plc, PACs, pc, fpga:解码差异

当谈到机器控制时，工程师们比以往有更多的技术选择:可编程逻辑控制器(plc)，运动控制器，可编程自动化控制器(PACs)，工业pc，甚至嵌入式解决方案，如现场可编程门阵列(fpga)。在你从字母表的混乱中做出决定之前，你必须知道从哪里开始。在这里，我们提供了一个理解技术基础的跳板。

几十年来，自动化依赖于机电继电器作为主要的控制结构。继电器基本上是用来开关的。因此，即使是简单任务的控制也需要嵌套继电器层:一个继电器控制设备的开关，第二个继电器控制第一个继电器的电源开关。每一个都必须独立连接。除了最简单的设计，系统很快就变得昂贵、复杂和耗电，而且仅机柜就占用了大量空间。更糟糕的是，这些继电器墙几乎没有灵活性。改变机器的功能或操作参数通常需要对硬件进行大规模的更改，这是昂贵的、耗时的和困难的。

1968年，理查德·莫雷(Richard Morley)发明了可编程逻辑控制器(PLC)，作为一种更灵活、更健壮、更紧凑的替代品。¹

可编程逻辑控制器
PLC是一种坚固的控制设备，由一个微处理器和内存，以及一些外围设备组成。最初的设备是用梯形逻辑编程的，以方便习惯继电器的电工。最近，为了保持IEC 61131标准，它们可以用多种其他语言进行编程，包括结构化文本和函数块。

与继电器相比，plc有几个关键的优点。它们更加紧凑——即使对于高度复杂的系统，继电器的壁也会减少到数量更少的plc。它们更节能、更经济。它们也更健壮。它们从一开始就为在极端环境下使用而设计，使它们能够承受冲击和振动、极端温度、电磁干扰和污染。不过，最大的好处是它们提供的灵活性。许多变化可能发生在软件而不是硬件上。

plc擅长计数、计时和I/O管理等任务。虽然最初它们只有离散逻辑功能，但现在的版本支持模拟函数。如今，大多数设备都具有内置连接功能。这是很重要的，因为plc的所有逻辑功能在功能上是有限的。虽然PLC可以处理几个运动轴，但更新速率可能太慢，除非是最基本的应用程序。具有更高轴数和更高度同步运动的系统，使用PLC来运行机器，并使用专用运动控制器来关闭各个轴上的速度和位置循环，从而工作得更好。这既提高了性能，又减少了PLC的计算负担，为其他活动腾出了周期。

这种集中运动控制架构的缺点是它需要在控制器、驱动器和电机之间进行长电缆连接。这又会增加成本和故障点。此外，这种集中控制柜占用宝贵的空间，需要主动冷却以避免电子故障，所有这些都进一步提高了价格和复杂性。

或者，运动控制任务可以由智能驱动器承担。在早期，这些类型的分布式运动控制架构被认为只适用于简单的动作;例如，他们不能有效地描述一个圆。今天的智能驱动器不仅支持基本运动，而且可以在主从架构中连接在一起，以支持复杂的运动轮廓和路径。这些驱动器足够坚固，可以在没有温控柜保护的情况下安装在机器上。一些版本还支持安全功能，可以用于保护操作人员、提高吞吐量和减少停机时间。

(注:这些分布式运动控制体系结构不同于分布式控制系统(dcs)，后者主要包含过程工业解决方案，涉及将某些过程控制功能从PLC卸载到专用子系统)。

可编程自动化控制器
上述基于plc的系统类型可能是有效的，但需要专业知识、时间和努力来实现。在20世纪90年代，供应商开始开发将逻辑和I/O与附加功能集成在一起的控制设备。2001年，ARC咨询小组(dedeham, Massachusetts)用PAC这个名字来描述这种新方法。这是一个产生了一定争议的术语，作为一个简单的新词，功能高度的PLC，但越来越多的行业合并为PACs作为一个独特的产品类别。

pac包括多个处理器来处理各种功能，而不仅仅是基本逻辑和I/O。这些功能包括数字(例如运动控制)、模拟(例如过程控制)和串行(来自测试设备、键盘、扫描仪等的I/O)任务。因为pac已经包含了这些功能，所以它们消除了集成PLC和运动控制器所涉及的时间和精力。因此，它们在离散制造业中越来越受欢迎。

pac支持多种编程语言和连接选项。它们可以基于plc或专用处理器。那些配备了定制处理器的处理器具有更高的功能速率——例如，100,000个I/O点，而相比之下，基于plc的版本只有1000个。也就是说，除了最大和最复杂的操作，基于plc的pac可以很好地完成这项工作。有趣的是，ARC Advisory的最新分析报告称，在离散制造中，基于PLC的pac已经开始夺取PLC的市场份额，以至于他们预测，作为替换部件的纯PLC的需求将超过其在新产品中的使用(另一项声明可能会产生争议)。²

基于pc的控制
另一个能够提供更大灵活性的控制选项是软运动使能的PC．为了与软件定义功能技术的总体趋势保持一致，基于pc的运动可以让原始设备制造商轻松地定制他们的系统，同时对控制硬件保持或多或少的透明。这种方法让集成商和oem可以自由选择适合其应用程序的功能和语言。这是一种对那些有It /编程背景的人更有吸引力的方法。

早期，生产中使用的pc在可靠性方面存在重大问题。与plc不同的是，plc从一开始就是为恶劣环境下的操作而设计的，离散制造中使用的pc是不能忍受典型工厂环境条件的商品机器。Windows操作系统使它们容易受到系统不稳定和操作员的干扰。然而，这种情况已经改变。今天的工业pc已经被加固，从上到下，与环境保护和移除任何移动部件。像VMware这样的管理程序允许将单个核心划分为多个独立的分区，这些分区相互独立地运行，一直到操作系统。这使得运动应用程序可以在Linux或健壮的专有实时操作系统(RTOS)的分区上运行，同时与支持HMI或机器视觉系统的Windows分区完全隔离。

嵌入式控制
与之相反的是嵌入式控制系统，它利用现场可编程门阵列(fpga)来使用硬件而不是软件来定制性能。对于传统控制解决方案无法满足的特殊要求，fpga提供了比更昂贵和难以开发的特定应用集成电路(ASIC)更容易实现的解决方案。该方法可用于解决一次性、高性能项目，如带有数千个驱动器的分段望远镜，而传统PLC/PAC解决方案无法解决这些问题。另外，fpga可用于在高度复杂的系统中卸载控制逻辑和I/O触发等任务，释放CPU周期来处理更复杂的任务，如轨迹生成。

前面是这些控制选项的高级摘要。也就是说，每一个都存在于一个广泛的连续统一体中，在运动控制的维恩图的高端和低端与其他部分重叠。当今一些最复杂的plc可以提供接近于更简单的pac的性能。最好的pac所拥有的处理能力可以与软性运动相媲美。甚至连中继也加入了进来，增加了一定数量的可编程性。

为您的应用程序找到最合适的解决方案不仅需要考虑功能和性能，还需要考虑成本、生命周期，以及构建和维护系统的人员的技能集。与您的供应商和最终用户密切合作，以确保您正在创建一个可扩展的系统，足以支持您未来10年或20年的制造需求，同时还将是一个终端用户能够在所有时间内保持最高性能的系统。

参考文献

1. PLC的历史这是霍华德·亨德里克斯告诉他的迪克莫理．
2. 可编程逻辑控制器(plc)和基于plc的可编程自动化控制器(PACs)， ARC咨询集团，2015年8月21日。

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