研华PAC在工业自动化中的应用分析与展望
2007/6/29 10:22:00
一、前言
近两年来，具有PLC和PC双重特性的一种新的控制器：PAC（Programmable Automation Controller）由一些大型工控厂家相继推出，在工控领域掀起一股浪潮，各相关媒体和论坛也争相报道和发起各种评论，但大多数的最终用户还是没真正明白PAC和PLC的主要区别，以及PAC的特点和其可以应用的领域，本文主要就研华PAC的特点及其在工业自动化中的应用做切合实际的应用分析探讨。
二、依市场之需求，PAC应运而生
随着工业自动化的发展和需求，高端工业应用平台针对复杂的控制能力、高速的模拟量采集、多任务同时运行并各自有不同的执行周期、开放式的通讯能力以及网络接口等等方面提出更高的要求。
显然，传统的PLC已经力不从心，而新一代PLC控制器发展到今天已经具备了网络、运动，甚至视频等功能。但是，PLC性能依赖于专用硬件，应用程序的执行是依靠专用硬件芯片实现，因硬件的非通用性会导致系统的功能前景和开放性受到限制，由于是专用操作系统，其实时可靠性与功能都无法与通用实时操作系统相比，这样导致了PLC整体性能的专用性和封闭性。所以，现代PLC仍然具有系统封闭性、不易进行系统集成、部分功能实现复杂、响应速度慢，尤其是实现成本过高等问题始终困扰着工程师们。
目前，开放和集成已经是自动化产品和系统发展中不可阻挡的趋势。现在用户的生产系统变得日益庞杂，集成无疑已经成为整合生产体系、提高效率及工厂信息化的重要途径。当前的自动化产品和系统，不但应该具有良好的内部集成能力，更应该具有良好的向第三方开放的集成能力，只有这样的体系结构才能帮助最终用户的设备运行至更高的水平。
面对市场对于复杂控制和开放集成的需求，工程师们迫切希望一种控制器能够具有处理速度快、集成多种功能、具有开放性、易于集成的控制器能够应用于实际工程中。同时基于嵌入式技术的发展以及软逻辑控制器在工业控制领域的成熟应用，采用这些新技术的新一代控制器 PAC（Programmable Automation Controller）也就应运而生。
PAC结合了嵌入式PC的处理器、RAM和软件的优势，以及PLC固有的可靠性、坚固性和分布特性，集成了多领域功能、共用的开发平台、开放式接口以及分布式模块架构，可以满足用户单一平台多功能的需求。同时，采用软逻辑技术，软逻辑内核运行于后台，可以和其它的应用程序如HMI软件、数据库软件等同时在PAC系统中并存，实现实时控制、HMI组态软件、数据库等等功能同时运行于一台控制器中，真正实现了PAC的单一平台多功能的特点，在系统整合性、稳定性、低成本等等方面为现有的采用PC+PLC的客户提供了一个全新的系统方案。
三、嵌入式和软逻辑技术之成熟应用，PAC获得发展之机遇
道理很显然，虽然有市场之迫切需求，但如果没有技术之先期准备和成熟应用，也就没有PAC之产生。PAC的产生受益于近年来在嵌入式系统领域的技术发展及成熟应用。在硬件方面，有重意义的包括：嵌入式硬件系统设计，其中具有代表意义的是CPU技术的发展；现场总线技术的发展；工业以太网的广泛应用。在软件方面则包括：嵌入式实时操作系统；软逻辑编程技术；嵌入式组态软件的发展等。
高可靠的嵌入式技术
嵌入式技术的发展和应用克服了传统的PC之弊端，采用可靠的元器件，排除了PC的风扇和硬盘是最常需要维护的元件，而PAC采用无风扇结构以及采用工业级的存储介质能够提供一个可靠性的平台系统。
★实时、稳定的操作系统
工业应用中需要高可靠性的操作系统来应对特定功能，例如实时性，系统刷新速度，和系统重起的不确定性。嵌入式的操作系统，如Wince、Embedded XP等操作系统就是典型应用的嵌入式操作系统。Windows CE能够满足系统实时性的需求，而Embedded XP则是Windows XP的组件版本。
采用合适的操作系统，即使在系统蓝屏时依然可以保证底层控制系统的可靠运行。通过采用Embedded XP的SP2的EWF功能，可以有效避免由于系统不确定性重起而带来的影响。
★标准化的编程语言
工厂操作人员需要具备在维护和排除故障时尽快恢复系统的能力。使用梯形逻辑，他们可以手动迫使线圈恢复到理想状态，并能快速修补受影响的代码以快速恢复系统，高阶编程语言对工厂操作人员来讲太难学习。如今，IEC-61131-3标准提供了五种PLC编程语言，几乎可以涵盖全世界所有 PLC使用者，三种图型化语言可以混合使用，大大节省了开发控制程序之编程时间。
★开放性的自动化架构
通用的国际标准Ethernet、TCP/IP等协议，使工业以太网越来越多的应用于工业现场，其高速、低成本的网络方案最容易被广大的用户、集成商、OEM及制造商接受和欢迎，而这些技术极容易在PAC实现。而采用标准的Modbus/TCP协议和OPC协议，可以方便地实现书记传递和系统集成。
由于其采用开放式架构，很容易实现系统级整合，并方便进行本地和远程扩展。
★嵌入式的组态软件
在人机界面的部分，嵌入式组态软件获得了长足的发展，使用户方便实现在PAC上进行组态的编程，减少开发时间，如研华公司力推的WebAccess、亚控公司的嵌入版KingView等。
总之，PAC既继承了传统 IPC 的开放性、多功能特点，又汲取了PLC的实时性、可靠性优点。在外形上，不再是机箱加显示器，而是紧凑的嵌入式结构；在性能上，它融合了 IPC 和 PLC 的优点，可以完成多功能控制应用。
四、研华开放式PAC之特点
研华科技提供多样的PAC系统平台，特点是：多样的系统平台，单一的开发工具。包括：开放型PAC（ADAM-5550KW）、紧凑型PAC（UNO-2170KW）、分布型PAC(AMAX-2050MKW)等。
研华PAC解决方案
研华的PAC解决方案均内嵌ProConOS内核控制引擎，均可采用同一个编程开发工具KW- Multiprog编程软件进行程序设计。强大的 Multiprog KW 软件开发工具支持 IEC-61131-3 国际编程标准，而稳定的软逻辑内核引擎ProCon OS支持多样的系统平台。
在不同的系统平台中，只需采用KW-Multiprog就可以完成所有现场数据和参数的访问，包含软逻辑PLC编程、远程输入/输出接口访问，运动控制功能，PID算法控制以及数据处理等； 而通过该编程开发工具设计的程序可以跨越多种平台使用和运行，仅通过修改硬件接口配置部分就可以方便地将程序移植到不同的硬件平台和操作系统中。
通过一次程序设计、而硬件平台多样，为工程设计需要而选择不同的系统平台时在程序移植上解除后顾之忧。
由于篇幅有限，在这里仅以开放型 PAC: ADAM-5550KW为主展开讨论。
ADAM-5550KW特性
ADAM-5550KW 既具有工业 PC 强大的运算性能，又具有 PLC的实时性和可靠性，在单一平台中可以实现多种功能，涵盖采集、控制、HMI软件实现、运动控制、过程控制、数据库、工业网络连接等功能，它所采用的高集成度编程协议和可选 HMI 软件为各种应用提供了灵活、简单的软件解决方案；并且支持Modbus TCP和Modbus RTU协议，方便和不同的第三方Modbus设备交换数据。
ADAM-5550KW可直接接显示器，适合于复杂的控制领域、增强的网络处理能力，以及单一平台多种功能的场合。
★独特的双CPU架构
上层的AMD Geode GX533M CPU功能强大，用于负责相当于PC机部分的工作，如HMI软件、数据库支持，强大的运算能力等等；下层的ARM7 CPU 用于负责底层I/O模块的操作和控制，保证I/O端口的实时、稳定、可靠操作，使其同时满足PC的强大运算性能和 PLC 的实时性处理两方面的要求；
★双以太网端口
ADAM-5550 针对不同应用（如考虑可靠性的冗余以太网连接，以及考虑安全性的独立网络连接）需求提供了两个以太网端口。这两种功能都可以通过客户应用程序来实现。在远程监视方面，内置的 Web 服务器可让您通过互联网方便的访问本地 I/O 状态；电子邮件报警功能则可以在发生报警时将报警信息即时发送给专门的邮件地址。在远程维护方面，内置的 FTP 服务器可提供上载应用程序或下载数据记录文件的功能。
还可以通过e-Mail方式自动远程获取事件或报警信息，通过客户端浏览器用于远程监控。
★复杂的控制能力
PAC提供功能强大的浮点运算处理能力、大容量低成本的存储空间，以及包括PID运算功能块等多种功能的功能块支持满足工业现场的控制应用。
★多任务架构
复杂的控制系统需要多种控制或采集任务分别进行实时处理，而各任务之间还需要不同的速度进行运行。研华的PAC系统具有多任务架构，能够实现将不同的程序关联在多个任务中，多每个任务均可以按不同的确定性执行周期运行。多任务架构尤其适用于运算复杂、控制功能强大的应用场合。
★自定义功能块
编程工具同时支持客户自行编程和自定义功能块，并可通过封装该自定义功能块，方便其他用户在程序或设计中调用。比如可以采用STD语言或IL语言进行自定义功能块，实现复杂的算法如模糊逻辑或神经网络等控制算法，而在程序中通过LD或FBD或SFC等图形化编程语言进行该功能块的调用，既巧妙运用了各种编程语言的优势，又能减少程序设计的工作量，还保证了工程项目文件的简洁架# 确定性 I/OADAM-5550 可保证 1 毫秒的确定性I/O，确保 I/O 采集和控制级的响应速度，因此其它应用程序如 HMI 软件或其他上层操作不会对 底层I/O 控制性能产生任何影响。
★远程 I/O 扩展性
ADAM-5550 不仅通过串行端口支持 Modbus/RTU 主站和从站功能，而且还支持Modbus/TCP 客户端用来获取远程 I/O 的数据，同时还支持 Modbus/TCP Server 用来通过以太网端口与其它 Modbus 设备交换数据。当控制系统需要扩展远程 I/O 模块或连接其它控制器时，具备全面的 Modbus 功能就极为重要。
★全部支持 IEC-61131-3 国际编程标准
ADAM-5550KW 支持 WinCE 5.0，采用稳定的 ProCon OS内核引擎和强大的 Multiprog KW 编程软件，全面支持五种标准编程语言：梯形图（LD）、顺序功能图（SFC）、功能块图（FBD）、指令表（IL）和结构化文本（S
近两年来，具有PLC和PC双重特性的一种新的控制器：PAC（Programmable Automation Controller）由一些大型工控厂家相继推出，在工控领域掀起一股浪潮，各相关媒体和论坛也争相报道和发起各种评论，但大多数的最终用户还是没真正明白PAC和PLC的主要区别，以及PAC的特点和其可以应用的领域，本文主要就研华PAC的特点及其在工业自动化中的应用做切合实际的应用分析探讨。
二、依市场之需求，PAC应运而生
随着工业自动化的发展和需求，高端工业应用平台针对复杂的控制能力、高速的模拟量采集、多任务同时运行并各自有不同的执行周期、开放式的通讯能力以及网络接口等等方面提出更高的要求。
显然，传统的PLC已经力不从心，而新一代PLC控制器发展到今天已经具备了网络、运动，甚至视频等功能。但是，PLC性能依赖于专用硬件，应用程序的执行是依靠专用硬件芯片实现，因硬件的非通用性会导致系统的功能前景和开放性受到限制，由于是专用操作系统，其实时可靠性与功能都无法与通用实时操作系统相比，这样导致了PLC整体性能的专用性和封闭性。所以，现代PLC仍然具有系统封闭性、不易进行系统集成、部分功能实现复杂、响应速度慢，尤其是实现成本过高等问题始终困扰着工程师们。
目前，开放和集成已经是自动化产品和系统发展中不可阻挡的趋势。现在用户的生产系统变得日益庞杂，集成无疑已经成为整合生产体系、提高效率及工厂信息化的重要途径。当前的自动化产品和系统，不但应该具有良好的内部集成能力，更应该具有良好的向第三方开放的集成能力，只有这样的体系结构才能帮助最终用户的设备运行至更高的水平。
面对市场对于复杂控制和开放集成的需求，工程师们迫切希望一种控制器能够具有处理速度快、集成多种功能、具有开放性、易于集成的控制器能够应用于实际工程中。同时基于嵌入式技术的发展以及软逻辑控制器在工业控制领域的成熟应用，采用这些新技术的新一代控制器 PAC（Programmable Automation Controller）也就应运而生。
PAC结合了嵌入式PC的处理器、RAM和软件的优势，以及PLC固有的可靠性、坚固性和分布特性，集成了多领域功能、共用的开发平台、开放式接口以及分布式模块架构，可以满足用户单一平台多功能的需求。同时，采用软逻辑技术，软逻辑内核运行于后台，可以和其它的应用程序如HMI软件、数据库软件等同时在PAC系统中并存，实现实时控制、HMI组态软件、数据库等等功能同时运行于一台控制器中，真正实现了PAC的单一平台多功能的特点，在系统整合性、稳定性、低成本等等方面为现有的采用PC+PLC的客户提供了一个全新的系统方案。
三、嵌入式和软逻辑技术之成熟应用，PAC获得发展之机遇
道理很显然，虽然有市场之迫切需求，但如果没有技术之先期准备和成熟应用，也就没有PAC之产生。PAC的产生受益于近年来在嵌入式系统领域的技术发展及成熟应用。在硬件方面，有重意义的包括：嵌入式硬件系统设计，其中具有代表意义的是CPU技术的发展；现场总线技术的发展；工业以太网的广泛应用。在软件方面则包括：嵌入式实时操作系统；软逻辑编程技术；嵌入式组态软件的发展等。
高可靠的嵌入式技术
嵌入式技术的发展和应用克服了传统的PC之弊端，采用可靠的元器件，排除了PC的风扇和硬盘是最常需要维护的元件，而PAC采用无风扇结构以及采用工业级的存储介质能够提供一个可靠性的平台系统。
★实时、稳定的操作系统
工业应用中需要高可靠性的操作系统来应对特定功能，例如实时性，系统刷新速度，和系统重起的不确定性。嵌入式的操作系统，如Wince、Embedded XP等操作系统就是典型应用的嵌入式操作系统。Windows CE能够满足系统实时性的需求，而Embedded XP则是Windows XP的组件版本。
采用合适的操作系统，即使在系统蓝屏时依然可以保证底层控制系统的可靠运行。通过采用Embedded XP的SP2的EWF功能，可以有效避免由于系统不确定性重起而带来的影响。
★标准化的编程语言
工厂操作人员需要具备在维护和排除故障时尽快恢复系统的能力。使用梯形逻辑，他们可以手动迫使线圈恢复到理想状态，并能快速修补受影响的代码以快速恢复系统，高阶编程语言对工厂操作人员来讲太难学习。如今，IEC-61131-3标准提供了五种PLC编程语言，几乎可以涵盖全世界所有 PLC使用者，三种图型化语言可以混合使用，大大节省了开发控制程序之编程时间。
★开放性的自动化架构
通用的国际标准Ethernet、TCP/IP等协议，使工业以太网越来越多的应用于工业现场，其高速、低成本的网络方案最容易被广大的用户、集成商、OEM及制造商接受和欢迎，而这些技术极容易在PAC实现。而采用标准的Modbus/TCP协议和OPC协议，可以方便地实现书记传递和系统集成。
由于其采用开放式架构，很容易实现系统级整合，并方便进行本地和远程扩展。
★嵌入式的组态软件
在人机界面的部分，嵌入式组态软件获得了长足的发展，使用户方便实现在PAC上进行组态的编程，减少开发时间，如研华公司力推的WebAccess、亚控公司的嵌入版KingView等。
总之，PAC既继承了传统 IPC 的开放性、多功能特点，又汲取了PLC的实时性、可靠性优点。在外形上，不再是机箱加显示器，而是紧凑的嵌入式结构；在性能上，它融合了 IPC 和 PLC 的优点，可以完成多功能控制应用。
四、研华开放式PAC之特点
研华科技提供多样的PAC系统平台，特点是：多样的系统平台，单一的开发工具。包括：开放型PAC（ADAM-5550KW）、紧凑型PAC（UNO-2170KW）、分布型PAC(AMAX-2050MKW)等。
研华PAC解决方案
研华的PAC解决方案均内嵌ProConOS内核控制引擎，均可采用同一个编程开发工具KW- Multiprog编程软件进行程序设计。强大的 Multiprog KW 软件开发工具支持 IEC-61131-3 国际编程标准，而稳定的软逻辑内核引擎ProCon OS支持多样的系统平台。
在不同的系统平台中，只需采用KW-Multiprog就可以完成所有现场数据和参数的访问，包含软逻辑PLC编程、远程输入/输出接口访问，运动控制功能，PID算法控制以及数据处理等； 而通过该编程开发工具设计的程序可以跨越多种平台使用和运行，仅通过修改硬件接口配置部分就可以方便地将程序移植到不同的硬件平台和操作系统中。
通过一次程序设计、而硬件平台多样，为工程设计需要而选择不同的系统平台时在程序移植上解除后顾之忧。
由于篇幅有限，在这里仅以开放型 PAC: ADAM-5550KW为主展开讨论。
ADAM-5550KW特性
ADAM-5550KW 既具有工业 PC 强大的运算性能，又具有 PLC的实时性和可靠性，在单一平台中可以实现多种功能，涵盖采集、控制、HMI软件实现、运动控制、过程控制、数据库、工业网络连接等功能，它所采用的高集成度编程协议和可选 HMI 软件为各种应用提供了灵活、简单的软件解决方案；并且支持Modbus TCP和Modbus RTU协议，方便和不同的第三方Modbus设备交换数据。
ADAM-5550KW可直接接显示器，适合于复杂的控制领域、增强的网络处理能力，以及单一平台多种功能的场合。
★独特的双CPU架构
上层的AMD Geode GX533M CPU功能强大，用于负责相当于PC机部分的工作，如HMI软件、数据库支持，强大的运算能力等等；下层的ARM7 CPU 用于负责底层I/O模块的操作和控制，保证I/O端口的实时、稳定、可靠操作，使其同时满足PC的强大运算性能和 PLC 的实时性处理两方面的要求；
★双以太网端口
ADAM-5550 针对不同应用（如考虑可靠性的冗余以太网连接，以及考虑安全性的独立网络连接）需求提供了两个以太网端口。这两种功能都可以通过客户应用程序来实现。在远程监视方面，内置的 Web 服务器可让您通过互联网方便的访问本地 I/O 状态；电子邮件报警功能则可以在发生报警时将报警信息即时发送给专门的邮件地址。在远程维护方面，内置的 FTP 服务器可提供上载应用程序或下载数据记录文件的功能。
还可以通过e-Mail方式自动远程获取事件或报警信息，通过客户端浏览器用于远程监控。
★复杂的控制能力
PAC提供功能强大的浮点运算处理能力、大容量低成本的存储空间，以及包括PID运算功能块等多种功能的功能块支持满足工业现场的控制应用。
★多任务架构
复杂的控制系统需要多种控制或采集任务分别进行实时处理，而各任务之间还需要不同的速度进行运行。研华的PAC系统具有多任务架构，能够实现将不同的程序关联在多个任务中，多每个任务均可以按不同的确定性执行周期运行。多任务架构尤其适用于运算复杂、控制功能强大的应用场合。
★自定义功能块
编程工具同时支持客户自行编程和自定义功能块，并可通过封装该自定义功能块，方便其他用户在程序或设计中调用。比如可以采用STD语言或IL语言进行自定义功能块，实现复杂的算法如模糊逻辑或神经网络等控制算法，而在程序中通过LD或FBD或SFC等图形化编程语言进行该功能块的调用，既巧妙运用了各种编程语言的优势，又能减少程序设计的工作量，还保证了工程项目文件的简洁架# 确定性 I/OADAM-5550 可保证 1 毫秒的确定性I/O，确保 I/O 采集和控制级的响应速度，因此其它应用程序如 HMI 软件或其他上层操作不会对 底层I/O 控制性能产生任何影响。
★远程 I/O 扩展性
ADAM-5550 不仅通过串行端口支持 Modbus/RTU 主站和从站功能，而且还支持Modbus/TCP 客户端用来获取远程 I/O 的数据，同时还支持 Modbus/TCP Server 用来通过以太网端口与其它 Modbus 设备交换数据。当控制系统需要扩展远程 I/O 模块或连接其它控制器时，具备全面的 Modbus 功能就极为重要。
★全部支持 IEC-61131-3 国际编程标准
ADAM-5550KW 支持 WinCE 5.0，采用稳定的 ProCon OS内核引擎和强大的 Multiprog KW 编程软件，全面支持五种标准编程语言：梯形图（LD）、顺序功能图（SFC）、功能块图（FBD）、指令表（IL）和结构化文本（S
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