PAC架構(gòu)丨PAC解決了那些問題
如果依照維基百科對(duì)嵌入式系統(tǒng)的定義,“嵌入式系統(tǒng)通常執(zhí)行的是帶有特定要求的預(yù)先定義的任務(wù),由于嵌入式系統(tǒng)只針對(duì)一項(xiàng)特殊的任務(wù),設(shè)計(jì)人員能夠?qū)λM(jìn)行優(yōu)化,減小尺寸降低成本。”PLC可說(shuō)是最早的嵌入式設(shè)計(jì)之一,它只針對(duì)工業(yè)控制為單一應(yīng)用,設(shè)計(jì)完全以此為基準(zhǔn),內(nèi)部元件大量精簡(jiǎn),整體運(yùn)作機(jī)制高度簡(jiǎn)化,因此穩(wěn)定度也可達(dá)到工業(yè)等級(jí)。
不過(guò)PLC歷史已久,在1969年就已問世,當(dāng)時(shí)PC技術(shù)尚未成形,制造現(xiàn)場(chǎng)的整合概念也不多,因此自動(dòng)化系統(tǒng)多為單獨(dú)運(yùn)作(Stand Alone),1980年PC技術(shù)開始起飛,PC Based在20世紀(jì)末期開始跨入自動(dòng)化領(lǐng)域,由于PC已是企業(yè)作業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái),利用PC的高相容性來(lái)將作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)與企業(yè)e化系統(tǒng)整合,已成制造業(yè)系統(tǒng)建置重點(diǎn)之一。
PC Based在自動(dòng)化應(yīng)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,主要問題有三點(diǎn):
1. 穩(wěn)定性─PC作業(yè)系統(tǒng)向來(lái)給人穩(wěn)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(qiáng)化元件,容易發(fā)生當(dāng)機(jī)的情形。
3. 程式設(shè)計(jì)環(huán)境不熟悉-工廠操作員必須有能力掌控系統(tǒng),以便進(jìn)行維護(hù)或故障排除。使用階梯邏輯時(shí),他們可以手動(dòng)強(qiáng)迫1個(gè)線圈到達(dá)需要的狀態(tài),并迅速修補(bǔ)受影響的程式碼,以便迅速控制系統(tǒng),但是PC系
統(tǒng)要求操作員學(xué)習(xí)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(kù),以及將資料公布至網(wǎng)站之故。這種架構(gòu)最大的問題在于,這些系統(tǒng)往往難以組裝、故障排除及維護(hù)。系統(tǒng)工程師往往必須處理整合不同廠商間的軟硬體,然而這些設(shè)備在設(shè)計(jì)時(shí)并未考量到整合面,因此在系統(tǒng)整合時(shí)會(huì)遇到相當(dāng)大的問題。
為解決PLC與PC Based的整合問題,美國(guó)研究機(jī)構(gòu)ARC提出了PAC架構(gòu),PAC英文全名是Automation Research Corporation,中文則是可程式自動(dòng)化控制器,美國(guó)國(guó)家儀器(NI)指出在ARC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(tái)上至少有2種功能,包括邏輯、運(yùn)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(yùn)動(dòng)、處理,以及PID,都只是軟體的1個(gè)函數(shù)。
2. 單一的多元化開發(fā)平臺(tái),結(jié)合一般標(biāo)簽及單一資料庫(kù),以存取所有的參數(shù)及功能。由于PAC是為了高階應(yīng)用而設(shè)計(jì)的,因此它們需要更先進(jìn)的軟體。為了讓系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jī)器或處理元件之資料流,并配合IEC61131-3、使用者導(dǎo)引,以及資料管理,使之能夠完成設(shè)計(jì)的軟體工具。另外一個(gè)簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的元件是高階圖形化開發(fā)工具,它能夠輕易將工程師對(duì)于過(guò)程的概念轉(zhuǎn)變成實(shí)際控制機(jī)器的程式碼。
4. 反應(yīng)出工業(yè)應(yīng)用環(huán)境的開放、模組化架構(gòu),從工廠中的機(jī)器配置到處理廠中的元件操作皆含括在內(nèi)。由于所有工業(yè)應(yīng)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(shè)計(jì)所需的系統(tǒng)。
5. 采用實(shí)質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)做為網(wǎng)路界面、語(yǔ)言等,例如TCPIP、OPC &XML以及SQL查詢。對(duì)于現(xiàn)代控制系統(tǒng)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(jī)構(gòu)其它部份順利進(jìn)行整合的關(guān)鍵。
PAC融合PLC與PC Based兩種技術(shù),在PC層面,會(huì)大量應(yīng)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(fèi)性電子廠商用來(lái)制作客制晶片常用的電子元件,可使設(shè)備中重設(shè)組態(tài)邏輯電路,執(zhí)行多種功能,用于連接功能區(qū)塊的可程式接點(diǎn),以及將資料輸入及輸出晶片的I/O區(qū)塊。只要定義可重設(shè)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(shè)計(jì)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(nèi)部電路以執(zhí)行特定應(yīng)用程式的電腦。
過(guò)去只有熟悉低階程式設(shè)計(jì)語(yǔ)言(如VHDL)的硬體設(shè)計(jì)師才能運(yùn)用FPGA技術(shù)。但之后系統(tǒng)控制工程師可以利用PC軟體撰寫程式如NI的LabVIEW FPGA來(lái)建立客制控制運(yùn)算法,將下載至FPGA晶片。此功能讓工程師得以將執(zhí)行上對(duì)時(shí)間極度要求的功能結(jié)合至硬體中,例如極限開關(guān)及鄰近感測(cè)器的偵測(cè)以及健康狀態(tài)監(jiān)視的應(yīng)用等。由于控制程式直接在晶片中執(zhí)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(yīng)用程式。
雖然部份PLC廠商認(rèn)為,PAC仍屬于PC Based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,包括西門子在內(nèi)的大廠,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(yīng)用在PAC,成為自動(dòng)化系統(tǒng)的重要技術(shù)之一。
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