一、前言

　　近兩年來，具有PLC和PC雙重特性的一種新的控制器：PAC（Programmable Automation Controller）由一些大型工控廠家相繼推出，在工控領域掀起一股浪潮，各相關媒體和論壇也爭相報道和發(fā)起各種評論，但大多數(shù)的最終用戶還是沒真正明白PAC和PLC的主要區(qū)別，以及PAC的特點和其可以應用的領域，本文主要就研華PAC的特點及其在工業(yè)自動化中的應用做切合實際的應用分析探討。

二、依市場之需求，PAC應運而生

　　隨著工業(yè)自動化的發(fā)展和需求，高端工業(yè)應用平臺針對復雜的控制能力、高速的模擬量采集、多任務同時運行并各自有不同的執(zhí)行周期、開放式的通訊能力以及網(wǎng)絡接口等等方面提出更高的要求。

顯然，傳統(tǒng)的PLC已經(jīng)力不從心，而新一代PLC控制器發(fā)展到今天已經(jīng)具備了網(wǎng)絡、運動，甚至視頻等功能。但是，PLC性能依賴于專用硬件，應用程序的執(zhí)行是依靠專用硬件芯片實現(xiàn)，因硬件的非通用性會導致系統(tǒng)的功能前景和開放性受到限制，由于是專用操作系統(tǒng)，其實時可靠性與功能都無法與通用實時操作系統(tǒng)相比，這樣導致了PLC整體性能的專用性和封閉性。所以，現(xiàn)代PLC仍然具有系統(tǒng)封閉性、不易進行系統(tǒng)集成、部分功能實現(xiàn)復雜、響應速度慢，尤其是實現(xiàn)成本過高等問題始終困擾著工程師們。

目前，開放和集成已經(jīng)是自動化產(chǎn)品和系統(tǒng)發(fā)展中不可阻擋的趨勢。現(xiàn)在用戶的生產(chǎn)系統(tǒng)變得日益龐雜，集成無疑已經(jīng)成為整合生產(chǎn)體系、提高效率及工廠信息化的重要途徑。當前的自動化產(chǎn)品和系統(tǒng)，不但應該具有良好的內(nèi)部集成能力，更應該具有良好的向第三方開放的集成能力，只有這樣的體系結構才能幫助最終用戶的設備運行至更高的水平。

面對市場對于復雜控制和開放集成的需求，工程師們迫切希望一種控制器能夠具有處理速度快、集成多種功能、具有開放性、易于集成的控制器能夠應用于實際工程中。同時基于嵌入式技術的發(fā)展以及軟邏輯控制器在工業(yè)控制領域的成熟應用，采用這些新技術的新一代控制器 PAC（Programmable Automation Controller）也就應運而生。

PAC結合了嵌入式PC的處理器、RAM和軟件的優(yōu)勢，以及PLC固有的可靠性、堅固性和分布特性，集成了多領域功能、共用的開發(fā)平臺、開放式接口以及分布式模塊架構，可以滿足用戶單一平臺多功能的需求。同時，采用軟邏輯技術，軟邏輯內(nèi)核運行于后臺，可以和其它的應用程序如HMI軟件、數(shù)據(jù)庫軟件等同時在PAC系統(tǒng)中并存，實現(xiàn)實時控制、HMI組態(tài)軟件、數(shù)據(jù)庫等等功能同時運行于一臺控制器中，真正實現(xiàn)了PAC的單一平臺多功能的特點，在系統(tǒng)整合性、穩(wěn)定性、低成本等等方面為現(xiàn)有的采用PC+PLC的客戶提供了一個全新的系統(tǒng)方案。

三、嵌入式和軟邏輯技術之成熟應用，PAC獲得發(fā)展之機遇

　　道理很顯然，雖然有市場之迫切需求，但如果沒有技術之先期準備和成熟應用，也就沒有PAC之產(chǎn)生。PAC的產(chǎn)生受益于近年來在嵌入式系統(tǒng)領域的技術發(fā)展及成熟應用。在硬件方面，有重意義的包括：嵌入式硬件系統(tǒng)設計，其中具有代表意義的是CPU技術的發(fā)展；現(xiàn)場總線技術的發(fā)展；工業(yè)以太網(wǎng)的廣泛應用。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；嵌入式組態(tài)軟件的發(fā)展等。

高可靠的嵌入式技術
　　
目前嵌入式的高性能CPU在獲得更高的處理能力的同時，其體積更小、功耗更低，處理能力、穩(wěn)定性和可靠性方面有較大的提升，使X86設計單位可以選擇通用的標準的嵌入式系統(tǒng)結構進行設計，從而擺脫傳統(tǒng)PLC因采用專有的硬件結構體系帶來的局限，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架構的CPU，如Mobile Pentium系列CPU，也有采用RISC架構的CPU，如ARM系列、SHx系列等，當然也有使用MIPS CPU的。綜合比較而言，由于RISC CPU在應用于工業(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)了目前市場所供應的控制系統(tǒng)的多數(shù)。

可靠的元器件
　　
PC的風扇和硬盤是最常需要維護的元件，而PAC采用無風扇結構以及采用工業(yè)級的存儲介質能夠提供一個可靠性的平臺系統(tǒng)。

實時、穩(wěn)定的操作系統(tǒng)
　　
通用的嵌入式實時操作系統(tǒng)獲得了長足的發(fā)展，并獲得了廣泛的應用。傳統(tǒng)的美國風河公司的VxWorks、PSOS操作系統(tǒng)在高端領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；Embedded XP則是Windows XP的組件版本。采用合適的操作系統(tǒng)，即使在系統(tǒng)藍屏時依然可以保證底層控制系統(tǒng)的可靠運行。通過采用Embedded XP的SP2的EWF功能，可以有效避免由于系統(tǒng)不確定性重起而帶來的影響。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，獲得一些特殊應用客戶及中小制造商的歡迎。

標準化的編程語言
　　
更為重要的是符合IEC-61131-3標準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)復雜的算法或通訊編程，例如VB.net、EVC、VC#、JAVA等。

開放性的自動化架構
　　
通用的國際標準Ethernet、TCP/IP等協(xié)議，使工業(yè)以太網(wǎng)越來越多的應用于工業(yè)現(xiàn)場，其高速、低成本的網(wǎng)絡方案最容易被廣大的用戶、集成商、OEM及制造商接受和歡迎，而這些技術極容易在PAC實現(xiàn)。而采用標準的Modbus/TCP協(xié)議和OPC協(xié)議，可以方便地實現(xiàn)書記傳遞和系統(tǒng)集成。

由于其采用開放式架構，很容易實現(xiàn)系統(tǒng)級整合，并方便進行本地和遠程擴展。

嵌入式的組態(tài)軟件
　　
在人機界面的部分，嵌入式組態(tài)軟件獲得了長足的發(fā)展，使用戶方便實現(xiàn)在PAC上進行組態(tài)的編程，減少開發(fā)時間，如研華公司力推的WebAccess、亞控公司的嵌入版KingView等。

總之，PAC既繼承了傳統(tǒng) IPC 的開放性、多功能特點，又汲取了PLC的實時性、可靠性優(yōu)點。在外形上，不再是機箱加顯示器，而是緊湊的嵌入式結構；在性能上，它融合了 IPC 和 PLC 的優(yōu)點，可以完成多功能控制應用。

四、研華開放式PAC之特點

　　研華科技提供多樣的PAC系統(tǒng)平臺，特點是：多樣的系統(tǒng)平臺，單一的開發(fā)工具。

　　包括：開放型PAC（ADAM-5550KW）、緊湊型PAC（UNO-2170KW）、分布型PAC(AMAX-2050MKW)等。

　　研華的PAC解決方案均內(nèi)嵌ProConOS內(nèi)核控制引擎，均可采用同一個編程開發(fā)工具KW- Multiprog編程軟件進行程序設計。強大的 Multiprog KW 軟件開發(fā)工具支持 IEC-61131-3 國際編程標準，而穩(wěn)定的軟邏輯內(nèi)核引擎ProCon OS支持多樣的系統(tǒng)平臺。

在不同的系統(tǒng)平臺中，只需采用KW-Multiprog就可以完成所有現(xiàn)場數(shù)據(jù)和參數(shù)的訪問，包含軟邏輯PLC編程、遠程輸入/輸出接口訪問，運動控制功能，PID算法控制以及數(shù)據(jù)處理等； 而通過該編程開發(fā)工具設計的程序可以跨越多種平臺使用和運行，僅通過修改硬件接口配置部分就可以方便地將程序移植到不同的硬件平臺和操作系統(tǒng)中。

通過一次程序設計、而硬件平臺多樣，為工程設計需要而選擇不同的系統(tǒng)平臺時在程序移植上解除后顧之憂。

由于篇幅有限，在這里僅以開放型 PAC: ADAM-5550KW為主展開討論。

ADAM-5550KW特性

　　ADAM-5550KW 既具有工業(yè) PC 強大的運算性能，又具有 PLC的實時性和可靠性，在單一平臺中可以實現(xiàn)多種功能，涵蓋采集、控制、HMI軟件實現(xiàn)、運動控制、過程控制、數(shù)據(jù)庫、工業(yè)網(wǎng)絡連接等功能，它所采用的高集成度編程協(xié)議和可選 HMI 軟件為各種應用提供了靈活、簡單的軟件解決方案；并且支持Modbus TCP和Modbus RTU協(xié)議，方便和不同的第三方Modbus設備交換數(shù)據(jù)。

　　ADAM-5550KW可直接接顯示器，適合于復雜的控制領域、增強的網(wǎng)絡處理能力，以及單一平臺多種功能的場合。

獨特的雙CPU架構

　　上層的AMD Geode GX533M CPU功能強大，用于負責相當于PC機部分的工作，如HMI軟件、數(shù)據(jù)庫支持，強大的運算能力等等；下層的ARM7 CPU 用于負責底層I/O模塊的操作和控制，保證I/O端口的實時、穩(wěn)定、可靠操作，使其同時滿足PC的強大運算性能和 PLC 的實時性處理兩方面的要求；
雙以太網(wǎng)端口

　　ADAM-5550 針對不同應用（如考慮可靠性的冗余以太網(wǎng)連接，以及考慮安全性的獨立網(wǎng)絡連接）需求提供了兩個以太網(wǎng)端口。這兩種功能都可以通過客戶應用程序來實現(xiàn)。在遠程監(jiān)視方面，內(nèi)置的 Web 服務器可讓您通過互聯(lián)網(wǎng)方便的訪問本地 I/O 狀態(tài)；電子郵件報警功能則可以在發(fā)生報警時將報警信息即時發(fā)送給專門的郵件地址。在遠程維護方面，內(nèi)置的 FTP 服務器可提供上載應用程序或下載數(shù)據(jù)記錄文件的功能。
確定性 I/O

　　ADAM-5550 可保證 1 毫秒的確定性I/O，確保 I/O 采集和控制級的響應速度，因此其它應用程序如 HMI 軟件或其他上層操作不會對 底層I/O 控制性能產(chǎn)生任何影響。

遠程 I/O 擴展性

　　ADAM-5550 不僅通過串行端口支持 Modbus/RTU 主站和從站功能，而且還支持 Modbus/TCP 客戶端用來獲取遠程 I/O 的數(shù)據(jù)，同時還支持 Modbus/TCP Server 用來通過以太網(wǎng)端口與其它 Modbus 設備交換數(shù)據(jù)。當控制系統(tǒng)需要擴展遠程 I/O 模塊或連接其它控制器時，具備全面的 Modbus 功能就極為重要。

全部支持 IEC-61131-3 國際編程標準

　　ADAM-5550KW 支持 WinCE 5.0，采用穩(wěn)定的 ProCon OS內(nèi)核引擎和強大的 Multiprog KW 編程軟件，全面支持五種標準編程語言：梯形圖（LD）、順序功能圖（SFC）、功能塊圖（FBD）、指令表（IL）和結構化文本（STD）。其中前三種為，后兩種為文本化語言。在同一個編程界面中，同時支持三種圖形化編程語言混合編程。根據(jù)工程需求或以前的編程經(jīng)驗，能夠在五個標準化編程語言FBD、LD、IL、ST和SFC之間進行選擇，或者混合使用圖形化語言 - (例如，標準語言程序員可能使用ST，有經(jīng)驗的PLC程序員可能更喜歡LD，更可方便結合并發(fā)揮各種語言的優(yōu)勢)。

　　針對運動控制部分還支持PLCOpen協(xié)會指定的國際電機運動控制標準，確保軟件程序可以跨越平臺應用。

復雜的控制能力

　　PAC提供功能強大的浮點運算處理能力、大容量低成本的存儲空間，以及包括PID運算功能塊等多種功能的功能塊支持滿足工業(yè)現(xiàn)場的控制應用。

多任務架構

　　復雜的控制系統(tǒng)需要多種控制或采集任務分別進行實時處理，而各任務之間還需要不同的速度進行運行。研華的PAC系統(tǒng)具有多任務架構，能夠實現(xiàn)將不同的程序關聯(lián)在多個任務中，多每個任務均可以按不同的確定性執(zhí)行周期運行。多任務架構尤其適用于運算復雜、控制功能強大的應用場合。

自定義功能塊

　　編程工具同時支持客戶自行編程和自定義功能塊，并可通過封裝該自定義功能塊，方便其他用戶在程序或設計中調用。比如可以采用STD語言或IL語言進行自定義功能塊，實現(xiàn)復雜的算法如模糊邏輯或神經(jīng)網(wǎng)絡等控制算法，而在程序中通過LD或FBD或SFC等圖形化編程語言進行該功能塊的調用，既巧妙運用了各種編程語言的優(yōu)勢，又能減少程序設計的工作量，還保證了工程項目文件的簡潔架構、多功能設計和可讀性、維護性。

軟邏輯控制軟件和HMI軟件 無縫連接

　　KW軟邏輯解決方案同時提供單一的數(shù)據(jù)接口方便和HMI軟件進行連接，實現(xiàn)在WinCE操作系統(tǒng)下通過OPC Server方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。通過軟邏輯控制軟件可以創(chuàng)建單一的目標數(shù)據(jù)訪問表，并共享此數(shù)據(jù)表于HMI軟件中，實現(xiàn)軟件接口之間的無縫連接。

通過e-Mail方式自動遠程獲取事件或報警信息

　　PAC支持報警和事件處理能力，實時的、快速在本地獲取報警、事件信息，可通過編程自動地將這些信息通過e-Mail的方式發(fā)送出去，不管你在世界上任何一個角落，均可以及時獲取到此信息。而在編程上，只需要工程師在FBD中調用相關e-Mail接口并作簡單設置即可。簡單、靈活、方便！
客戶端瀏覽器用于遠程監(jiān)控

　　PAC支持網(wǎng)頁和ftp訪問，可以通過IE或NetScape等網(wǎng)頁瀏覽器通過Internet或Intranet遠程監(jiān)視或控制在現(xiàn)場運行的機器、設備或現(xiàn)場過程控制。真正的“零成本”運營實現(xiàn)隨時隨地了解生產(chǎn)前端的實時數(shù)據(jù)，并可以遠程查看并檢修設備的運行狀況，降低了維護費用。
開放的自動化接口帶來更大的便利

　　PAC的開放式自動化接口，支持標準的接口協(xié)議如：OPC、XML和SQL，可以通過這些接口協(xié)議方便將PAC系統(tǒng)集成在現(xiàn)有的工廠或樓宇網(wǎng)絡等現(xiàn)有系統(tǒng)中，并為本地控制遠程化提供了便利。

五、研華開放式PAC在工業(yè)自動化中的應用分析

　　本篇透過大型攪拌站自動配料及稱重這一典型工業(yè)自動化的實際案例從冰山一角展示研華PAC在工業(yè)自動化中的應用優(yōu)勢。

大型攪拌站的市場及應用現(xiàn)狀：

　　隨著現(xiàn)代化城市建設的不斷發(fā)展，基礎建設，房地產(chǎn)業(yè)日益紅火，對建設項目的質量要求也越來越高，而高質量的建材則是整個工程高質量的保障。那種傳統(tǒng)的以工地自行生產(chǎn)混凝土的方式由于其質量難以保證，噪聲及粉塵污染大。因而必將被自動控制的混凝土攪拌站取代。自動控制的混凝土攪拌站具有產(chǎn)品質量優(yōu)良、生產(chǎn)效率高、環(huán)保性能好等特點，正在成為混凝土生產(chǎn)的主流，具有廣闊的市場前景。
     
自動控制的混凝土攪拌站系統(tǒng)可以按照設定的配方，自動、連續(xù)的控制各部分物料的計量、投料、攪拌和出料，包括能夠準確對各種原料進行稱重；能夠控制輸送原料的皮帶的速度；能夠控制配料電機的啟停。同時系統(tǒng)還具有對數(shù)據(jù)進行瀏覽、查詢、統(tǒng)計、打印等一系列管理功能。另外，通過算法對落差進行自動修正，能夠準確的控制配料精度。

　　當前大型混凝土攪拌站的主流應用架構及局限性：
IPC工控機+ PLC+二次電子儀表（專用的配料控制器）

　　由于系統(tǒng)對運行速度、靈敏度、穩(wěn)定性及防塵抗震抗噪音等方面的要求，工控機作為上位機，在此工控機上運行組態(tài)軟件、操作控制PLC完成配料、瀉料等現(xiàn)場操作并對數(shù)據(jù)進行瀏覽、查詢、統(tǒng)計、打印等一系列管理功能。
      
下位機采用PLC實現(xiàn)攪拌站參數(shù)的采集和控制，帶RS-232C接口，和工控機傳遞數(shù)據(jù)。由于PLC的AI模塊部分的性價比太高，低成本的AI模塊又受限于采集速度和精度，所以再采用二次重量儀表（專用的配料控制器）進行各種物料的稱重工作。一般重量儀表由單片微機控制，集稱重、定值、控制于一體的智能化儀表，其儀表操作簡單、計量準確，通過串口總線和PLC進行連接。

以上闡述的采用IPC工控機+ PLC+二次儀表的解決方案在實際運行中遇到的主要問題如下：

1、控制的局限性：采用IPC工控機，Windows使用的不確定性和不穩(wěn)定性

2、通訊的局限性：采用IPC+PLC+二次儀表，通信速度慢和不穩(wěn)定，并在實際的工程開發(fā)中遇到一些數(shù)據(jù)通信的問題

3、成本的局限性：需要另外采購二次儀表來彌補PLC的AI部分之不足，增加了成本

4、系統(tǒng)的局限性：單機單控。一臺工控機連接一臺PLC，如果IPC工控機出問題，該攪拌樓即出現(xiàn)生產(chǎn)停頓。

采用研華PAC的應用架構及優(yōu)勢：

一部分用戶把眼光投向新一代的控制器PAC，采用研華ADAM-5550KW的系統(tǒng)架構如下：

　　在該系統(tǒng)中采用ADAM-5550KW的優(yōu)勢是什么呢？

　　網(wǎng)絡化：采用工業(yè)以太網(wǎng)，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)快速傳遞，實現(xiàn)了控制室、現(xiàn)場、Internet遠程監(jiān)控等三種方式同時監(jiān)控，有效地實現(xiàn)多機多控。

　　輕松構成虛擬儀表：采用IEC61131-3的編程語言，并支持混合編程方式，使得編寫復雜算法可以方便實現(xiàn)，并配合采用高速AI采集，可輕松構成虛擬儀表，降低另外購買二次儀表的系統(tǒng)成本，并解決了通信速度慢和不穩(wěn)定和數(shù)據(jù)通信的問題。

　　采用軟邏輯技術，軟邏輯內(nèi)核運行于后臺，同時可以和其它的應用程序如HMI軟件、數(shù)據(jù)庫軟件等同時在PAC系統(tǒng)中并存，配合ADAM-5550KW強大的CPU性能，實現(xiàn)實時控制、HMI組態(tài)軟件、數(shù)據(jù)庫等等功能同時運行于一臺控制器中，真正應用了PAC的單一平臺多功能的優(yōu)勢，使傳統(tǒng)的IPC工控機功能就地實現(xiàn)，降低了主控工控機的工作風險和壓力。

　　ADAM-5550KW直接支持VGA顯示器，可根據(jù)現(xiàn)場需要直接加顯示器，或組合簡易控制系統(tǒng)，利用Ethernet遠程監(jiān)控本機，省掉現(xiàn)場操作和顯示成本。

六、結束語

　　本文就PAC的市場需求、技術實現(xiàn)以及研華PAC的特點做了闡述，并就研華PAC在工業(yè)自動化中的大型攪拌站的實際應用做了方案對比分析和探討，本著切實的原則同大家探討PAC的實際應用。感謝研華的忠實客戶，是他們的支持才使得這片文章可以產(chǎn)生，并期望對其他用戶有所幫助。

市場在發(fā)展、技術在進步，雖然當前PLC依然占領大部分的市場，但相信在一部分中高端應用中PAC必然以其高可靠技術和先進之應用架構，而受市場之青睞。

PAC，后起之秀也。