可编程自动化控制器PAC

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 多年来，可编程逻辑控制器(PLC)为OEM厂商和最终用户提供了高可靠性控制系统。然而，为实现越来越多的功能和不断提高网络通信性能，PLC工程师们不得不考虑进行系统硬/软件的更新换代，不断进行硬/软件的重新设计。现在，一种全新概念的控制系统，可编程自动化控制器(PAC)的出现，提高了控制系统的灵活性、开放性和整体性能。PAC可使客户无需重新设计整个系统，就可不断获得递升的系统性能。在PAC操作系统上设计了一个通用、适合于多平台(包括硬件平台和操作系统平台)、便于移植用户应用程序、轻便的控制引擎， 这样保证使用PAC系统的用户可使其编制的应用程序获得较大应用收益，且还能不断优化其自动化平台。 d* I. ]8 f+ T# x9 G8 `

    GE Fanuc公司PACSystemsTM系列，是定位于工业领域的PAC产品。对于不同硬件平台，PAC系统提供了一个同样的控制引擎和通用的编程软件，使用户选择硬件系统有一定灵活性。

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    对PAC的需求

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    使用PLC作为控制系统已有20多年的历史，PLC为工业控制应用提供了快速可靠的解决方案，其设计满足了工厂对于使用环境和可靠性的要求。然而，PLC建立在各厂家专有架构基础上，其编程和程序执行的实现是对于特定应用设计。因此，为实现工业企业中各层次的数据通信需求—设备层、控制层和管理层—整个系统经常需整体升级。

    然而，在最近几年，很多组织已开始寻找完全不同的工厂底层设备和网络系统，而且把它们连接到操作和企业级的系统和流程。这种集成化程度预示了更多商业利益，包括：(1)更优越的操作性能有助于公司生产更高级产品、获得利润和扩展业务；(2)赋予制造业更多灵活性来减少浪费和对多变的市场做出迅速回应；(3)加强和提高核心竞争力来更加清晰地定义市场和业务；(4)在任何地点设计和生产来扩展产品流程的全球化；(5)采用通用和标准化架构来降低成本；(6)使资产保值。

    传统控制解决方案通常较难提供所需开放性和灵活性的好处，因为大量平台和系统须部署为整个企业的自动化。如在某些设备不提供这些开放性和灵活性，在这些设备和系统间实现信息交换非常困难。

    因此，对于目前工业自动化的需求，传统控制系统有一定局限性：(1)由于使用不同供应商的多种平台，控制系统实施并不是一件轻松和迅速的事；对于逻辑控制、过程控制和运动控制都需不同编程；(2)当考察实施价值和新自动化控制技术时，用户可能对采用这些技术和产品较犹豫，因为他们害怕技术会很快变得过时；(3)升级系统性能所带来的好处可能并不能补偿对一个已存在系统重新设计所花费的时间和开支；(4)现行自动化系统在容纳不断增长的数据量方面经常显得力不从心；(5)开发数量、用户和设计的工具和平台会导致在定义和实施自动化平台时大规模无可逆转的延迟；(6)一旦实施完毕和运行，一个专门控制系统可能在一种应用中表现良好，但是想把它成功地迁移到其他应用中却被证明是非常困难的。

    考虑到这些局限性，PLC的功能在最近几年中已经扩展了不少，它提供了更多应用灵活性和互操作性。然而，大多数PLC制造商直到现在并不能成功地定义和改变其控制器来适应这种革命性的变化，或试图扩展这些工业应用基石的功能来满足变革巨大的多种解决方案的需要。

    PAC定义

    由一个轻便的控制引擎支持，且对多种应用使用同一种开发工具，PAC系统保证了控制系统功能的统一集成，而不仅仅是一个完全无关的部件拼凑的集成。

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    PAC定义了几种特征和性能：(1)多领域的功能，包括逻辑控制、运动控制、过程控制和人机界面，为统一平台；(2)一个满足多领域自动化系统设计和集成的通用开发平台；(3)允许OEM厂商和最终用户在统一平台上部署多个控制应用；(4)有利于开放、模块化控制架构来适应高度分布性自动化工厂环境；(5)对于网络协议、语言等，使用既定事实标准来保证多供应商网络的数据交换。

    PAC与PLC的区别

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    虽然PAC形式与传统PLC很相似，但性能却广泛全面得多。PAC是一种多功能控制器平台，它包含多种用户可按照自己意愿组合、搭配和实施的技术和产品。与其相反，PLC是一种基于专有架构的产品，仅仅具备了制造商认为必要的性能。

    PAC与PLC最根本的不同在于它们的基础不同。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。

    PAC的性能是基于其轻便控制引擎，标准、通用、开放的实时操作系统，嵌入式硬件系统设计以及背板总线。

    PLC的用户应用程序执行是通过硬件实现的，而PAC设计了一个通用、软件形式的控制引擎用于应用程序的执行，控制引擎位于实时操作系统与应用程序之间，这个控制引擎与硬件平台无关，可在不同平台的PAC系统间移植，如图1所示。因此对于用户来说，同样的应用程序不需修改即可下载到不同PAC硬件系统中，用户只需根据系统功能需求和投资预算选择不同性能PAC平台。这样，根据用户需求的迅速扩展和变化，用户系统和程序无需变化，即可无缝移植。

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图1 PAC的控制引擎位于操作系统与应用程序之间，与硬件无关，可以方便地移植

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    PAC操作系统采用通用实时操作系统，如GE Fanuc的PACSystems系列产品即采用通用、成熟的 WindRiver公司VxWorksㄊ凳辈僮飨低常?AC系统硬件结构采用标准、通用嵌入式系统结构设计，这样其处理器可使用最新的高性能CPU，如PACSystems系列产品的CPU即采用Pentium III 300/700MHz处理器。

    PAC系统通常采用标准、开放的背板总线，如PACSystems系列RX7i采用VME64总线；RX3i采用cPCI总线，这两种总线是目前嵌入式控制领域中流行的总线标准，均可支持多CPU并行处理功能，且由于采用标准开放背板总线，使得PACSystems系列产品可支持大量第三方模块集成到PACSystems产品中，如CPU模板、通信模板、I/O模板等，体现了系统的开放性、优越性。一个典型例子是PACSystems系列可支持2.1G通信速率，使用光纤映射内存技术，结构如图2所示。

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图2 影像内存技术CMX网络可达到2.1G通信速率

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    PAC系统编程软件为统一平台，集成了多领域功能，如Cimplicity Machine Edition软件，对于数据点Tags使用统一数据库，且在一个工程中支持多个PAC目标编程，既适合过程控制系统的应用，也适合工厂生产线多设备统一编程。

    PLC基于专有技术建立，而PAC的软件和硬件由于采用标准通用部件，可使用COTS(商品现货供应)产品和技术，这样：(1)有助于确保系统的可靠性和可用性，因为可保证硬/软件迅速、方便的维护；(2)降低了系统价格、减少了停机时间，因为随时可得到现货；(3)提高了开放性、灵活性、可扩展性。

    PAC与PC Control的区别

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    同样，作为可利用先进计算机技术高性能控制系统，PAC与PC Control也有着本质区别。

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    PAC使用实时操作系统，所有系统硬/软件功能控制由控制引擎和应用程序负责，是实时、确定性控制系统。

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    PC Control使用普通商业操作系统，系统控制功能属于操作系统任务的一部分，所有系统硬/软件功能控制属于操作系统的一部分，属于非实时、非确定性控制系统。

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    PAC的优点

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    PAC控制解决方案，如PACSystems可实现工厂和OEM厂商都需要的优点：

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    (1)提高生产率和操作效率：一个通用轻便控制引擎和综合工程开发平台允许快速地开发、实施和迁移；且由于它的开放性和灵活性，确保了控制、操作、企业级业务系统的无缝集成，优化了工厂流程。

    (2)降低操作成本：使用通用、标准架构和网络，降低了操作成本，让工程师们能为一个体现成本效益、使用现货供应的平台选择不同系统部件，而不是专有产品和技术；只要求用户在一个统一平台和开发环境上培训，而不是几种；且为用户提供了一个无缝迁移路径，保护在I/O和应用开发方面的投资。

    (3)使用户对其控制系统拥有更多控制力：使用户拥有更多灵活性来选择适合每种特殊应用的硬件和编程语言，以他们自己的时间表来规划升级，并且可在任何地方设计、制造产品。

    PACSystems解决方案

    GE Fanuc公司PACSystems产品系列，作为世界上第一代PAC产品，其性能和结构赢得了多项大奖。PACSystems以一个基于标准嵌入式商品化运行系统架构的控制引擎为特征，使引擎对多种平台都十分轻便灵活，并使用户可选择适合特殊应用的硬件和编程语言。系统通过标准通信机制如以太网、Profibus、DeviceNet和智能网支持分布式I/O。

    PACSystems编程开发使用Cimplicity Machine Edition软件。这个开发软件为开发、配置和诊断提供了通用工程开发环境。用户可通过基于Windows的软件开发控制软件，并把它应用到控制系统中。标记式开发语言、可重用代码库和用于改善在线故障分析的测试编辑环境。

图3 CIMPLICITY Machine Edition软件
为机器级的编程、监控和数据采集和故障
分析提供了一个统一、集成的开发环境

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    PACSystems产品线组成：

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    (1)基于VME64的RX7i，提供所有标准VME模块，包括90TM-70系列I/O和VMIC模块；

    (2)RX3i，提供高速PCI总线数据传输速率和更广泛的扩展功能支持90-30系列I/O模块；

    (3)工业PC，一个全集成的显示屏面和完全的工业PC；

    (4)PCI总线和VME总线的可插拔卡为多种设备提供标准接口。

    RX7i和RX3i

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    PACSystems系列产品目前有RX7i和RX3i两个系列。

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    高性能RX7i(见图4)，2003年4月面世。它拥有4倍于已有PLC底板的速度和10MB的可用来编程和文件存储的内存，RX7i基于VME64，支持各种标准VME模块(包括90TM-70系列I/O和多CPU结构，可进行并行运算处理)，包含嵌入式系统技术，使用Pentium III 300或700MHz CPU，内置PMC子板的10/100MHz以太网卡，并通过光纤影像内存技术支持冗余系统。

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图4 PACSystem RX7i提供4倍于已有PLC底板的速度

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    RX3i(见图5)于2004年面世，使用PCI总线底板支持高速PCI数据传输速率。支持标准底板使第三方可方便地开发I/O、通信、动作控制、可视和其他模块。第三方可购买一个开发工具箱来修改配合RX3i使用的标准PCI总线卡。RX3i底板也可匹配90TM-30系列I/O模块。目前，RX3i模块使用Pentium III处理器。

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图5 PACSystem RX3i产品应用标准的工业PCI总线标准，真正支持热插拔

    远景展望

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    在可预见的未来几年内，开放型、标准化、可移植性等特征对于用户越来越重要，且由于对最新嵌入式系统和软件技术的快速融合，PAC会逐步取代PLC成为控制系统的主流产品，在广泛领域内给用户提供领先技术。

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