4 pac係統的關(guan) 鍵技術

　　pac的產(chan) 生受益於(yu) 近年來在嵌入式係統領域的發展與(yu) 進步。在硬件方麵，有重要意義(yi) 的包括：嵌入式硬件係統設計，其中具有代表意義(yi) 的是cpu技術的發展;現場總線技術的發展;工業(ye) 以太網的廣泛應用。在軟件方麵則包括：嵌入式實時操作係統;軟邏輯編程技術;嵌入式組態軟件的發展等。試分別說明如下：

　　（1）跟隨摩爾定律的發展，最新的高性能cpu在獲得更高的處理能力的同時，其體(ti) 積更小、功耗更低，從(cong) 而在出眾(zhong) 的計算能力以及工業(ye) 用戶最為(wei) 關(guan) 心的穩定性和可靠性方麵獲得平衡，使製造廠商有可能去選擇通用的標準的嵌入式係統結構進行設計，擺脫傳(chuan) 統plc因采用專(zhuan) 有的硬件結構體(ti) 係帶來的局限，使係統具備更為(wei) 豐(feng) 富的功能前景和開放性。

　　在現有麵世的pac係統中，被廣泛采用的是低功耗、高性能的soc（system on chip）核心處理器。這裏麵既有采用cisc架構的cpu，如mobiles pentium係列cpu，也有采用risc架構的cpu，如arm係列、shx係列等，當然也有使用mips cpu的。綜合比較而言，由於(yu) risc cpu在應用於(yu) 工業(ye) 控製係統時所具備的綜合優(you) 勢，采用risc cpu的係統占據了目前市場所供應的控製係統的多數。

　在cpu技術發展的同時，移動存儲(chu) 技術方麵也有很大的進展，從(cong) 而使最新的係統可以在付出有限成本的同時，獲得大容量的數據存儲(chu) 空間，以適應新的自動化應用對不斷增長的數據量的要求，同時又可以避免因為(wei) 使用機械式硬盤帶來的係統崩潰的風險。

　　（2） 經過14年的紛爭(zheng) ，最後iec的現場總線標準化組織經投票，接納了8種現場總線成為(wei) iec61158現場總線標準，即：ff h1，control net，profibus，interbus，p-net，world fip，swift net，ff之高速ethernet即hse。iec61158現場總線標準的最終塵埃落定，使在工業(ye) 控製在設備層和傳(chuan) 感器層有了可以遵循的標準。目前在中國大陸的產(chan) 業(ye) 自動化應用領域，影響比較大的有：profibus、基於(yu) can總線的devicenet、主要應用於(yu) 建築自動化的lonworks、以及未曾列入iec61158標準的cclink等。

　　（3）但是由於(yu) 這8種現場總線采用的通信協議完全不同，因此，要實現這些總線的兼容和互操作是十分困難的。其可能的出路是采用已經是通用的國際標準ethernet、tcp/ip等協議，並使其符合工業(ye) 應用的要求，而且這種方案最容易被廣大國家的用戶、集成商、oem及製造商接受和歡迎。

　　但是要把ethernet用於(yu) 工業(ye) 自動化，有以下4個(ge) 問題需要解決(jue) ：

　　實時性問題

　　由於(yu) ethernet采用csma/cd碰撞檢測方式，網絡負荷較大時，網絡傳(chuan) 輸的不確定性不能滿足工業(ye) 控製的實時要求。但據測試，在典型的工業(ye) 應用中，其峰值負載在500k左右，相當於(yu) 10m ethernet的5%，或100m ethernet的0.5%，而ethernet隻有當負載達40%以上時才會(hui) 有明顯的延遲現象。同時，目前已經開發出多種有用方法以提高以太網相關(guan) 組件及軟件的速度，並使數據的發送和接受更可靠。這其中最有前途的解決(jue) 方案是ieee1588標準精準時間協議（standard precision time protocol，ptp）。#p#分頁標題#e#

　　ethernet如何滿足現場環境問題

　　ethernet所用的接插件、集線器、交換機和電纜等是為(wei) 辦公室應用而設計的，不符合工業(ye) 現場惡劣環境的要求。為(wei) 了解決(jue) 在不間斷的工業(ye) 應用領域，在極端條件下網絡也能穩定地工作的問題，目前已有多家公司專(zhuan) 門開發和生產(chan) 了din導軌式收發器、集線器和交換機係列產(chan) 品，並有冗餘(yu) 電源供電，接插件采用牢固的db-9結構，如美國科動控製係統公司和國內(nei) 的東(dong) 土電信等。

　　在工業(ye) 控製中使用ethernet如何獲得技術支持

　　在工業(ye) 以太網的應用層，有四種標準獲得了廣泛的支持和應用：施奈德公司：modbustcp/ip（1998）是目前工業(ye) 以太網的事實標準，並使以太網在傳(chuan) 感器級和設備級得到了大量的應用;德國西門子公司：profinet（2001）;美國rockwell自動化公司：ethernet/ip（2000）;基金會(hui) 現場總線ff:hse （2000）。

　　ethernet與(yu) 網絡安全問題

　　目前有多種軟硬件技術可以有效的解決(jue) 網絡安全的問題。

　　（4） 通用的嵌入式實時操作係統獲得了長足的發展，並獲得了廣泛的應用。傳(chuan) 統的美國windriver公司的vx works、psos操作係統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 ces在推出.net版本以後，有效的解決(jue) 了硬實時的問題，並以其低廉的價(jia) 格和廣泛的客戶群獲得了用戶的青睞;作為(wei) 開放源碼的代表，linux操作係統也推出了其嵌入式版本，並以其在成本、開放性、安全性上麵的優(you) 勢，獲得一些特殊應用客戶及中小製造商的歡迎。

　　（5）符合iec-61131-3標準的軟邏輯編程語言的發展，有效的整合了傳(chuan) 統plc在編程技術上的積累，使廣大的機電工程師可以在基於(yu) pc的係統上使用其熟悉的編程方式實現其控製邏輯。另一方麵在pac係統上，工程師也可以使用高階語言實現複雜的算法或通信編程，例如vb.net、evc、vc#、java等。目前iec-61131-3標準已經實現了基本層的轉載（包括編碼體(ti) 和變量），正在進行攜帶層的轉載（包括函數和功能塊），並最終實現整個(ge) 編譯層的轉載（應用程序）。從(cong) 而有效提高不同供應商設備間的互操作性，並減少係統升級時的開銷。

　　（6） 在人機介麵的部分，一些軟邏輯開發工具均同時提供hmi開發套件，例如isagraf、micro trace mode、kw multiprog等。如果有更進一步的需求，一些專(zhuan) 業(ye) 的scada/hmi軟件廠商也提供針對嵌入式係統開發的套裝軟件，例如組態王公司的嵌入版kingview、indusoft等。

5 目前主流的pac係統

　　目前已有多個(ge) 廠家提供符合pac定義(yi) 的特征與(yu) 性能的產(chan) 品，其中有代表性的有：ge fanuc公司的pacs ystemstm rx3i/7i、ni公司的compact fieldpoint、beckoff公司的cx1000、icpdas泓格科技的wincon/lincon等。#p#分頁標題#e#

　　其中ge fanuc公司的pacsystemstm rx3i/7i的cpu采用了pentium iii 300/700mhz處理器，操作係統為(wei) windriver的vx works，rx3i為(wei) vme64總線，rx7i為(wei) compactpci總線;ni公司的compact fieldpoint的cpu即將升級到pentium iv-m 2.5ghz處理器，其特色在於(yu) 整合了測試測量領域中應用非常廣泛的開發平台labview;beckoff公司的cx1000的cpu為(wei) pentium mmx 266mhz處理器;操作係統為(wei) windows ces .net或embedded windows xp;icpdas泓格科技的wincon/lincon的cpu為(wei) strongram 206mhz處理器，wincon的操作係統為(wei) windows ces .net;lincon的操作係統為(wei) embedded linux見圖3：

　　圖3是icpdas泓格科技的wincon-8000，筆者就以此為(wei) 例來說明目前新一代可編程自動化控製器可以完成的功能及其特點：

　　（1） i/o模塊：wincon支持的i/o模塊分成三類：串行式連接、ethernet網絡連接、並行式（build in i/o）連接等。此三種架構的i/o模塊都有適用的場合，對應所規劃的信號響應速度，選擇所需的種類。與(yu) plc的i/o模塊相比，其模擬量i/o具有更高的精準度和采樣速度，同時其采購成本更低。

　　另外wincon的網絡i/o將陸續支援can（control area network）總線與(yu) 泓格自有的frnet（見圖4），透過modbus/rtu、canopen、devicenet等通信規約，可以與(yu) 泓格的i-7000、i-8000及其它廠牌的can i/o相連接，而frnet則是沿用了plc架構的優(you) 點，采用token ring的方式，無須軟件協議，在固定的時間內(nei) 可以掃描所有i/o點，再透過dual-port ram的方式與(yu) 主控製層做溝通。

　　（2） soft plc：提供isagraf、micro trace mode等soft logic plc的軟件包，可以完全執行plc的梯形圖程序功能。使用方式就是先於(yu) pc上編輯設計梯形圖應用程序，然後下載至wincon-8000執行。也就是可以當作一台plc來使用，而且還有以下幾點plc所不能做到的功能，如此架構可以產(chan) 生plc plus的效果。

　　（3） scada係統：提供embedded view、indusoft web studio、adastra embedded hmi等套裝監控係統。由於(yu) wincon上提供的是執行版本，先在pc上設計所要的監控畫麵，然後下載至wincon上執行。這些監控係統也具備各種plc的通信模塊以及opc client的驅動程序，所以除了與(yu) wincon本身的i/o模塊通信外，還很容易地與(yu) 其它plc通信。

　　（4） opc和modbus支援：wincon提供opc以及modbus等兩(liang) 種數據通信方式，可以與(yu) 外部係統做i/o信號值的數據交換。這些通信方式為(wei) 工控業(ye) 界的兩(liang) 大通信標準，所以係統整合也可以實現標準化。舉(ju) 例來說：以前任何一個(ge) 程序要與(yu) plc相連以讀寫(xie) 相關(guan) 信號點，必須自行設計通信驅動程序，但是對於(yu) 各種plc不同的通信方式及信號安排都需熟悉，係統設計門坎非常的高。如今隻要依據以上兩(liang) 種通信標準，市麵上有許多組件可以使用。隻要使用一台wincon就可以搞定一切。

　　（5） sql數據庫：此功能是非常重要的一點。此為(wei) 標準的關(guan) 係型數據庫，與(yu) windows sql server同一等級。一般控製係統因為(wei) 受限於(yu) 硬件的架構，隻能專(zhuan) 注於(yu) 信號點的處理，而無法做大量數據的處理。但是pc軟硬件係統的發展，使得此方麵的基礎係統健全，而且價(jia) 格更便宜，因此大量資料的儲(chu) 存及處理變成可能，可以擴展許多新的應用領域。例如：配方表、生產(chan) 工單、產(chan) 品品質紀錄、操作紀錄、警報紀錄、作業(ye) 程序步驟、影像文件、語音文件、設備運轉紀錄、大量信號數據記錄等各種形式數據的運用。當數據越詳細，活用數據的機會(hui) 越多，就會(hui) 創造許多新的功能;信息越透明就會(hui) 使得控製更為(wei) 精確，同時也降低人為(wei) 的錯誤率，並且延伸出許多新的應用手法。#p#分頁標題#e#

　　（6）網絡聯機ipush：此功能打開一扇網絡方便門，使得應用係統使用者不用知道背後複雜的網絡處理程序。以往如果設計網絡係統，就必須知道tcp/ip、socket、網絡通信協議7層架構等技術知識，然後設計網絡通信程序，又要考慮通信量、通信速度、socket api使用、通信timing的掌握等高級的程序設計技巧。同時通信的形式又有多種選擇，例如：短信、語音通知、影像傳(chuan) 輸、e-mail、message、主動廣播、多數或單獨通知、通信頻率、單向或雙向通信等不同方式。最後接收端的選擇也是多樣性，例如：監控係統、opc server、excel、pda、手機、internet瀏覽器等。如今以上的一切都交給ipush就可以了，如圖5所示：

　　（7） 開發工具應用：如果要自行開發程序，有visual basic .net、visual c#、embedded visual c++等多種工具。同時也有多種接口api以作為(wei) 整合設計用。例如：控製i/o的dll、ipush組件、scada system api、sql server api、modbus protocol dll、opc接口等。也就是可以由各種功能層麵得到所要的連接接口，如此形成一個(ge) 完全的整合係統，無論從(cong) 哪一方麵切入都可以得到滿意的整合性。所以使用者可以放心去設計特有功能的程序，然後整合至原有套裝係統，變成一個(ge) 新的應用係統。

6 結束語

　　在可以預見的幾年內(nei) ，對標準性、開放性、可互操作性、可移植性的要求將是用戶至為(wei) 關(guan) 心的自動化產(chan) 品的重要特征，作為(wei) 融匯了ipc和plc的優(you) 點的pac係統必將成為(wei) 控製係統的主流。自動化供應商在最近幾年將會(hui) 推出更多適合各領域個(ge) 性化應用的控製器及新的功能，以滿足廣泛和不斷增長的需求。