作者：Jeff Shepard

　　工業(yè) 4.0 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員需要權(quán)衡可編程邏輯控制器 (PLC)、可編程自動化控制器 (PAC) 和工業(yè) PC (IPC) 之間的復(fù)雜性、靈活性和性能權(quán)衡，以優(yōu)化整體網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)性能。PLC提供了IEC 61131中標(biāo)準(zhǔn)化的相對簡單的可編程性，高速控制的優(yōu)點(diǎn)，并且可以支持快速部署，但缺乏PAC和IPC的靈活性。

　　PAC通常使用C或C++，具有更大的內(nèi)存容量，更多的功能和特性，更好的互操作性，并且編程更復(fù)雜，但在控制由多個(gè)基于PC的軟件應(yīng)用程序組成的復(fù)雜自動化系統(tǒng)架構(gòu)方面更強(qiáng)大。PAC 專為需要將 IPC 計(jì)算性能與 PLC 的魯棒性相結(jié)合的控制任務(wù)而設(shè)計(jì)。 已經(jīng)引入了PLC，可以使用IEC 61131或C和C++等更高級別的語言中標(biāo)準(zhǔn)化的更簡單的可編程性。

　　對于PLC和PAC之間的解決方案，設(shè)計(jì)人員可以轉(zhuǎn)向基于Microsoft Windows或Linux操作系統(tǒng)(OS)的IPC。這些 IPC 專為工業(yè)環(huán)境而設(shè)計(jì)，采用堅(jiān)固耐用的封裝，具有擴(kuò)展的溫度操作能力。無論是使用 PLC、PAC 還是 IPC，設(shè)計(jì)人員都必須考慮通過 IEC 62443 網(wǎng)絡(luò)安全要求認(rèn)證，以應(yīng)對自動化和控制系統(tǒng)中的操作技術(shù)。

　　本文首先回顧了在工業(yè)過程控制中選擇 PLC、PAC 和 IPC 時(shí)的編程、性能、模塊化和可擴(kuò)展性權(quán)衡，并探討了每種技術(shù)最適合的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)選項(xiàng)。它考慮了編程權(quán)衡和每個(gè)選項(xiàng)可用的輸入和輸出 (I/O) 數(shù)量，以及通信和特殊要求，如運(yùn)動控制或安全關(guān)鍵功能。最后，它展示了一個(gè)示例性的 PLC 菲尼克斯電氣，PAC 來自 美國ICP系統(tǒng) 和 研華， 以及三個(gè)IPC，一個(gè)來自研華，兩個(gè)來自 楓樹系統(tǒng).本文還詳細(xì)介紹了它們?nèi)绾沃С止I(yè)4.0安裝的需求。

　　編程和 I/O 的可用性是在 PLC、PAC 和 IPC 之間進(jìn)行選擇時(shí)的關(guān)鍵之一。PLC使用梯形邏輯進(jìn)行編程，通常針對需要簡單高速操作的機(jī)器控制進(jìn)行了優(yōu)化。與 PAC 或 IPC 相比，PLC 具有更小的存儲器和有限的 I/O。IPC 可能會面臨執(zhí)行實(shí)時(shí)控制的挑戰(zhàn)，并且 I/O 比 PAC 更有限。

　　使用標(biāo)準(zhǔn)操作系統(tǒng)意味著IPC通?？梢酝ㄟ^可重用的編程工具和預(yù)構(gòu)建的軟件應(yīng)用程序支持更短的開發(fā)時(shí)間。IPC 通常用于監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集 (SCADA) 架構(gòu)中的更高級別的控制功能。IPC 可以提供靈活的編程、大內(nèi)存、模塊化和人機(jī)界面 (HMI)，如觸摸屏平板顯示器。

　　基于 PC 的 IPC 架構(gòu)可以支持 USB、RS-232、RS-422/485 和以太網(wǎng)接口?，F(xiàn)場設(shè)備可以使用串行或USB連接，而以太網(wǎng)支持I/O控制和從工廠車間到企業(yè)更高級別的信息流。

　　可擴(kuò)展性和計(jì)算能力

　　PAC 非常適合具有廣泛過程控制和數(shù)據(jù)處理要求的安裝。與PLC和IPC相比，PAC可以處理更多的I / O，并且可以具有更多種類的模擬和數(shù)字I / O。它們還具有更大的內(nèi)存、更專用的特性和功能以及高水平的互操作性。雖然IPC具有基于PC的模塊化架構(gòu)，但PAC通常以多插槽格式提供，使工藝工程師能夠添加各種I/O組合和其他針對工廠自動化需求進(jìn)行優(yōu)化的模塊。

　　PAC 支持多種軟件，包括基于 PC 和 PLC 的軟件，如 IEC 61131 梯形邏輯。對于更高級的編程需求，PAC 可以處理用于 I/O 控制、數(shù)據(jù)處理和通信的 C、C++ 和 .NET 庫。PAC 將可擴(kuò)展性與高水平的計(jì)算能力相結(jié)合(圖 1)。

　　圖 1：PAC 提供計(jì)算能力和可擴(kuò)展性的最高組合。(圖片來源：研華)

　　當(dāng)然，使用 PLC、IPC 和 PAC 并不是“非此即彼”的選擇。大多數(shù)大型工業(yè)設(shè)施都采用混合設(shè)備。PLC長期以來一直用于機(jī)器控制。PAC通常更有效地處理機(jī)器人中的多軸運(yùn)動控制。IPC在密封外殼中采用復(fù)雜的散熱設(shè)計(jì)，使其能夠在更具挑戰(zhàn)性的環(huán)境條件下更深入地部署到工廠中。隨著工業(yè) 4.0 的不斷發(fā)展，PAC 也在不斷發(fā)展。PAC可以在控制應(yīng)用中與PLC競爭，在數(shù)據(jù)采集和通信應(yīng)用中與IPC競爭。

　　具有以太網(wǎng)通信的 PAC 支持以菊花鏈和直接堆棧等各種配置靈活部署 I/O 模塊。PLC 上的 I/O 的可靠性通常被認(rèn)為比 PAC 上的 I/O 更可靠，但這種情況已經(jīng)改變，PAC 可提供高度可靠的 I/O 模塊。PAC 提供高密度和熱插拔功能，并支持實(shí)時(shí)控制。PAC模塊也支持工業(yè)數(shù)據(jù)采集功能。PLC 在簡單應(yīng)用中比 PAC 更具成本效益，但也有一些相對簡單的 PAC。隨著工業(yè) 4.0 對邊緣計(jì)算、數(shù)據(jù)采集、控制和通信的需求不斷增加，PAC 可以成為一個(gè)有吸引力的選擇，結(jié)合了 PLC 和 IPC 的優(yōu)勢。工業(yè) 4 中的高性能控制系統(tǒng)架構(gòu)。0 需要 PLC、IPC 和 PAC 的最佳組合(圖 2)。

　　圖 2：PLC、IPC 和 PAC 用于工廠現(xiàn)場現(xiàn)場的本地自動化控制網(wǎng)絡(luò)。 (圖片來源：研華)

　　IEC 62443

　　IEC/ISO 62443系列標(biāo)準(zhǔn)旨在實(shí)現(xiàn)工業(yè)自動化系統(tǒng)從設(shè)計(jì)到實(shí)施以及持續(xù)管理和操作的安全運(yùn)行。它專注于工業(yè)控制系統(tǒng)(ICS)的網(wǎng)絡(luò)安全。IEC 62443 旨在與 IEC/ISO 27001 一起使用，后者規(guī)定了如何管理信息技術(shù) (IT) 系統(tǒng)中的信息安全。這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)相結(jié)合，提供了一種全面的方法來防范從工廠車間到企業(yè)信息技術(shù) (IT) 網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)威脅。IEC/ISO 62443 認(rèn)可五個(gè)安全級別 (SL)：

　　SL0：無需特殊保護(hù)。

　　SL1：防止無意濫用。

　　SL2：通過使用少量資源的簡單方法防止故意濫用。

　　SL3：通過了解ICS和適度資源的復(fù)雜手段防止故意濫用。

　　SL4：利用ICS知識和大量資源，通過復(fù)雜的手段防止故意濫用。

　　先進(jìn)的可編程控制器

　　需要高級 PLC 的應(yīng)用可以轉(zhuǎn)向 PLCnext Control AXC F 3152 系列，例如 1069208，來自菲尼克斯電氣。這些 PLC 包括三個(gè)獨(dú)立的以太網(wǎng)接口。他們有一個(gè) Linux 操作系統(tǒng)，實(shí)時(shí)支持 C、C++、C# 和 MATLAB Simulink 等高級語言，以及符合 IEC 61131-3 的標(biāo)準(zhǔn) PLC 編程(圖 3)。這些 PLC 還支持并行編程和編程語言的組合。在計(jì)算需求有限的應(yīng)用中，這些 PLC 提供了 PAC 的替代方案，最多可并排安裝多達(dá) 63 個(gè) I/O 模塊。這些控制器已通過 IEC/ISO 62443 認(rèn)證。為了加快應(yīng)用程序開發(fā)速度，網(wǎng)絡(luò)工程師可以使用簡單的云集成來添加開源軟件，包括應(yīng)用程序、軟件模塊、運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)和功能擴(kuò)展。

　　圖 3：1069208 PLC 支持 C、C++、C# 和 MATLAB Simulink 以及標(biāo)準(zhǔn) IEC 61131-3 編程語言。(圖片來源：菲尼克斯電氣)

　　政治行動委員會

　　對于復(fù)雜的控制任務(wù)，設(shè)計(jì)人員可以使用研華的ADAM 5000系列控制器。這些控制器將 PLC 的可靠性與 IPC 的靈活性和開放性相結(jié)合，并提供一系列配置，如 8 插槽 ADAM-5000/TCP-CE (圖 4)和四插槽 亞當(dāng)-5000/485-AE.ADAM 控制器可與 ADAM-5000 I/O 模塊(如 16 通道)結(jié)合使用 亞當(dāng)-5056SO-AE 數(shù)字 I/O?？刂破骰?ARM 32 位 RISC 處理器。功能包括：

　　自動協(xié)商 10/100Base-T 高速通信端口

　　Modbus/TCP 支持，易于集成

　　對事件處理的 UDP 支持

　　以太網(wǎng)通信，具有 1，500 Vdc 隔離，支持遠(yuǎn)程配置和長達(dá) 100 m 的通信距離，無需中繼器

　　C、C++ 和 .NET 庫以及 IEC 61131-3 語言作為編程工具提供

　　內(nèi)置看門狗定時(shí)器，用于系統(tǒng)自動復(fù)位

　　支持多達(dá) 8 個(gè)主機(jī) IPC 的并發(fā)訪問

　　圖 4：ADAM-5000/TCP-CE 具有 8 個(gè) I/O 模塊插槽，可滿足各種自動化和控制需求。(圖片來源：研華)

　　適用于小型系統(tǒng)的 PAC

　　對于需要復(fù)雜控制功能的小型系統(tǒng)，開發(fā)人員可以使用 IPC DAS USA 的 I-7188XBD-CAN 系列 PAC，該系列 PAC 由 80188-40 處理器提供支持，具有 512 KB 字節(jié)的閃存和 512 KB 的靜態(tài)隨機(jī)存取存儲器 (SRAM)?？捎玫耐ㄐ沤涌诎?CAN、RS-232 和 RS-485。內(nèi)置的MiniOS7操作系統(tǒng)支持使用C和C++編程。I-7188XBD-CAN 有一個(gè)集電極開路數(shù)字輸出通道和一個(gè)數(shù)字輸入通道。它與 CAN 規(guī)范 2.0 部件 A 和 B 兼容，可編程傳輸速率高達(dá) 1 兆比特/秒 (Mbps)(圖 5)。

　　圖 5：I-7188XBD-CAN PAC 由 80188-40 處理器供電。(圖片來源：IPC DAS USA)

　　工控機(jī)

　　IPC 有多種配置可供選擇，適用于各種工業(yè)環(huán)境。研華的TPC計(jì)算盒模塊，如 TPC-B200-E12AE， 額定工作溫度高達(dá) +60°C，由第 6 代英特爾酷睿/賽揚(yáng)處理器和 4 千兆字節(jié) (GB) DDR3L 靜態(tài) DRAM (SDRAM) 供電，可擴(kuò)展至 8 GB。它包括具有集成的可信平臺模塊 (TPM) 2.0 安全性的 Windows 10 IoT 企業(yè)操作系統(tǒng)，符合 IEC 62443-4-2 的 SL3 和 SL4 要求。 TPC 系列與工業(yè)級 LED LCD 觸摸屏顯示器(如 21 英寸)結(jié)合使用時(shí)，為工業(yè)網(wǎng)絡(luò)提供緊湊的無風(fēng)扇控制面板解決方案 FPM-D21W-BE.FPM 監(jiān)視器支持兩個(gè)獨(dú)立的視頻接口，具有畫中畫 (PiP) 功能，信號傳輸距離可達(dá) 100 m。

　　對于更苛刻的環(huán)境，楓葉系統(tǒng)提供 AEX-2410 擴(kuò)展溫度工業(yè)箱式 PC，具有 IP66 不銹鋼外殼，額定值為 1 級，2 級操作，帶有 M12 防水連接器。在易燃?xì)怏w、蒸氣和液體材料濃度不足以點(diǎn)燃的設(shè)施中，需要 1 類 2 分區(qū)外殼。這些 IPC 具有英特爾賽揚(yáng) N2930 四核 1.83 GHz 處理器和 Windows 操作系統(tǒng)。它們的額定工作溫度范圍為 -20°C 至 +60°C

　　網(wǎng)絡(luò)工程師可以求助于 PC1321BP-C04M7B，21.5英寸IPC從楓樹系統(tǒng)，當(dāng)有一個(gè)電容式觸摸顯示器IPC時(shí)。它基于具有多種內(nèi)存和存儲選項(xiàng)的英特爾奔騰N4200四核處理器，以及Windows 10 IoT 2019操作系統(tǒng)。它配有鋼制底盤和鋁制散熱器。AVEVA Edge 是一個(gè)高度可擴(kuò)展、靈活的軟件包，支持從高級 HMI/SCADA 實(shí)施到小尺寸嵌入式應(yīng)用程序的一系列應(yīng)用，也是一個(gè)可用的選項(xiàng)。這些 IPC 支持視頻電子標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會 (VESA) 安裝座的面板安裝。

　　總結(jié)

　　PLC、IPC 和 PAC 為工業(yè)過程控制網(wǎng)絡(luò)工程師提供了一系列工具，以構(gòu)建高性能、靈活和可擴(kuò)展的解決方案。此外，PLC、IPC 和 PAC 具有各種功能，這些功能可能會使選擇最佳設(shè)備組合變得復(fù)雜。最后，必須考慮編程語言、安全實(shí)現(xiàn)和操作環(huán)境的選擇。