PAC技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及其應(yīng)用前景

PAC技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及其應(yīng)用前景

當(dāng)今的自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展迅速，正處于一個(gè)快速變革的時(shí)代。從半導(dǎo)體到消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品、再到汽車(chē)和航空制造業(yè)、以及輕工業(yè)和物流行業(yè)等多種不同的工業(yè)領(lǐng)域都面臨著日益激烈的全球競(jìng)爭(zhēng)壓力，他們需要進(jìn)一步降低成本、縮短產(chǎn)品生產(chǎn)周期，并能夠迅速完成產(chǎn)品的更新?lián)Q代。而采用最新的自動(dòng)化技術(shù)正是解決這一系列問(wèn)題的有效手段。

1、PAC控制技術(shù)產(chǎn)生的背景

自20世紀(jì)70年代，PLC取代了原有的繼電器控制系統(tǒng)以來(lái)，被廣泛地使用到各種控制系統(tǒng)中，成為自動(dòng)化領(lǐng)域中極具競(jìng)爭(zhēng)力的控制工具。其優(yōu)勢(shì)為：高可靠性和穩(wěn)定性。但傳統(tǒng)PLC的體系結(jié)構(gòu)是封閉的，各PLC廠家的硬件體系互不兼容，編程語(yǔ)言及指令系統(tǒng)也各異，當(dāng)用戶選擇了一種PLC產(chǎn)品后，必須選擇與其相應(yīng)的控制規(guī)程，并且學(xué)習(xí)特定的編程語(yǔ)言。盡管如此，PLC還是在很多工業(yè)應(yīng)用中被使用。據(jù)來(lái)自ARC、聯(lián)合開(kāi)發(fā)公司（VDC）以及網(wǎng)上PLC培訓(xùn)資源PLC．net的專(zhuān)家估計(jì)，80％的PLC用于小型應(yīng)用（1～128I／O）；78％的PLC的I／O是數(shù)字的；80％的PLC應(yīng)用問(wèn)題可由20條梯形邏輯指令集來(lái)解決。但是，如果要在工程中開(kāi)發(fā)剩余的20％的應(yīng)用時(shí)，我們就不得不突破PLC的限制了。

20世紀(jì)90年代，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷提高與發(fā)展，人們開(kāi)始考慮使用PC機(jī)來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)控制，以求通過(guò)PC來(lái)滿足剩余的20％的應(yīng)用，給用戶帶來(lái)更多的選擇。在許多工程應(yīng)用中，PC機(jī)已能實(shí)現(xiàn)原來(lái)PLC的控制功能。并且具有更強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力、強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)通訊功能以及能夠執(zhí)行比較復(fù)雜的控制算法和其近乎無(wú)限制的存儲(chǔ)容量等優(yōu)勢(shì)。但是基于PC的自動(dòng)化控制也有其不足之處，其設(shè)備的可靠性、實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性都較差，而這3個(gè)方面正是在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)常需要克服的問(wèn)題。

2、PAC控制技術(shù)的特點(diǎn)及其優(yōu)勢(shì)

由于PC和PLC都有其各自的優(yōu)缺點(diǎn)，因此，人們開(kāi)發(fā)出了新的控制器來(lái)解決20％的應(yīng)用，并把PLC和PC的特性最佳地結(jié)合在一起。市場(chǎng)調(diào)查公司ARC咨詢機(jī)構(gòu)首次采用了PAC或可編程自動(dòng)化控制器這一術(shù)語(yǔ)，它定義了一種新類(lèi)型的控制器，該控制器是由一個(gè)輕便的控制引擎作為支持，并且提供了多種功能的開(kāi)發(fā)工具。這種控制器結(jié)合了PC的處理器、RAM和軟件的優(yōu)勢(shì)，以及PLC固有的可靠性、堅(jiān)固性和分布特性。在ARC的“可編程邏輯控制器世界概覽”研究中，ARC提出了PAC的5個(gè)重要特點(diǎn)。分別為：①多功能性，在一個(gè)平臺(tái)上至少有兩個(gè)邏輯、運(yùn)動(dòng)、PID控制、驅(qū)動(dòng)和處理功能；②單一的多功能開(kāi)發(fā)平臺(tái)使用通用的標(biāo)記和單個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)訪問(wèn)所有的參數(shù)和功能；③通過(guò)結(jié)合IEC61131—3，用戶向?qū)Ш蛿?shù)據(jù)管理，軟件工具能設(shè)計(jì)出在跨越多個(gè)機(jī)器和處理單元的處理流程；④開(kāi)放的，模塊化結(jié)構(gòu)能解決從工廠機(jī)器布置到加工車(chē)間中單元操作的工業(yè)應(yīng)用；⑤采用既定的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和程序語(yǔ)言標(biāo)準(zhǔn)來(lái)保障用戶的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)交換，如TCP／IP，OPC．XML和SQL查詢語(yǔ)言。

與傳統(tǒng)的控制技術(shù)相比，PAC技術(shù)主要具有以下優(yōu)點(diǎn)。

1）采用單一的控制器。PAC具有單一的控制器，可用于處理數(shù)字和模擬I／O，具有運(yùn)動(dòng)視覺(jué)功能和模塊化儀器，因此當(dāng)用戶需要視覺(jué)等功能時(shí)就不必購(gòu)買(mǎi)其他控制器了。

2）高級(jí)控制。高級(jí)控制如模糊邏輯和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等控制技術(shù)不僅需要強(qiáng)大的浮點(diǎn)處理器，而且還需要占用大量的內(nèi)存，PAC平臺(tái)就可以滿足這些條件。

3）實(shí)時(shí)分析。PAC可以實(shí)時(shí)地采集來(lái)自模擬或數(shù)字I／O通道的數(shù)據(jù)，并且對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的分析，從而能有效地檢測(cè)故障狀態(tài)。如進(jìn)行階次跟蹤和振動(dòng)分析來(lái)檢測(cè)機(jī)器的運(yùn)行狀況。

4）安全性。PLC在通過(guò)以太網(wǎng)發(fā)送的數(shù)據(jù)包是非加密的，所以它并不適合用于防止黑客入侵。而PAC發(fā)送的數(shù)據(jù)包是可以加密的。雖然這并不是目前最需要考慮的因素，但是未來(lái)安全性必然會(huì)成為一個(gè)重要的方面。

5）多種速度的確定性應(yīng)用。PLC只能以固定的速度運(yùn)行，所以它不能以不同的速率來(lái)獨(dú)立完成各任務(wù)。而PAC上運(yùn)行的操作系統(tǒng)就具有這樣的特性，它可以進(jìn)行并行處理。

6）靈活的記憶功能。PAC有一個(gè)模塊，可升級(jí)的記憶功能，允許用戶執(zhí)行系統(tǒng)以滿足當(dāng)前的應(yīng)用要求，以及可在將來(lái)進(jìn)行一定的擴(kuò)展。而PLC只有固定的記憶容量。

7）機(jī)器視覺(jué)。由于受到數(shù)據(jù)傳輸速率的限制，PLC平臺(tái)上不能提供視覺(jué)功能。PAC的機(jī)器視覺(jué)可以檢測(cè)出利用傳統(tǒng)的方法很難測(cè)量出來(lái)的產(chǎn)品缺陷和錯(cuò)誤。

8）提高生產(chǎn)率。一個(gè)通用的輕便控制引擎和綜合工程開(kāi)發(fā)的平臺(tái)允許快速開(kāi)發(fā)、實(shí)施和遷移項(xiàng)目工程；并且，由于它的開(kāi)放性和靈活性，確保了控制點(diǎn)和操作以及企業(yè)業(yè)務(wù)系統(tǒng)之間的無(wú)縫連接，優(yōu)化了工廠的流程，提高了生產(chǎn)效率。

9）降低了操作成本。由于使用了通用標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)，使用戶能夠從成本的角度出發(fā)來(lái)選擇不同的系統(tǒng)部件，而不是專(zhuān)有的產(chǎn)品和技術(shù)；只要求用戶在統(tǒng)一的平臺(tái)和開(kāi)發(fā)環(huán)境下培訓(xùn)，而不需要學(xué)習(xí)多種專(zhuān)用環(huán)境；為用戶提供了一個(gè)無(wú)縫的遷移路徑，保護(hù)了用戶在I／O和應(yīng)用開(kāi)發(fā)方面的投資。

3、PAC控制技術(shù)的解決方案及主要產(chǎn)品

從定義可以看出PAC其實(shí)是一個(gè)系統(tǒng)的概念。它包括了兩部分內(nèi)容：一體化的軟件平臺(tái)和基于開(kāi)放式模塊化結(jié)構(gòu)的硬件平臺(tái)。PAC技術(shù)的解決方案也圍繞這兩個(gè)方面展開(kāi)。

一般來(lái)說(shuō)，有兩種提供PAC軟件的方式：基于PLC控制的軟件和基于PC控制的軟件。

1）基于PLC控制的軟件方案。絕大多數(shù)PLC廠商通過(guò)在已有的掃描式架構(gòu)中增加新的功能來(lái)建立PAC軟件，這些新功能包括以太網(wǎng)通信，運(yùn)動(dòng)控制和高級(jí)算法。通常他們會(huì)保留PLC熟悉的編程方式以及在邏輯和控制方面固有的特點(diǎn)。因此這種PAC軟件通常是為了適合特殊類(lèi)型的應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。

2）基于PC控制的軟件方案。在PC方面，主要的解決方案是通過(guò)采用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）如來(lái)自美國(guó)WindRiver公司的Vx Works來(lái)實(shí)現(xiàn)的。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)能夠控制系統(tǒng)的各個(gè)層面，從I／O讀寫(xiě)速率到控制器上各個(gè)線程的優(yōu)先級(jí)。并且為了使用戶能更為容易地開(kāi)發(fā)出可靠的控制程序，生產(chǎn)廠商增加了抽象層和I／O讀寫(xiě)架構(gòu)。因而這種靈活的軟件非常適合于定制控制，數(shù)據(jù)記錄和通信等方面的應(yīng)用。

硬件方面的解決方案主要是依靠先進(jìn)的CPU技術(shù)和開(kāi)放式的設(shè)計(jì)（如：工業(yè)以太網(wǎng)）。根據(jù)摩爾定律，最新的CPU在其體積更小、功耗更低的情況下數(shù)據(jù)處理能力卻變的更強(qiáng)。從而使用戶在獲得更為穩(wěn)定、可靠的CPU的同時(shí)還獲得了出眾的計(jì)算能力。也使得制造廠商有可能去選擇標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，擺脫傳統(tǒng)PLC因采用專(zhuān)有的硬件結(jié)構(gòu)體系所帶來(lái)的局限，使系統(tǒng)具有更為豐富的功能前景。所謂開(kāi)放就是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)、元器件選擇、網(wǎng)絡(luò)通信、操作系統(tǒng)、監(jiān)控及顯示等方面都采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)或大家公認(rèn)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。時(shí)刻想到標(biāo)準(zhǔn)化就能使不同廠家的產(chǎn)品兼容、互換、并且能連接在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)行。像工業(yè)以太網(wǎng)就是這樣的標(biāo)準(zhǔn)。以太網(wǎng)（Ethernet）自1975年問(wèn)世以來(lái)，至今市場(chǎng)占有率已高達(dá)80％，毫無(wú)疑問(wèn)是當(dāng)今LAN（局域網(wǎng)）領(lǐng)域中首屈一指的網(wǎng)絡(luò)。以太網(wǎng)可以分為很多等級(jí)，一般簡(jiǎn)單的控制系統(tǒng)沒(méi)有必要采用以太網(wǎng)，但對(duì)復(fù)雜的系統(tǒng)是很有用的，操作方便，而且能直觀地看到各處的圖像。

目前已有多個(gè)廠家提供符合PAC定義的特征和性能的產(chǎn)品，其中主要的應(yīng)用產(chǎn)品如下。

GE Fanuc公司的PAC是由一體化的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)CIMPLICITY Machine Edition（ME）和開(kāi)放式模塊化硬件平臺(tái)PAC Systems RX3i／7i構(gòu)成的。ME包括3個(gè)軟件包，如圖1所示。

圖1 GE PAC

其中View是人機(jī)界面工具包，實(shí)現(xiàn)SCA—DA／HMI功能；Logic Developer為Soft—logic開(kāi)發(fā)包，它完全符合IEC61131國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，提供所有開(kāi)發(fā)、監(jiān)控和調(diào)試程序的必須工具；Motion De—veloper是運(yùn)動(dòng)控制開(kāi)發(fā)包，用來(lái)確保運(yùn)動(dòng)控制程序的開(kāi)發(fā)，并且提供了多達(dá)100個(gè)運(yùn)動(dòng)控制和復(fù)雜控制的算法模塊。在硬件平臺(tái)方面，GE Fanuc公司目前推出了PAC Systems RX3i／7i兩個(gè)系列的產(chǎn)品。

NI公司的PAC，其特色在于整合了測(cè)試測(cè)量領(lǐng)域中應(yīng)用非常廣泛的開(kāi)發(fā)平臺(tái)LavView。PAC系統(tǒng)開(kāi)發(fā)軟件LabVIEW不僅為用戶提供創(chuàng)建復(fù)雜測(cè)量控制系統(tǒng)的編譯靈活性，同時(shí)因?yàn)樗庇^的圖形化開(kāi)發(fā)界面而變得非常容易使用。在LabVIEW中，用戶可以利用數(shù)百個(gè)內(nèi)置的控制和分析函數(shù)，快速開(kāi)發(fā)各種復(fù)雜程序。用戶還可以在LabVIEW中調(diào)用其他軟件開(kāi)發(fā)的程序代碼，來(lái)進(jìn)行處理I／O、運(yùn)動(dòng)控制、機(jī)器視覺(jué)及儀器通信等各種應(yīng)用。PAC系統(tǒng)開(kāi)發(fā)硬件包括Compact FieldPoint，CompactRIO，Compact Vi-sion System，Industrial PC。如圖2所示。

圖2 NI PAC

ICPDAS泓格科技的PAC的主要產(chǎn)品有WinCon／LinCon。WinCon的操作系統(tǒng)為Windows CE．net；LinCon的操作系統(tǒng)為EmbeddedLinux。WinCon支持串行式連接、Ethernet網(wǎng)絡(luò)連接、并行式連接；提供了Soft Logic PLC的軟件包和Embedded View等套裝監(jiān)控系統(tǒng)；采用OPC和Modbus兩種數(shù)據(jù)通信方式；具有標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)；并且可以利用Visual Basic．net等多種工具進(jìn)行自行開(kāi)發(fā)程序。

除了上述典型產(chǎn)品外，還有一些其他公司的產(chǎn)品，例如：Beckoff公司的CX1000等等。它們也都有自己的特點(diǎn)。

4、PAC技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

隨著市場(chǎng)的需要，PAC技術(shù)在未來(lái)的幾年內(nèi)將朝著以下幾個(gè)方向進(jìn)一步發(fā)展。

1）設(shè)備規(guī)格的多樣化。為了滿足各種實(shí)際生產(chǎn)狀況的需要，PAC的規(guī)格將會(huì)呈現(xiàn)出多樣化的發(fā)展趨勢(shì)。在具體的生產(chǎn)環(huán)境中，選擇合適的控制系統(tǒng)要求的PAC，有利于降低成本。

2）支持更多的控制功能。目前，PAC已經(jīng)將邏輯、運(yùn)動(dòng)、過(guò)程控制等高級(jí)功能集成到了單一的平臺(tái)上。而未來(lái)，PAC將進(jìn)一步融合更多的功能，例如對(duì)于安全性的考慮，批處理等等。當(dāng)信息被越來(lái)越廣泛地使用時(shí)，其安全性就將成為需要考慮的第一因素。

3）商業(yè)系統(tǒng)的集成。為了實(shí)現(xiàn)真正的實(shí)時(shí)性，自動(dòng)化設(shè)備供應(yīng)商將在PAC內(nèi)部繼續(xù)創(chuàng)建商業(yè)系統(tǒng)的連接通道而不依賴于其他的連接設(shè)備。PAC將內(nèi)嵌制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）的一些屬性，例如：標(biāo)準(zhǔn)接口的建立，它將有利于更好地解決控制層和管理層之間的連接問(wèn)題。

4）簡(jiǎn)單的系統(tǒng)維護(hù)。PAC將往更小化更智能化的方向發(fā)展，但同時(shí)它將擁有更出眾的數(shù)據(jù)處理能力。其軟件可以監(jiān)控機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)狀況，硬件可以完成復(fù)雜的自檢工作。為了提高生產(chǎn)率、增加利潤(rùn)，企業(yè)就必須及時(shí)有效地傳遞數(shù)據(jù)信息。PAC的這種數(shù)據(jù)處理能力，可以滿足用戶在任何時(shí)間通過(guò)任何形式（如：e-mail，網(wǎng)頁(yè)）對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行維護(hù)。

5）延長(zhǎng)產(chǎn)品的生命周期。通過(guò)采用新技術(shù)來(lái)獲得更高生產(chǎn)效率固然十分重要，但是新技術(shù)的使用是否會(huì)大幅增加成本和培訓(xùn)費(fèi)也是廠家十分關(guān)注的問(wèn)題。PAC未來(lái)平臺(tái)將仍然采用標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)，其賣(mài)主可以繼續(xù)使用原來(lái)的商業(yè)技術(shù)和以太網(wǎng)等標(biāo)準(zhǔn)，從而有效地降低了對(duì)成本的投入。

5、結(jié)束語(yǔ)

PAC既可以滿足工業(yè)控制系統(tǒng)對(duì)于開(kāi)放性和柔性的要求，又可以滿足用戶對(duì)穩(wěn)定性和可靠性的要求。利用PAC控制技術(shù)，可以有效地為客戶降低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)收益的增長(zhǎng)。ARC指出，盡管PLC的價(jià)格在逐漸下降，但是其整體銷(xiāo)售額在未來(lái)的幾年內(nèi)仍趨于上升。而作為結(jié)合了PC和PLC優(yōu)勢(shì)的PAC，我們有理由相信隨著PAC技術(shù)的不斷完善、發(fā)展和價(jià)位逐步的逼近于PLC，PAC技術(shù)必將在未來(lái)的工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中成為控制系統(tǒng)的主流

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