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(guān)注。筆者試圖在本文里就PAC的產(chǎn)生及其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)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(shè)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(xí)慣，故PLC自問世以來在自動化控制系統(tǒng)領(lǐng)域獨領(lǐng)風(fēng)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(yīng)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(fù)雜化的自動控制技術(shù)。 在當(dāng)前的自動化應(yīng)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。

圖一 自動化應(yīng)用的最新需求

雖然PLC業(yè)界已經(jīng)注意到了這一趨勢，并通過將PC技術(shù)應(yīng)用于PLC產(chǎn)品，直接提供OPC Server、WEB Server及IEEE標(biāo)準(zhǔn)通訊接口等，以提供更高的應(yīng)用靈活性。但是受限于傳統(tǒng)PLC專屬式的設(shè)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(wù)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(yù)約控制，預(yù)約控制完全有賴于服務(wù)器主機的集中處理，所以系統(tǒng)當(dāng)機時，立刻停擺； ? 系統(tǒng)的建構(gòu)由于采用了不同供應(yīng)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(shè)計的成本和時間，其不可預(yù)見成本太高。 ? 梯形圖程序的設(shè)計是基于個案進(jìn)行，每一專案均無法完全復(fù)制應(yīng)用，無法實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，從而工程設(shè)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(yīng)新的應(yīng)用需求時顯得力不從心； ? 無法實現(xiàn)實時同步遠(yuǎn)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(shè)備來實現(xiàn)基于WEB的遠(yuǎn)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(guān)的技術(shù)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(jìn)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(guān)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(yīng)該具備以下一些主要的特征和性能：

圖二 PAC的功能定義

? 提供通用發(fā)展平臺和單一數(shù)據(jù)庫，以滿足多領(lǐng)域自動化系統(tǒng)設(shè)計和集成的需求 ? 一個輕便的控制引擎，可以實現(xiàn)多領(lǐng)域的功能，包括：邏輯控制、過程控制、運動控制和人機界面等 ? 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(yīng)用程序，并根據(jù)控制系統(tǒng)的設(shè)計要求，在各程序間進(jìn)行系統(tǒng)資源的分配 ? 采用開放的模塊化的硬件架構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)，可以與工廠的EMS、ERP系統(tǒng)輕易集成 ? 使用既定的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，程序語言標(biāo)準(zhǔn)來保障用戶的投資及多供應(yīng)商網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交換 PAC系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù) PAC的產(chǎn)生受益于近年來在嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域的發(fā)展與進(jìn)步。在硬件方面，有重意義的包括：嵌入式硬件系統(tǒng)設(shè)計，其中具有代表意義的是CPU技術(shù)的發(fā)展；現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展；工業(yè)以太網(wǎng)的廣泛應(yīng)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(shù)；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(guān)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(biāo)準(zhǔn)的嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，擺脫傳統(tǒng)PLC因采用專有的硬件結(jié)構(gòu)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(gòu)的CPU，如Mobile Pentium系列CPU，也有采用RISC架構(gòu)的CPU，如ARM系列、SHx系列等，當(dāng)然也有使用MIPS CPU的。綜合比較而言，由于RISC CPU在應(yīng)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(yīng)的控制系統(tǒng)的多數(shù)。 在CPU技術(shù)發(fā)展的同時，移動存儲技術(shù)方面也有很大的進(jìn)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(yīng)新的自動化應(yīng)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(fēng)險。 ? 經(jīng)過14年的紛爭，最后IEC的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)，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(biāo)準(zhǔn)的最終塵埃落定，使在工業(yè)控制在設(shè)備層和傳感器層有了可以遵循的標(biāo)準(zhǔn)。目前在中國大陸的產(chǎn)業(yè)自動化應(yīng)用領(lǐng)域，影響比較大的有：PROFIBUS、基于CAN總線的DeviceNET、主要應(yīng)用于建筑自動化的LONWorks、以及未曾列入IEC61158標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)Ethernet、TCP/IP等協(xié)議，并使其符合工業(yè)應(yīng)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(luò)負(fù)荷較大時，網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用中，其峰值負(fù)載在500K左右，相當(dāng)于10M Ethernet的5%，或100M Ethernet的0.5%，而Ethernet只有當(dāng)負(fù)載達(dá)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(guān)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(biāo)準(zhǔn)精準(zhǔn)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(yīng)用而設(shè)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(yīng)用領(lǐng)域，在極端條件下網(wǎng)絡(luò)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(dǎo)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(gòu)，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(shù)支持。在工業(yè)以太網(wǎng)的應(yīng)用層，有四種標(biāo)準(zhǔn)獲得了廣泛的支持和應(yīng)用：施奈德公司：ModbusTCP/IP (1998) 是目前工業(yè)以太網(wǎng)的事實標(biāo)準(zhǔn)，并使以太網(wǎng)在傳感器級和設(shè)備級得到了大量的應(yīng)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(luò)安全問題。目前有多種軟硬件技術(shù)可以有效的解決網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用。傳統(tǒng)的美國WindRiver公司的Vx Works、PSOS操作系統(tǒng)在高端領(lǐng)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(yīng)用客戶及中小制造商的歡迎。 ? 符合IEC-61131-3標(biāo)準(zhǔn)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(shù)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(fù)雜的算法或通訊編程，例如VB.net、EVC、VC#、JAVA等。目前IEC-61131-3標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(yīng)用程序）。從而有效提高不同供應(yīng)商設(shè)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(jìn)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。 目前主流的PAC系統(tǒng) 目前已有多個廠家提供符合PAC定義的特征與性能的產(chǎn)品，其中有代表性的有：GE Fanuc公司的PACSystems? RX3i/7i、NI公司的Compact FieldPoint、Beckoff 公司的CX1000、ICPDAS泓格科技的WinCon/LinCon等。 其中GE Fanuc公司的PACSystems? RX3i/7i的CPU采用了Pentium III 300/700MHz處理器，操作系統(tǒng)為WindRiver的Vx Works，RX3i為VME64總線，RX7i為CompactPCI總線；NI公司的Compact FieldPoint的CPU即將升級到Pentium IV-M 2.5