可编程自动化控制器PAC控制方案的优势与要求研究

一、概念

PAC（可编程自动化控制器）的概念是由ARC咨询集团的高级研究员Craig Resnick提出的，在谈到创造这个新名词的意义时，他认为，“PLC在市场相当活跃，而且发展良好，具很强的生命力。然而，PLC也正在许多方面不断改变，不断增加其魅力。自动化供应商正不断致力于PLC的开发，以迎合市场与用户需求。功能的增强促使新一代系统浮出水面。PAC基于开放的工业标准、具多领域功能、通用的开放平台以及高性能。ARC创造了这个词，以帮助用户定义应用需要，帮助制造商在谈到其产品时能更清晰。”

PAC的概念定义为：控制引擎的集中，涵盖PLC用户的多种需要，以及制造业厂商对信息的需求。PAC包括PLC的主要功能和扩大的控制能力，以及PC-based控制中基于对象的、开放数据格式和网络连接等功能。

它是将最佳的PLC，DCS和PC技术融合在一个统一的、多功能的单元上，并用于满足现代工业应用中愈来愈多的复杂要求。

实施一个现代化的工业应用会引出一系列问题，有时甚至是艰巨的复杂要求。比如，众所周知，典型的控制系统必须接收传感器和激励发出的信号，但对于许多现代应用，这仅仅是一个开始。先进的控制功能、网络连通性、设备的互操作性及企业数据整合都是工业应用中所越来越强调的。

这些现代化的要求大大超出了传统基于离散逻辑的可编程逻辑控制器（PLC）对I/O信号的控制。大多数PLC使用梯形逻辑编程，它起源于用来描述控制系统内布局和连接的离散物理继电器及定时器的接线图。

对于这一模式的偏离或需要扩展的应用，梯形逻辑编程有些力不从心。例如，数学上的复杂应用，如PID回路控制应用于温度控制包括浮点算法等。为了执行这些计算， PLC往往须增加独立和单独编程的硬件卡。

使用PLC来满足应用中的网络连通、设备互操作、企业数据整合等要求时可能会遇到问题。这些类型的任务往往更适合PC来处理。

为了在PLC的应用中提供这些功能，需要在独立PC中运行更多的处理器、网关或转换器、“中间件”软件，且企业系统中的特殊软件必须经常与系统进行整合。

另一方面，一台用于工业环境下的PC能提供大量的现代应用功能，尤其是那些需要联网和数据通讯功能的。如同将PLC扩容至完成PC的任务，但是，工业用PC需要执行类似PLC的任务如机器或过程控制，同样需要扩展。

例如，一台PC所使用的操作系统大多并不是高性能、确定性工业应用的最佳选择。附加I/O扩展卡或特殊扩展可能需要融入PC的操作系统中以提供高性能、确定性或类确定性操作。

二、基本要求

1多域功能（逻辑、运动、驱动和过程）——这个概念支持多种I/O类型。逻辑、运动和其他功能的集成是不断增长的复杂控制方法的要求。

2单一的多学科开发平台——单一的开发环境必须能支持各种I/O和控制方案。

3用于设计贯穿多个机器或处理单元的应用程序的软件工具——这个软件工具必须能适应分布式操作。

4一组de facto网络和语言标准——这个技术必须利用高投入技术。

5开放式、模块化体系结构——设计和技术标准与规范必须是在实现中开放的、模块化的和可结合的。

进入PAC

随着现代工业应用需求范围扩大，自动化生产商已经做出积极回应，一项融合PLC类似确定性机器的工业控制设备或拥有灵活配置的过程控制，使企业能基于PC系统进行优势整合的设备诞生。这个设备即被定义为可编程自动化控制器，或者叫PAC。

来自ARC咨询公司的工业分析家Craig Resnick在2002年首创了“PAC”的定义。ARC创造这一新名词基于2个原因：帮助自动化硬件用户更好地确定他们的应用需求；给予自动化硬件商一个更明确的概念用于帮助他们阐述产品功能。

合并PLC和PC技术用于工业控制的想法之前已出现过，但是只有通过如前述的“添加”的方法来实现，其中附加的中间件、处理器与一个或多个PLC协同工作。一个PAC，拥有先进的功能，需要纳入设计中。

例如，执行功能包括计数、闭锁、PID回路控制、数据采集及传输，一个典型的PLC控制系统需要更多的、价格较昂贵的过程硬件。一个PAC则内置了以上所有功能。

PAC的瞩目之处在于模块化的设计和架构，同样使用开放式的架构提供扩展性和设备及商用系统的互联性。特别的是，PAC冠以高效处理及I/O扫描的特点，并以多种方式使其能够融入企业的商用系统。根据ARC，可编程自动化控制器必须符合下列要求：

1.在多领域中的单一平台上操作包括逻辑、运动、驱动和过程控制

2.采用一个单一的开发平台，使用通用的标签和一个单一的数据库用于不同门类的任务开发

3.无缝集成控制器硬件和软件

4.使用软件工具进行编程能设计控制程序以支持跨越多个机器或设备的“流程”

5.在开放、模块化的架构中进行操作反映了工业应用中从设备布局到过程中的单元操作

6.采用事实上的标准网络接口，语言和协议，使数据交换成为网络化的多供应商系统的一部分

7.提供高效的处理和I/O扫描

PAC的优点

PAC控制解决方案，如PACSystems可实现工厂和OEM厂商都需要的优点：

（1）提高生产率和操作效率：一个通用轻便控制引擎和综合工程开发平台允许快速地开发、实施和迁移；且由于它的开放性和灵活性，确保了控制、操作、企业级业务系统的无缝集成，优化了工厂流程。

（2）降低操作成本：使用通用、标准架构和网络，降低了操作成本，让工程师们能为一个体现成本效益、使用现货供应的平台选择不同系统部件，而不是专有产品和技术；只要求用户在一个统一平台和开发环境上培训，而不是几种；且为用户提供了一个无缝迁移路径，保护在I/O和应用开发方面的投资。

（3）使用户对其控制系统拥有更多控制力：使用户拥有更多灵活性来选择适合每种特殊应用的硬件和编程语言，以他们自己的时间表来规划升级，并且可在任何地方设计、制造产品。

的弱势：

虽然PLC业界已经注意到了这一趋势，并通过将PC技术应用于PLC产品，直接提供OPC Server、WEB Server及IEEE标准通讯接口等，以提供更高的应用灵活性。但是受限于传统PLC专属式的设计，其互操作性和灵活性限制（即使是对于同一品牌的PLC来说，也是这样），并不能完全满足用户的要求：

1传统的PLC均不能提供主动的事件通知，系统的集中监视管理有赖于服务器主机的主动定时查询；

2因为在实时信息上的欠缺，要实现跨PLC的事件处理比较困难，且速度延迟，效果不佳；

3无法提供本地直接处理的预约控制，预约控制完全有赖于服务器主机的集中处理，所以系统当机时，立刻停摆；

4系统的建构由于采用了不同供应商的多种平台，为整合各种不同的专用总线，系统之衔接有赖于第三方提供的OPC Server或Gateway，故其实施并不是一件轻松和容易的事情；

5系统升级将必须付出重新设计的成本和时间，其不可预见成本太高。

6梯形图程序的设计是基于个案进行，每一专案均无法完全复制应用，无法实现标准化，从而工程设计费用无法降低；

7现行自动化系统的数据容量太小，在适应新的应用需求时显得力不从心；

8无法实现实时同步远程的数据传输，与PDA、手机的连接比较困难；

9需要通过PC或第三方设备来实现基于WEB的远程数据发布。

RTU和PAC

远程终端设备（RTU）类似控制器设备，安装在远程位置以收集传感器和其他数据。流行了几十年后，RTU通常被用来作为监控和数据采集（ SCADA系统）网络，RTU向SCADA发送数据。RTU从SCADA主控接收信息而操控远程位置上的现场设备上。

RTU主要在遥远的地理区域部署，以监测，采集和控制远程分散设备，如管道、井、起重机、或电信设施等。传统的PLC在这些类型的应用中不具备天然的通讯功能。另外， PLC一般不提供承受恶劣的野外环境条件，也没有多数RTU应用中所需的灵活I/O配置。

总的说来，RTU更强调其通讯功能的开发，适用于严酷环境，拥有灵活的I/O配置。

然而，传统的RTU通信能力通常是过时的，因为它们是在私营无线电或租用专线通讯网时期发展起来的。如今开放的，基于IP的有线和无线本地和广域的网络则更加灵活，而且价格更便宜。由于这一原因，改造现有的RTU或执行新的应用程序时，使用过时的RTU技术在商业或技术上是没有太大意义的。

相反地，PAC能提供卓越的通信能力，通用I / O选项，宽温和振动规格，并使用当今领先的通信标准。这些特点使得PAC适合替代传统户外RTU，尤其是旧网络，专有网络等由于维修费用增加或过时废弃的网络。

数据采集

数据采集系统（DAQ）基于PC设备，提供快速的信号采集、基本信号调试、数据保存功能和有限的联网能力。多数DAQ系统是基于PC，在物理环境或远程位置上的使用有一定限制。大多数DAQ系统更喜欢呆在实验室里而非户外的环境。

PAC提供通用且灵活的信号侦测、调试及多线路。其拥有强大的处理器和大量的内存，获得的原始数据可以在传送至数据库用于其他应用之前进行累加、校对或其他处理（例如，将原始数据转换成工程单位）。

另外，数据可以保存在本地。由于PAC不是PC ，故不像PC需要较高的成本，它可以在现场应用中随意部署。所以PAC是个不错的选择。

各种工业自动化供应商现在提供PAC或类似PAC产品。在某些情况下，这些产品更像PLC，而在其他情况下则更象是工业用PC 。如前所述，PAC与这些设备集成，从而使侧重PLC或PC功能的设备可能会并不适用于你的应用需求。

在评估PAC或类似PAC自动化控制器时，只需考虑这一经验方法：为了满足您的要求，你是否需要添加附加的处理器，网络接口或中间件使得控制器拥有PLC或PC类似的特点？

如果是，查看一下控制器是否更符合如前所述的PAC特点？

对于任何产品，一些厂商可能从业已久。许多供应商最近引入了新PAC或PAC类似产品，有几个候选公司，包括OPTO 22，在PAC进入主流的前几年就已经用出色的销售业绩证明了其强大功能。

在1990年，在PAC概念诞生前的11年，Opto 22引进了PAC雏形—以电脑为形式的硬件设备—mistic控制器。现在Opto 22 SNAP PAC系统以mistic为基础，其他PAC设备应用包括半导体处理、原料加工、水和水处理、管道监测等。

总之，PAC提供了一个拥有先进控制功能的紧凑型控制器，网络连接，设备互操作，以及企业数据集成功能，都能在PLC或基于PC的控制器中找到。有了这些功能，PAC在现代工业应用中已经成为满足各种工业需求不可获缺的部分。

PAC蓄势待发

仔细看看如何使PAC适用于现代工业应用

如下图所示的单一的PAC正在多域内进行操作以监测管理生产线，包括化学工艺、测试台、物流等。为了完成以上任务，PAC必须同时管理模拟值如温度、压力；数字量阀门的开/关状态，开关及仪表；库存跟踪和测试设备中的串行数据等。

PAC与OLE交换数据用于过程控制服务器（OPC）、操作界面及SQL（结构式查询语言）数据库等。且PAC能同时处理这些任务，无需附加任何处理器、网关或中间件等。

PAC、操作员、工作台、测试设备、生产线、过程传感器、激励及条形码识别等一起连接在遍布设备区的标准10/100 Mbps以太网上。在一些实例中，一些无内置以太网连接功能的设备如温度传感器等是通过一个中继以太网激活I/O单元从而连接在I/O模块上，再依次与PAC通讯。

使用以太网，使PAC与远程I/O模块通讯，对模拟、数字和串口信号进行读、写操作。以太网同时把PAC和OPC服务器连接起来，故PAC也可以和类似升降机、临时工作台等移动设备通讯。

PAC能控制、监测，并与各种设备和系统交换数据，源于PAC与它们使用相同标准的网络技术和协议，包括有线和无线以太网、IP网络传输、OPC及SQL等。

在另一种控制情况中，需要应用到基于的应用层的协议如Modbus、SNMP（简单的网络管理协议）及通过调制解调器的PPP（点对点协议）。而PAC能够满足这些不同的通讯要求。

在一些工厂实例中，PAC与企业SQL数据库交换制造、生产及清单数据。这样依次与几个关键商务系统交换数据，包括企业资源计划（ERP）系统、总体设备效率（OEE）系统及供应链管理（SCM）系统等。因为从工厂车间来的数据不断由PAC更新，所以整个商务系统的信息是实时、有价值的。