4 pac系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

　　pac的產(chǎn)生受益于近年來在嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域的發(fā)展與進步。在硬件方面，有重要意義的包括：嵌入式硬件系統(tǒng)設(shè)計，其中具有代表意義的是cpu技術(shù)的發(fā)展;現(xiàn)場總線技術(shù)的發(fā)展;工業(yè)以太網(wǎng)的廣泛應(yīng)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(shù);嵌入式組態(tài)軟件的發(fā)展等。試分別說明如下：

　?。?）跟隨摩爾定律的發(fā)展，最新的高性能cpu在獲得更高的處理能力的同時，其體積更小、功耗更低，從而在出眾的計算能力以及工業(yè)用戶最為關(guān)心的穩(wěn)定性和可靠性方面獲得平衡，使制造廠商有可能去選擇通用的標(biāo)準(zhǔn)的嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，擺脫傳統(tǒng)plc因采用專有的硬件結(jié)構(gòu)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(gòu)的cpu，如mobile pentium系列cpu，也有采用risc架構(gòu)的cpu，如arm系列、shx系列等，當(dāng)然也有使用mips cpu的。綜合比較而言，由于risc cpu在應(yīng)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(yīng)的控制系統(tǒng)的多數(shù)。

　在cpu技術(shù)發(fā)展的同時，移動存儲技術(shù)方面也有很大的進展，從而使最新的系統(tǒng)可以在付出有限成本的同時，獲得大容量的數(shù)據(jù)存儲空間，以適應(yīng)新的自動化應(yīng)用對不斷增長的數(shù)據(jù)量的要求，同時又可以避免因為使用機械式硬盤帶來的系統(tǒng)崩潰的風(fēng)險。

　?。?） 經(jīng)過14年的紛爭，最后iec的現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)化組織經(jīng)投票，接納了8種現(xiàn)場總線成為iec61158現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)，即：ff h1，control net，profibus，interbus，p-net，world fip，swift net，ff之高速ethernet即hse。iec61158現(xiàn)場總線標(biāo)準(zhǔn)的最終塵埃落定，使在工業(yè)控制在設(shè)備層和傳感器層有了可以遵循的標(biāo)準(zhǔn)。目前在中國大陸的產(chǎn)業(yè)自動化應(yīng)用領(lǐng)域，影響比較大的有：profibus、基于can總線的devicenet、主要應(yīng)用于建筑自動化的lonworks、以及未曾列入iec61158標(biāo)準(zhǔn)的cclink等。

　?。?）但是由于這8種現(xiàn)場總線采用的通信協(xié)議完全不同，因此，要實現(xiàn)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(jīng)是通用的國際標(biāo)準(zhǔn)ethernet、tcp/ip等協(xié)議，并使其符合工業(yè)應(yīng)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及制造商接受和歡迎。

　　但是要把ethernet用于工業(yè)自動化，有以下4個問題需要解決：

　　實時性問題

　　由于ethernet采用csma/cd碰撞檢測方式，網(wǎng)絡(luò)負荷較大時，網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)牟淮_定性不能滿足工業(yè)控制的實時要求。但據(jù)測試，在典型的工業(yè)應(yīng)用中，其峰值負載在500k左右，相當(dāng)于10m ethernet的5%，或100m ethernet的0.5%，而ethernet只有當(dāng)負載達40%以上時才會有明顯的延遲現(xiàn)象。同時，目前已經(jīng)開發(fā)出多種有用方法以提高以太網(wǎng)相關(guān)組件及軟件的速度，并使數(shù)據(jù)的發(fā)送和接受更可靠。這其中最有前途的解決方案是ieee1588標(biāo)準(zhǔn)精準(zhǔn)時間協(xié)議（standard precision time protocol，ptp）。#p#分頁標(biāo)題#e#

　　ethernet如何滿足現(xiàn)場環(huán)境問題

　　ethernet所用的接插件、集線器、交換機和電纜等是為辦公室應(yīng)用而設(shè)計的，不符合工業(yè)現(xiàn)場惡劣環(huán)境的要求。為了解決在不間斷的工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，在極端條件下網(wǎng)絡(luò)也能穩(wěn)定地工作的問題，目前已有多家公司專門開發(fā)和生產(chǎn)了din導(dǎo)軌式收發(fā)器、集線器和交換機系列產(chǎn)品，并有冗余電源供電，接插件采用牢固的db-9結(jié)構(gòu)，如美國科動控制系統(tǒng)公司和國內(nèi)的東土電信等。

　　在工業(yè)控制中使用ethernet如何獲得技術(shù)支持

　　在工業(yè)以太網(wǎng)的應(yīng)用層，有四種標(biāo)準(zhǔn)獲得了廣泛的支持和應(yīng)用：施奈德公司：modbustcp/ip（1998）是目前工業(yè)以太網(wǎng)的事實標(biāo)準(zhǔn)，并使以太網(wǎng)在傳感器級和設(shè)備級得到了大量的應(yīng)用;德國西門子公司：profinet（2001）;美國rockwell自動化公司：ethernet/ip（2000）;基金會現(xiàn)場總線ff:hse （2000）。

　　ethernet與網(wǎng)絡(luò)安全問題

　　目前有多種軟硬件技術(shù)可以有效的解決網(wǎng)絡(luò)安全的問題。

　?。?） 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(yīng)用。傳統(tǒng)的美國windriver公司的vx works、psos操作系統(tǒng)在高端領(lǐng)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，有效的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;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(yīng)用客戶及中小制造商的歡迎。

　　（5）符合iec-61131-3標(biāo)準(zhǔn)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(shù)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(fù)雜的算法或通信編程，例如vb.net、evc、vc#、java等。目前iec-61131-3標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)實現(xiàn)了基本層的轉(zhuǎn)載（包括編碼體和變量），正在進行攜帶層的轉(zhuǎn)載（包括函數(shù)和功能塊），并最終實現(xiàn)整個編譯層的轉(zhuǎn)載（應(yīng)用程序）。從而有效提高不同供應(yīng)商設(shè)備間的互操作性，并減少系統(tǒng)升級時的開銷。

　?。?） 在人機介面的部分，一些軟邏輯開發(fā)工具均同時提供hmi開發(fā)套件，例如isagraf、micro trace mode、kw multiprog等。如果有更進一步的需求，一些專業(yè)的scada/hmi軟件廠商也提供針對嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的套裝軟件，例如組態(tài)王公司的嵌入版kingview、indusoft等。

5 目前主流的pac系統(tǒng)

　　目前已有多個廠家提供符合pac定義的特征與性能的產(chǎn)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(biāo)題#e#

　　其中g(shù)e fanuc公司的pacsystemstm rx3i/7i的cpu采用了pentium iii 300/700mhz處理器，操作系統(tǒng)為windriver的vx works，rx3i為vme64總線，rx7i為compactpci總線;ni公司的compact fieldpoint的cpu即將升級到pentium iv-m 2.5ghz處理器，其特色在于整合了測試測量領(lǐng)域中應(yīng)用非常廣泛的開發(fā)平臺labview;beckoff公司的cx1000的cpu為pentium mmx 266mhz處理器;操作系統(tǒng)為windows ce .net或embedded windows xp;icpdas泓格科技的wincon/lincon的cpu為strongram 206mhz處理器，wincon的操作系統(tǒng)為windows ce .net;lincon的操作系統(tǒng)為embedded linux見圖3：

　　圖3是icpdas泓格科技的wincon-8000，筆者就以此為例來說明目前新一代可編程自動化控制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(wǎng)絡(luò)連接、并行式（build in i/o）連接等。此三種架構(gòu)的i/o模塊都有適用的場合，對應(yīng)所規(guī)劃的信號響應(yīng)速度，選擇所需的種類。與plc的i/o模塊相比，其模擬量i/o具有更高的精準(zhǔn)度和采樣速度，同時其采購成本更低。

　　另外wincon的網(wǎng)絡(luò)i/o將陸續(xù)支援can（control area network）總線與泓格自有的frnet（見圖4），透過modbus/rtu、canopen、devicenet等通信規(guī)約，可以與泓格的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(gòu)的優(yōu)點，采用token ring的方式，無須軟件協(xié)議，在固定的時間內(nèi)可以掃描所有i/o點，再透過dual-port ram的方式與主控制層做溝通。

　?。?） soft plc：提供isagraf、micro trace mode等soft logic plc的軟件包，可以完全執(zhí)行plc的梯形圖程序功能。使用方式就是先于pc上編輯設(shè)計梯形圖應(yīng)用程序，然后下載至wincon-8000執(zhí)行。也就是可以當(dāng)作一臺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(gòu)可以產(chǎn)生plc plus的效果。

　?。?） scada系統(tǒng)：提供embedded view、indusoft web studio、adastra embedded hmi等套裝監(jiān)控系統(tǒng)。由于wincon上提供的是執(zhí)行版本，先在pc上設(shè)計所要的監(jiān)控畫面，然后下載至wincon上執(zhí)行。這些監(jiān)控系統(tǒng)也具備各種plc的通信模塊以及opc client的驅(qū)動程序，所以除了與wincon本身的i/o模塊通信外，還很容易地與其它plc通信。

　　（4） opc和modbus支援：wincon提供opc以及modbus等兩種數(shù)據(jù)通信方式，可以與外部系統(tǒng)做i/o信號值的數(shù)據(jù)交換。這些通信方式為工控業(yè)界的兩大通信標(biāo)準(zhǔn)，所以系統(tǒng)整合也可以實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化。舉例來說：以前任何一個程序要與plc相連以讀寫相關(guān)信號點，必須自行設(shè)計通信驅(qū)動程序，但是對于各種plc不同的通信方式及信號安排都需熟悉，系統(tǒng)設(shè)計門坎非常的高。如今只要依據(jù)以上兩種通信標(biāo)準(zhǔn)，市面上有許多組件可以使用。只要使用一臺wincon就可以搞定一切。

　?。?） sql數(shù)據(jù)庫：此功能是非常重要的一點。此為標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，與windows sql server同一等級。一般控制系統(tǒng)因為受限于硬件的架構(gòu)，只能專注于信號點的處理，而無法做大量數(shù)據(jù)的處理。但是pc軟硬件系統(tǒng)的發(fā)展，使得此方面的基礎(chǔ)系統(tǒng)健全，而且價格更便宜，因此大量資料的儲存及處理變成可能，可以擴展許多新的應(yīng)用領(lǐng)域。例如：配方表、生產(chǎn)工單、產(chǎn)品品質(zhì)紀(jì)錄、操作紀(jì)錄、警報紀(jì)錄、作業(yè)程序步驟、影像文件、語音文件、設(shè)備運轉(zhuǎn)紀(jì)錄、大量信號數(shù)據(jù)記錄等各種形式數(shù)據(jù)的運用。當(dāng)數(shù)據(jù)越詳細，活用數(shù)據(jù)的機會越多，就會創(chuàng)造許多新的功能;信息越透明就會使得控制更為精確，同時也降低人為的錯誤率，并且延伸出許多新的應(yīng)用手法。#p#分頁標(biāo)題#e#

　　（6）網(wǎng)絡(luò)聯(lián)機ipush：此功能打開一扇網(wǎng)絡(luò)方便門，使得應(yīng)用系統(tǒng)使用者不用知道背后復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)處理程序。以往如果設(shè)計網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，就必須知道tcp/ip、socket、網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議7層架構(gòu)等技術(shù)知識，然后設(shè)計網(wǎng)絡(luò)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(shè)計技巧。同時通信的形式又有多種選擇，例如：短信、語音通知、影像傳輸、e-mail、message、主動廣播、多數(shù)或單獨通知、通信頻率、單向或雙向通信等不同方式。最后接收端的選擇也是多樣性，例如：監(jiān)控系統(tǒng)、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：

　?。?） 開發(fā)工具應(yīng)用：如果要自行開發(fā)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以作為整合設(shè)計用。例如：控制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面得到所要的連接接口，如此形成一個完全的整合系統(tǒng)，無論從哪一方面切入都可以得到滿意的整合性。所以使用者可以放心去設(shè)計特有功能的程序，然后整合至原有套裝系統(tǒng)，變成一個新的應(yīng)用系統(tǒng)。

6 結(jié)束語

　　在可以預(yù)見的幾年內(nèi)，對標(biāo)準(zhǔn)性、開放性、可互操作性、可移植性的要求將是用戶至為關(guān)心的自動化產(chǎn)品的重要特征，作為融匯了ipc和plc的優(yōu)點的pac系統(tǒng)必將成為控制系統(tǒng)的主流。自動化供應(yīng)商在最近幾年將會推出更多適合各領(lǐng)域個性化應(yīng)用的控制器及新的功能，以滿足廣泛和不斷增長的需求。