PAC技術的發展現狀及其應用前景

PAC技術的發展現狀及其應用前景

當今的自動化技術發展迅速，正處于一個快速變革的時代。從半導體到消費類電子產品、再到汽車和航空制造業、以及輕工業和物流行業等多種不同的工業領域都面臨著日益激烈的全球競爭壓力，他們需要進一步降低成本、縮短產品生產周期，并能夠迅速完成產品的更新換代。而采用最新的自動化技術正是解決這一系列問題的有效手段。

1、PAC控制技術產生的背景

自20世紀70年代，PLC取代了原有的繼電器控制系統以來，被廣泛地使用到各種控制系統中，成為自動化領域中極具競爭力的控制工具。其優勢為：高可靠性和穩定性。但傳統PLC的體系結構是封閉的，各PLC廠家的硬件體系互不兼容，編程語言及指令系統也各異，當用戶選擇了一種PLC產品后，必須選擇與其相應的控制規程，并且學習特定的編程語言。盡管如此，PLC還是在很多工業應用中被使用。據來自ARC、聯合開發公司（VDC）以及網上PLC培訓資源PLC．net的專家估計，80％的PLC用于小型應用（1～128I／O）；78％的PLC的I／O是數字的；80％的PLC應用問題可由20條梯形邏輯指令集來解決。但是，如果要在工程中開發剩余的20％的應用時，我們就不得不突破PLC的限制了。

20世紀90年代，隨著計算機技術的不斷提高與發展，人們開始考慮使用PC機來進行系統控制，以求通過PC來滿足剩余的20％的應用，給用戶帶來更多的選擇。在許多工程應用中，PC機已能實現原來PLC的控制功能。并且具有更強的數據處理能力、強大的網絡通訊功能以及能夠執行比較復雜的控制算法和其近乎無限制的存儲容量等優勢。但是基于PC的自動化控制也有其不足之處，其設備的可靠性、實時性和穩定性都較差，而這3個方面正是在工業現場經常需要克服的問題。

2、PAC控制技術的特點及其優勢

由于PC和PLC都有其各自的優缺點，因此，人們開發出了新的控制器來解決20％的應用，并把PLC和PC的特性最佳地結合在一起。市場調查公司ARC咨詢機構首次采用了PAC或可編程自動化控制器這一術語，它定義了一種新類型的控制器，該控制器是由一個輕便的控制引擎作為支持，并且提供了多種功能的開發工具。這種控制器結合了PC的處理器、RAM和軟件的優勢，以及PLC固有的可靠性、堅固性和分布特性。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個重要特點。分別為：①多功能性，在一個平臺上至少有兩個邏輯、運動、PID控制、驅動和處理功能；②單一的多功能開發平臺使用通用的標記和單個數據庫來訪問所有的參數和功能；③通過結合IEC61131—3，用戶向導和數據管理，軟件工具能設計出在跨越多個機器和處理單元的處理流程；④開放的，模塊化結構能解決從工廠機器布置到加工車間中單元操作的工業應用；⑤采用既定的網絡協議和程序語言標準來保障用戶的網絡數據交換，如TCP／IP，OPC．XML和SQL查詢語言。

與傳統的控制技術相比，PAC技術主要具有以下優點。

1）采用單一的控制器。PAC具有單一的控制器，可用于處理數字和模擬I／O，具有運動視覺功能和模塊化儀器，因此當用戶需要視覺等功能時就不必購買其他控制器了。

2）高級控制。高級控制如模糊邏輯和神經網絡等控制技術不僅需要強大的浮點處理器，而且還需要占用大量的內存，PAC平臺就可以滿足這些條件。

3）實時分析。PAC可以實時地采集來自模擬或數字I／O通道的數據，并且對這些數據進行實時的分析，從而能有效地檢測故障狀態。如進行階次跟蹤和振動分析來檢測機器的運行狀況。

4）安全性。PLC在通過以太網發送的數據包是非加密的，所以它并不適合用于防止黑客入侵。而PAC發送的數據包是可以加密的。雖然這并不是目前最需要考慮的因素，但是未來安全性必然會成為一個重要的方面。

5）多種速度的確定性應用。PLC只能以固定的速度運行，所以它不能以不同的速率來獨立完成各任務。而PAC上運行的操作系統就具有這樣的特性，它可以進行并行處理。

6）靈活的記憶功能。PAC有一個模塊，可升級的記憶功能，允許用戶執行系統以滿足當前的應用要求，以及可在將來進行一定的擴展。而PLC只有固定的記憶容量。

7）機器視覺。由于受到數據傳輸速率的限制，PLC平臺上不能提供視覺功能。PAC的機器視覺可以檢測出利用傳統的方法很難測量出來的產品缺陷和錯誤。

8）提高生產率。一個通用的輕便控制引擎和綜合工程開發的平臺允許快速開發、實施和遷移項目工程；并且，由于它的開放性和靈活性，確保了控制點和操作以及企業業務系統之間的無縫連接，優化了工廠的流程，提高了生產效率。

9）降低了操作成本。由于使用了通用標準架構和網絡，使用戶能夠從成本的角度出發來選擇不同的系統部件，而不是專有的產品和技術；只要求用戶在統一的平臺和開發環境下培訓，而不需要學習多種專用環境；為用戶提供了一個無縫的遷移路徑，保護了用戶在I／O和應用開發方面的投資。

3、PAC控制技術的解決方案及主要產品

從定義可以看出PAC其實是一個系統的概念。它包括了兩部分內容：一體化的軟件平臺和基于開放式模塊化結構的硬件平臺。PAC技術的解決方案也圍繞這兩個方面展開。

一般來說，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PLC廠商通過在已有的掃描式架構中增加新的功能來建立PAC軟件，這些新功能包括以太網通信，運動控制和高級算法。通常他們會保留PLC熟悉的編程方式以及在邏輯和控制方面固有的特點。因此這種PAC軟件通常是為了適合特殊類型的應用而設計的。

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采用實時操作系統（RTOS）如來自美國WindRiver公司的Vx Works來實現的。實時操作系統能夠控制系統的各個層面，從I／O讀寫速率到控制器上各個線程的優先級。并且為了使用戶能更為容易地開發出可靠的控制程序，生產廠商增加了抽象層和I／O讀寫架構。因而這種靈活的軟件非常適合于定制控制，數據記錄和通信等方面的應用。

硬件方面的解決方案主要是依靠先進的CPU技術和開放式的設計（如：工業以太網）。根據摩爾定律，最新的CPU在其體積更小、功耗更低的情況下數據處理能力卻變的更強。從而使用戶在獲得更為穩定、可靠的CPU的同時還獲得了出眾的計算能力。也使得制造廠商有可能去選擇標準的嵌入式系統結構進行設計，擺脫傳統PLC因采用專有的硬件結構體系所帶來的局限，使系統具有更為豐富的功能前景。所謂開放就是在產品設計、元器件選擇、網絡通信、操作系統、監控及顯示等方面都采用國際標準或大家公認的工業標準。時刻想到標準化就能使不同廠家的產品兼容、互換、并且能連接在同一個網絡中運行。像工業以太網就是這樣的標準。以太網（Ethernet）自1975年問世以來，至今市場占有率已高達80％，毫無疑問是當今LAN（局域網）領域中首屈一指的網絡。以太網可以分為很多等級，一般簡單的控制系統沒有必要采用以太網，但對復雜的系統是很有用的，操作方便，而且能直觀地看到各處的圖像。

目前已有多個廠家提供符合PAC定義的特征和性能的產品，其中主要的應用產品如下。

GE Fanuc公司的PAC是由一體化的軟件開發平臺CIMPLICITY Machine Edition（ME）和開放式模塊化硬件平臺PAC Systems RX3i／7i構成的。ME包括3個軟件包，如圖1所示。

圖1 GE PAC

其中View是人機界面工具包，實現SCA—DA／HMI功能；Logic Developer為Soft—logic開發包，它完全符合IEC61131國際標準，提供所有開發、監控和調試程序的必須工具；Motion De—veloper是運動控制開發包，用來確保運動控制程序的開發，并且提供了多達100個運動控制和復雜控制的算法模塊。在硬件平臺方面，GE Fanuc公司目前推出了PAC Systems RX3i／7i兩個系列的產品。

NI公司的PAC，其特色在于整合了測試測量領域中應用非常廣泛的開發平臺LavView。PAC系統開發軟件LabVIEW不僅為用戶提供創建復雜測量控制系統的編譯靈活性，同時因為它直觀的圖形化開發界面而變得非常容易使用。在LabVIEW中，用戶可以利用數百個內置的控制和分析函數，快速開發各種復雜程序。用戶還可以在LabVIEW中調用其他軟件開發的程序代碼，來進行處理I／O、運動控制、機器視覺及儀器通信等各種應用。PAC系統開發硬件包括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的主要產品有WinCon／LinCon。WinCon的操作系統為Windows CE．net；LinCon的操作系統為EmbeddedLinux。WinCon支持串行式連接、Ethernet網絡連接、并行式連接；提供了Soft Logic PLC的軟件包和Embedded View等套裝監控系統；采用OPC和Modbus兩種數據通信方式；具有標準的關系型數據庫；并且可以利用Visual Basic．net等多種工具進行自行開發程序。

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

4、PAC技術的發展趨勢

隨著市場的需要，PAC技術在未來的幾年內將朝著以下幾個方向進一步發展。

1）設備規格的多樣化。為了滿足各種實際生產狀況的需要，PAC的規格將會呈現出多樣化的發展趨勢。在具體的生產環境中，選擇合適的控制系統要求的PAC，有利于降低成本。

2）支持更多的控制功能。目前，PAC已經將邏輯、運動、過程控制等高級功能集成到了單一的平臺上。而未來，PAC將進一步融合更多的功能，例如對于安全性的考慮，批處理等等。當信息被越來越廣泛地使用時，其安全性就將成為需要考慮的第一因素。

3）商業系統的集成。為了實現真正的實時性，自動化設備供應商將在PAC內部繼續創建商業系統的連接通道而不依賴于其他的連接設備。PAC將內嵌制造執行系統（MES）的一些屬性，例如：標準接口的建立，它將有利于更好地解決控制層和管理層之間的連接問題。

4）簡單的系統維護。PAC將往更小化更智能化的方向發展，但同時它將擁有更出眾的數據處理能力。其軟件可以監控機器運轉狀況，硬件可以完成復雜的自檢工作。為了提高生產率、增加利潤，企業就必須及時有效地傳遞數據信息。PAC的這種數據處理能力，可以滿足用戶在任何時間通過任何形式（如：e-mail，網頁）對數據進行維護。

5）延長產品的生命周期。通過采用新技術來獲得更高生產效率固然十分重要，但是新技術的使用是否會大幅增加成本和培訓費也是廠家十分關注的問題。PAC未來平臺將仍然采用標準化的設計，其賣主可以繼續使用原來的商業技術和以太網等標準，從而有效地降低了對成本的投入。

5、結束語

PAC既可以滿足工業控制系統對于開放性和柔性的要求，又可以滿足用戶對穩定性和可靠性的要求。利用PAC控制技術，可以有效地為客戶降低生產成本、提高生產效率，實現收益的增長。ARC指出，盡管PLC的價格在逐漸下降，但是其整體銷售額在未來的幾年內仍趨于上升。而作為結合了PC和PLC優勢的PAC，我們有理由相信隨著PAC技術的不斷完善、發展和價位逐步的逼近于PLC，PAC技術必將在未來的工業自動化領域中成為控制系統的主流

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