从PLC到WinAC和PAC---追求开放、灵活和高效

0  前言

   自从美国数字设备公司（DEC）设计制造的第一台PLC于1969年率先投入汽车工业应用以来， PLC（可编程序控制器）为各行各业的用户和设备配套厂商提供了高可靠性、快速和多功能的控制方案及系统，对世界范围内高水平工业化的迅速推进做出了划时代的巨大贡献。

   PLC最初主要是为完成各种顺序和逻辑控制任务（对应于继电器控制线路的功能）而设计开发的，随着技术的进步和需求面的扩展，PLC系统又逐渐扩充了过程（回路）控制、运动控制、通信和人机界面等功能。现代的欧美主流PLC系统，借助于当今最先进的电子技术、计算机技术、网络通信技术、图形及图像处理技术、现场总线技术和先进的自动化控制理论，在经过网络化和DCS（分布式控制系统或称集散系统）开发后，更是具备了功能强大、应用方便的人机界面功能、DCS功能、PC功能、伺服运动控制功能和以互联网、工业以太网和各种现场总线为主要构架的网络通信功能。

   其中性能优良的Siemens的PCS 7系列（在TELEPERM系列集散系统和S7-400系列PLC的基础上开发）、GE Fanuc的PA30和PA70系列（分别在90TM-30和90TM-70系列PLC的基础上开发）DCS/PLC混合系统在过去几年中已得到较为广泛的应用，而Rockwell AB最新推出的基于批处理、过程控制、SCADA应用的开放型混合控制系统ProcessLogix也同样优秀。当前控制系统总的发展趋势是：PLC与DCS甚至PC的功能正在互相渗透，互相补充，而且都在朝着智能化、网络化（FCS——现场总线控制系统）、提高处理能力与实时性、高度开放和EIC（电气、仪表和计算机）三电一体化的方向发展。

   然而，为实现更完善和更灵活的控制功能并满足多层次的网络通信的需要，使用PLC的工程师们不得不考虑已投运的控制系统（特别是早期投入的系统）的更新换代问题。虽然PLC在相当长的一段时期中为各种用户（主要是工业应用）提供了有效的控制解决方法，但我们不能过分关注这些过去的成绩，而应以发展的眼光去探讨更加完美的未来！

   本世纪初，德国Siemens公司开始在亚洲推广应用基于PC技术的自动化系统WinAC，而美国GE Fanuc公司则在大约两年前推出了一种全新概念的PAC系统，这是在当前自动化领域技术革命中两种具有代表性而其技术理念互不相同，又不同于传统的PLC和DCS的先进自动化系统。


   1  实现企业“管控一体化”要求更开放、更灵活和功能更全面的控制系统

   一般来说，PLC系统是基于专用架构而构成的，并为某一特定应用中的主体设备的动作和工艺需求而进行系统配置和编程，此外，它们中的大部分还很难满足实时性要求较高的系统和复杂的过程控制系统以及大型企业中日益增长的多层次（包括现场设备控制与检测、基础自动化、过程自动化、生产执行和经营管理层）的数据通信需求。为实现这种需求，企业的自动化系统经常需要进行整体升级。在最近几年，很多自动化和计算机公司已经开始规划与以前完全不同的工厂车间底层控制装置和网络系统，而且拟实现它们与过程级和企业管理级的数据通信。

   某些大型企业的目标是实现所谓的“管控一体化”，它的重要技术特征是在进行系统集成中，必须保证统一的数据管理、统一的数据通信、统一的组态和编程环境。

   自1973年英国J·Harrington博士提出CIMS计算机集成制造的概念以来，逐渐在机械工业及其它离散生产线工业形成了CIMS计算机集成制造系统，在石油、化工、冶金、电力、建材、轻工、医药、食品等流程生产线为主的行业形成了计算机集成生产系统(CIPS)，一般人对此两者统称为CIMS。由于计算机技术、网络技术和现代企业管理科学的发展，CIMS中管理和控制两方面的软硬件技术进一步集成，加之需求方的制造商和产品用户的利润和客户满意度等项指标的综合要求，都需要管理和控制一体化，所以“管控一体化”的提法为更多的人接受。大家意识到要使企业与市场经济接轨，要增强企业核心竞争力，“管控一体化”的实施是当务之急。“管控一体化”通常分为三层结构，即BPS经营计划系统、MES制造执行系统、PCS过程控制系统（简称为管理层/生产层/控制层）。有鉴于BPS层是以ERP企业资源计划为主，故三层结构表述为:ERP/MES/PCS。

   当今对策划“管控一体化”表现得最为积极的当属于工业自动化产品的供应商，这些年来，各大著名公司分别推出了一系列的解决方案，下列系统均属于“管控一体化”概念的范畴,但并不意味着它们均符合我们上面提到的具备开放、灵活、实时性和高处理能力等先进系统的标准，也不一定全面包含了“管控一体化”中三个层面的内容： 

   西门子公司——全集成自动化(TIA)；GE Fanuc公司 ——智能化生产管理(IPM) ；

   罗克韦尔公司(AB) ——电子化制造(e-Manufacturing) ；施耐德公司(MODICON) ——透明工厂；

   ABB公司——Industrial IT；Honeywell公司——Experion PKS系统； Foxboro公司——I/A Series A2系统；横河电机公司——企业技术解决方案(ETS、e-RM)等。

   实现“管控一体化”意味着能获得更多的商业利益：

   1） 较强的开放性使我们可采用不同公司生产的通用和标准化产品来构成系统，还可在世界上任何地点设计和制造来拓展该标准产品流程的全球化，做到尽可能地降低成本；

   2） 较强的灵活性将赋予制造业及时调整产品结构和生产工艺的能力，尽可能减少原材料和人力资源消耗，并对瞬息万变的市场做出迅速的应对；

   3） 优越的操作性有助于企业生产更高级的产品，获得更多利润并扩展业务；

   4） 完善的企业信息管理将加强企业的核心竞争力，并能更加合理、准确地定位主体市场和业务。

 
   2  传统控制系统的局限性

   显然，传统的PLC系统很难提供构成上述“管控一体化”所需的开放性和灵活性，因为已有的大量平台和系统是配置来为企业中各条生产线的自动化服务的。若某些系统的开发平台和通信模式不完全兼容，则在这些设备和系统之间实现互操作和信息交换就相当困难。

   与新的系统相比，传统控制系统有以下一些局限性：

   1） 由于使用了不同供应厂商的多种硬/软件平台，控制系统的集成将相当复杂和困难：对于各个独立的子系统和过程，可能需要在不同的硬/软件平台下进行开发；

   2） 当考察、评价某种相对较新的自动化技术及其实施价值时，用户可能对采用该技术和产品比较犹豫，因为他们顾虑该项新技术可能会很快变得过时；

   3） 将老系统升级后所能获得的经济效益或许并不能补偿对一个现有系统重新设计开发所花费的时间和费用；

   4） 现有的PLC系统处理能力不够强，快速性不够好，而且在容纳不断增长的数据量需要方面往往显得力不从心；

   5） 开发的控制对象的数量、用户和设计所需的工具和平台经常会导致在定义和实施自动化平台时大规模的无可逆转的延迟；

   6） 一旦开发完毕并正常投入运行，一个专用控制系统可能在一种应用中效果较好，但事实证明欲将其成功地移植到其它的应用中却非常困难。

   考虑到这些局限性，如前所述，PLC系统的功能在最近几年中已经作了较大的扩展，它提供了较多的应用灵活性和互操作性。然而，除几家主流自动化公司以外，大多数PLC的制造商直到现在还不能成功地定位和改进他们的控制器来适应这种革命性的变化，或者试图扩展这些工业应用基础的功能来满足当今变革巨大的多种控制技术方案的需要。

  
   3  什么是WinAC系统？

   SIMATIC WinAC是SIEMENS基于PC的自动化控制产品，从功能上和产品系列上与其他基于PC的控制产品相比均有所区别。WinAC不是简单地将PLC替换为PC，而是将PLC和PC的功能完美地结合，包括控制功能、通信功能、可视化功能、网络功能以及工艺技术等功能，产品包括WinAC插槽型、WinAC实时型、WinAC基本型和WinAC嵌入型等。

   3.1  WinAC 控制功能

   WinAC允许用户使用普通PC或工业PC完成PLC的控制功能。WinAC基本型/实时型提供软件PLC，采用PC机的硬件资源(如CPU、内存、硬盘)来实现控制要求；WinAC插槽型提供硬件PCI插卡型PLC，控制性能与S7 400系列PLC中的412-2DP/416-2DP相同。 

   3.2  计算功能 

   WinAC提供标准的ActiveX控件，用于标准化软件包（如MS Visual Basic或Office）对过程数据的实时存取。同时，WinAC内置Software Container(ActiveX容器)用于集成自带的和第三方的ActiveX 控件。

   3.3  可视化功能 

   WinAC 提供两种与人机界面软件的连接方式：

   通过SIMATIC软件之间的内部集成，WinCC和ProTool/Pro是WinAC最优的可视化和数据存取工具；WinAC内置的OPC服务器可以完成与任何第三方的人机界面软件的集成。

   3.4  网络功能 

   WinAC提供连接 Profibus-DP通信板卡的驱动程序，用于连接远程I/O和电气驱动装置或进行远程编程调试。同时WinAC可以采用现成的PC技术，通过以太网和互联网实现与生产和管理网络的连接。

   3.5  工艺技术功能

   对于用户的特殊工艺要求，可配合西门子的功能模块来实现，或使用VB、VC、Java等高级语言编程，由WinAC ODK进行集成。

  
   4  WinAC对于PLC的优势

   4.1  处理能力较高

   众所周知，PC与PLC相比，在CPU、内存等方面具有明显的优势，当进行数据处理，尤其是模拟量处理或数学模型算法的运算时，PC的运算能力通常可以达到PLC的10倍或更高。WinAC 基本型和WinAC实时型采用PC机资源进行控制和运算，用户在编制程序时，具有更多的灵活性，而无需担心编制的程序超出内存容量等问题。例如，编制多回路控制系统时，PLC由于受到内存和运算速度等方面的限制，PID回路数通常有严格的限制，控制性能也不是非常理想。

   4.2  实时性较强

   传统的PLC具有硬实时特性，可以保证I/O扫描周期及中断的响应。PC采用的Windows NT/2000操作系统虽然不是实时系统，不能保证中断的响应时间或任务的执行周期的确定性，但是随着PC技术的发展，PC已具有比PLC更好的硬实时特性：PLC中每个扫描周期是固定的，包括I/O映像区刷新，程序从开始到结束每个梯段的扫描，其扫描周期需要至少10倍于最快的事件处理时间；在PC机中，如果采用功能块或流程图编程时(WinAC支持这些编程方式)，程序的执行是基于中断或I/O状态的变化，而无需执行所有的程序，这样就大大缩短了扫描周期。 另外多任务实时操作系统(RTOS)也保证了系统的精确性。Window CE 3.0的出现使基于PC的控制在实时性方面更进一步加强，经测试，Windows CE 3.0在实时性方面比任何PLC都强，可保证更精确的读写周期和程序循环周期。

   对于基于PC的自动化产品WinAC而言，WinAC插槽型PLC在主板集成了PLC的CPU、通信端口等，所有控制任务均在WinAC插槽型PLC中执行，具有与传统PLC几乎完全一样的实时特性。

   WinAC实时型(WinAC RTX)采用VenturCom公司提供的实时操作系统作为Windows NT的扩展，具有硬实时的特性。同时，WinAC RTX 3.1版本采用“等周期”处理方式，当远程I/O采用新的ET200S系列产品时，对于I/O的响应时间可精确到两个Profibus循环扫描周期。对于一些高速处理任务，如“飞剪”、包装机械、运动控制、冲压设备等，无疑是非常适合的解决方案。

   WinAC MP为基于Windows CE 3.0操作系统的软件型PLC，运行在MP370上(预装Windows CE 3.0， ProTool)，可保证系统对于实时性、精确性的要求。