发工具共享的标签名数据库。PAC使用同一个软件包来满足现有的和未来的自动化要求，而不是使用来自不同供应商的多个软件包。


PAC的另外一个优势是控制系统非常容易升级。可以替换模块化处理器，不需要拆除现有的处理器和执行器连线。

　　PAC 使用标准的网络技术和协议交换数据，例如以太网和TCP/IP.

　　使用现代的网络和通讯技术，PAC实时或接近实时的获取现场信息。反过来，这又使得收集的数据更加精确、实时，对于商业应用来说更加有用。

本白皮书中的术语

　　DAQ 数据采集
　　ERP 企业资源计划
　　HMI 人机界面
　　I/O 输入/输出
　　IDE 集成的开发环境
　　IP internet协议
　　OEE 操作的设备效率
　　OEM 原始设备制造商
　　OPC 过程控制中的对象链接和嵌入
　　PAC 可编程自动化控制器
　　PC 个人电脑
　　PID 比例-积分-微分
　　PLC 可编程逻辑控制器
　　PPP 点对点协议
　　PSTN 公共电话交换网络
　　RTU 远程终端单元
　　SCADA 监测控制和数据采集
　　SCM 供应链管理
　　SNMP 简单网络管理协议
　　SQL 结构化查询语言
　　TCO 总体拥有成本
　　TCP 传输控制协议

费用上的优势

　　PAC可以提供很多费用上的优势。控制系统总的费用比较低，因为硬件比较便宜，并且需要较少的研发和集成时间。与将PLC扩展到相似性能相比，购买PAC要便宜的多。对于一个特定的自动化项目，资产回报率高、周期性花费少、总体拥有成本低。

　　最后，提高了资本的流动速度：因为在最初开发时仅需要购买当时需要模块，以后扩展根据需要可以随时添加，需要时再采购。这一切都是因为系统的模块化结构。

PAC在现代工业中的应用

　　让我们更深入的看一下PAC是怎样应用于现代工业的，使用图１的工厂应用实例。

处理多种信号

　　图１，工厂实例中的PAC处于多域运行状态，同时监测和管理一条生产线，一个测试台、和运输活动。要做到这些，PAC必须同时监控模拟量如温度和压力，数字开关状态量例如开关阀、开关和指示器以及来自物料跟踪和测试设备的串行数据。同时，PAC与OPC服务器、操作员界面、和SQL数据库进行数据交换。同时处理这些任务，不需要额外的处理器、网关或中间设备是PAC的优势。

支持标准通讯协议

　　在图１的工厂实例中，PAC、操作员和办公室工作站、测试设备、生产线和过程传感器和执行元件及条形码阅读器都安装在遍布厂房的标准10/100 Mbps 以太网内。在某些情况下，设备没有内置网络的链接，比如温度传感器，都连到位于中间的Ethernet-激发的I/O单元的I/O模块上，依次与PAC通讯。

　　使用以太网络，PAC与远程I/O模块的底板进行通讯，读/写模拟量、数字量和串行信号。网络也将PAC链接到OPC server, 操作员界面、及SQL数据库。无线网也是网络的一部分，所以PAC也可以与移动式设备通讯，例如叉车及临时的操作员工作站。

PAC可以控制、监测，并与这些不同的设备及系统交换数据，因为它们使用同样标准的网络技术和协议。实例包括有线的和无线的以太网络、Internet协议（IP）网络传输、OPC及SQL。在另外的控制条件下，可能会需要常用的协议例如Modbus、SNAP（简单网络管理协议）及通过modem的PPP协议。PAC也具有满足这些不同的通讯要求的能力。

　　PAC还同时处理控制、通讯、数据日志及其它任务。

与企业系统交换数据

　　在上述工厂实例中，PAC与企业SQL数据库交换制造、生产和库存实时数据。该数据库依次与多个关键的商业系统共享数据，包括企业资源计划（ERP）系统、操作的设备效率（OEE）系统以及供应链管理（SCM）系统。由于来自FactoryFloor的数据通过PAC及时、自动更新。所有的商业系统都能连续得到及时的、有价值的信息。

RTU、数据采集、PAC

　　远程终端单元（RTU）是类似控制器的设备。几十年来，RTU典型的用于作为监测控制和数据采集（SCADA）网络的前端部分，其中RTU向SCADA主机发送数据。RTU也接收从SCADA主机到远程现场操作设备的信息。

RTU和PLC比较

　　RTU主要是现场用来监控、采集和控制远程分散的设备，例如管线、井口、泵站或通讯设备。这些类型的应用所需要的通讯能力，传统的PLC并不具备。典型情况下，PLC也不能提供足够的强度来承受恶劣的环境条件，以及多数RTU应用所具有的灵活I/O配置能力。没有这些功能时，RTU在开发成专门集中在通讯能力，适用于恶劣的环境以及灵活I/O组态控制单元。

　　然而，过去的RTU通讯能力通常也是过时的，因为它们是在专用无线电或专线网络时开发的。今天开放的、基于IP的有线的、无线的局域和广域网都非常的灵活并且不是特别昂贵。由于这样，将现有的RTU进行更新或使用过时的RTU技术进行新的应用并不具有很大的商业或技术意义。

　　相反，PAC提供了优异的通讯能力、多种的I/O选项、广泛的温度和震动规范并且使用当前领先的通信标准。这些特点使得PAC在现场非常适合替代遗留的RTU，特别是当较老的、专用的网络由于快速增长的维护费用或磨损而废弃时。

基于PC的数据采