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(jìn)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(jì)，其中具有代表意義的是cpu技術(shù)的發(fā)展;現(xiàn)場(chǎng)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(shí)時(shí)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(shí)，其體積更小、功耗更低，從而在出眾的計(jì)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(jìn)行設(shè)計(jì)，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(shí)所具備的綜合優(yōu)勢(shì)，采用risc cpu的系統(tǒng)占據(jù)了目前市場(chǎng)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(shí)，移動(dòng)存儲(chǔ)技術(shù)方面也有很大的進(jìn)展，從而使最新的系統(tǒng)可以在付出有限成本的同時(shí)，獲得大容量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，以適應(yīng)新的自動(dòng)化應(yīng)用對(duì)不斷增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)量的要求，同時(shí)又可以避免因?yàn)槭褂脵C(jī)械式硬盤帶來的系統(tǒng)崩潰的風(fēng)險(xiǎn)。

　　（2） 經(jīng)過14年的紛爭(zhēng)，最后iec的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)化組織經(jīng)投票，接納了8種現(xiàn)場(chǎng)總線成為iec61158現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)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(guó)大陸的產(chǎn)業(yè)自動(dòng)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(dòng)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(chǎng)總線采用的通信協(xié)議完全不同，因此，要實(shí)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(guó)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(guó)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(dòng)化，有以下4個(gè)問題需要解決：

　　實(shí)時(shí)性問題

　　由于ethernet采用csma/cd碰撞檢測(cè)方式，網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷較大時(shí)，網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)牟淮_定性不能滿足工業(yè)控制的實(shí)時(shí)要求。但據(jù)測(cè)試，在典型的工業(yè)應(yīng)用中，其峰值負(fù)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(fù)載達(dá)40%以上時(shí)才會(huì)有明顯的延遲現(xiàn)象。同時(shí)，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(shí)間協(xié)議（standard precision time protocol，ptp）。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

　　ethernet如何滿足現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境問題

　　ethernet所用的接插件、集線器、交換機(jī)和電纜等是為辦公室應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，不符合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)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(jī)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(guó)科動(dòng)控制系統(tǒng)公司和國(guó)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(shí)標(biāo)準(zhǔn)，并使以太網(wǎng)在傳感器級(jí)和設(shè)備級(jí)得到了大量的應(yīng)用;德國(guó)西門子公司：profinet（2001）;美國(guó)rockwell自動(dòng)化公司：ethernet/ip（2000）;基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)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。

　　（4） 通用的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)獲得了長(zhǎng)足的發(fā)展，并獲得了廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的美國(guó)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(shì)是微軟公司的windows ce在推出.net版本以后，有效的解決了硬實(shí)時(shí)的問題，并以其低廉的價(jià)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(shì)，獲得一些特殊應(yīng)用客戶及中小制造商的歡迎。

　?。?）符合iec-61131-3標(biāo)準(zhǔn)的軟邏輯編程語(yǔ)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(jī)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(shí)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(yǔ)言實(shí)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(shí)現(xiàn)了基本層的轉(zhuǎn)載（包括編碼體和變量），正在進(jìn)行攜帶層的轉(zhuǎn)載（包括函數(shù)和功能塊），并最終實(shí)現(xiàn)整個(gè)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(jí)時(shí)的開銷。

　?。?） 在人機(jī)介面的部分，一些軟邏輯開發(fā)工具均同時(shí)提供hmi開發(fā)套件，例如isagraf、micro trace mode、kw multiprog等。如果有更進(jìn)一步的需求，一些專業(yè)的scada/hmi軟件廠商也提供針對(duì)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(gè)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(yè)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(jí)到pentium iv-m 2.5ghz處理器，其特色在于整合了測(cè)試測(cè)量領(lǐng)域中應(yīng)用非常廣泛的開發(fā)平臺(tái)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(dòng)化控制器可以完成的功能及其特點(diǎn)：

　?。?） 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(chǎng)合，對(duì)應(yīng)所規(guī)劃的信號(hào)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(shí)其采購(gòu)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(diǎn)，采用token ring的方式，無須軟件協(xié)議，在固定的時(shí)間內(nèi)可以掃描所有i/o點(diǎn)，再透過dual-port ram的方式與主控制層做溝通。

　　（2） soft plc：提供isagraf、micro trace mode等soft logic plc的軟件包，可以完全執(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(jì)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(tái)plc來使用，而且還有以下幾點(diǎn)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(jì)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(dòng)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。

　?。?） 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(hào)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(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化。舉例來說：以前任何一個(gè)程序要與plc相連以讀寫相關(guān)信號(hào)點(diǎn)，必須自行設(shè)計(jì)通信驅(qū)動(dòng)程序，但是對(duì)于各種plc不同的通信方式及信號(hào)安排都需熟悉，系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(tái)wincon就可以搞定一切。

　?。?） sql數(shù)據(jù)庫(kù)：此功能是非常重要的一點(diǎn)。此為標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)，與windows sql server同一等級(jí)。一般控制系統(tǒng)因?yàn)槭芟抻谟布募軜?gòu)，只能專注于信號(hào)點(diǎn)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(jià)格更便宜，因此大量資料的儲(chǔ)存及處理變成可能，可以擴(kuò)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(bào)紀(jì)錄、作業(yè)程序步驟、影像文件、語(yǔ)音文件、設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)紀(jì)錄、大量信號(hào)數(shù)據(jù)記錄等各種形式數(shù)據(jù)的運(yùn)用。當(dāng)數(shù)據(jù)越詳細(xì)，活用數(shù)據(jù)的機(jī)會(huì)越多，就會(huì)創(chuàng)造許多新的功能;信息越透明就會(huì)使得控制更為精確，同時(shí)也降低人為的錯(cuò)誤率，并且延伸出許多新的應(yīng)用手法。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

　?。?）網(wǎng)絡(luò)聯(lián)機(jī)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(jì)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(shí)，然后設(shè)計(jì)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(jí)的程序設(shè)計(jì)技巧。同時(shí)通信的形式又有多種選擇，例如：短信、語(yǔ)音通知、影像傳輸、e-mail、message、主動(dòng)廣播、多數(shù)或單獨(dú)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(jī)、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(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(shí)也有多種接口api以作為整合設(shè)計(jì)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(gè)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(jì)特有功能的程序，然后整合至原有套裝系統(tǒng)，變成一個(gè)新的應(yīng)用系統(tǒng)。

6 結(jié)束語(yǔ)

　　在可以預(yù)見的幾年內(nèi)，對(duì)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(dòng)化產(chǎn)品的重要特征，作為融匯了ipc和plc的優(yōu)點(diǎn)的pac系統(tǒng)必將成為控制系統(tǒng)的主流。自動(dòng)化供應(yīng)商在最近幾年將會(huì)推出更多適合各領(lǐng)域個(gè)性化應(yīng)用的控制器及新的功能，以滿足廣泛和不斷增長(zhǎng)的需求。