0  前言

   自從美國數(shù)字設(shè)備公司（DEC）設(shè)計(jì)制造的第一臺(tái)PLC于1969年率先投入汽車工業(yè)應(yīng)用以來， PLC（可編程序控制器）為各行各業(yè)的用戶和設(shè)備配套廠商提供了高可靠性、快速和多功能的控制方案及系統(tǒng)，對(duì)世界范圍內(nèi)高水平工業(yè)化的迅速推進(jìn)做出了劃時(shí)代的巨大貢獻(xiàn)。

   PLC最初主要是為完成各種順序和邏輯控制任務(wù)（對(duì)應(yīng)于繼電器控制線路的功能）而設(shè)計(jì)開發(fā)的，隨著技術(shù)的進(jìn)步和需求面的擴(kuò)展，PLC系統(tǒng)又逐漸擴(kuò)充了過程（回路）控制、運(yùn)動(dòng)控制、通信和人機(jī)界面等功能?，F(xiàn)代的歐美主流PLC系統(tǒng)，借助于當(dāng)今最先進(jìn)的電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、圖形及圖像處理技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)和先進(jìn)的自動(dòng)化控制理論，在經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)化和DCS（分布式控制系統(tǒng)或稱集散系統(tǒng)）開發(fā)后，更是具備了功能強(qiáng)大、應(yīng)用方便的人機(jī)界面功能、DCS功能、PC功能、伺服運(yùn)動(dòng)控制功能和以互聯(lián)網(wǎng)、工業(yè)以太網(wǎng)和各種現(xiàn)場(chǎng)總線為主要構(gòu)架的網(wǎng)絡(luò)通信功能。

   其中性能優(yōu)良的Siemens的PCS 7系列（在TELEPERM系列集散系統(tǒng)和S7-400系列PLC的基礎(chǔ)上開發(fā)）、GE Fanuc的PA30和PA70系列（分別在90TM-30和90TM-70系列PLC的基礎(chǔ)上開發(fā)）DCS/PLC混合系統(tǒng)在過去幾年中已得到較為廣泛的應(yīng)用，而Rockwell AB最新推出的基于批處理、過程控制、SCADA應(yīng)用的開放型混合控制系統(tǒng)ProcessLogix也同樣優(yōu)秀。當(dāng)前控制系統(tǒng)總的發(fā)展趨勢(shì)是：PLC與DCS甚至PC的功能正在互相滲透，互相補(bǔ)充，而且都在朝著智能化、網(wǎng)絡(luò)化（FCS——現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)）、提高處理能力與實(shí)時(shí)性、高度開放和EIC（電氣、儀表和計(jì)算機(jī)）三電一體化的方向發(fā)展。

   然而，為實(shí)現(xiàn)更完善和更靈活的控制功能并滿足多層次的網(wǎng)絡(luò)通信的需要，使用PLC的工程師們不得不考慮已投運(yùn)的控制系統(tǒng)（特別是早期投入的系統(tǒng)）的更新?lián)Q代問題。雖然PLC在相當(dāng)長的一段時(shí)期中為各種用戶（主要是工業(yè)應(yīng)用）提供了有效的控制解決方法，但我們不能過分關(guān)注這些過去的成績(jī)，而應(yīng)以發(fā)展的眼光去探討更加完美的未來！

   本世紀(jì)初，德國Siemens公司開始在亞洲推廣應(yīng)用基于PC技術(shù)的自動(dòng)化系統(tǒng)WinAC，而美國GE Fanuc公司則在大約兩年前推出了一種全新概念的PAC系統(tǒng)，這是在當(dāng)前自動(dòng)化領(lǐng)域技術(shù)革命中兩種具有代表性而其技術(shù)理念互不相同，又不同于傳統(tǒng)的PLC和DCS的先進(jìn)自動(dòng)化系統(tǒng)。


   1  實(shí)現(xiàn)企業(yè)“管控一體化”要求更開放、更靈活和功能更全面的控制系統(tǒng)

   一般來說，PLC系統(tǒng)是基于專用架構(gòu)而構(gòu)成的，并為某一特定應(yīng)用中的主體設(shè)備的動(dòng)作和工藝需求而進(jìn)行系統(tǒng)配置和編程，此外，它們中的大部分還很難滿足實(shí)時(shí)性要求較高的系統(tǒng)和復(fù)雜的過程控制系統(tǒng)以及大型企業(yè)中日益增長的多層次（包括現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制與檢測(cè)、基礎(chǔ)自動(dòng)化、過程自動(dòng)化、生產(chǎn)執(zhí)行和經(jīng)營管理層）的數(shù)據(jù)通信需求。為實(shí)現(xiàn)這種需求，企業(yè)的自動(dòng)化系統(tǒng)經(jīng)常需要進(jìn)行整體升級(jí)。在最近幾年，很多自動(dòng)化和計(jì)算機(jī)公司已經(jīng)開始規(guī)劃與以前完全不同的工廠車間底層控制裝置和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，而且擬實(shí)現(xiàn)它們與過程級(jí)和企業(yè)管理級(jí)的數(shù)據(jù)通信。

   某些大型企業(yè)的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)所謂的“管控一體化”，它的重要技術(shù)特征是在進(jìn)行系統(tǒng)集成中，必須保證統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)通信、統(tǒng)一的組態(tài)和編程環(huán)境。

   自1973年英國J·Harrington博士提出CIMS計(jì)算機(jī)集成制造的概念以來，逐漸在機(jī)械工業(yè)及其它離散生產(chǎn)線工業(yè)形成了CIMS計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)，在石油、化工、冶金、電力、建材、輕工、醫(yī)藥、食品等流程生產(chǎn)線為主的行業(yè)形成了計(jì)算機(jī)集成生產(chǎn)系統(tǒng)(CIPS)，一般人對(duì)此兩者統(tǒng)稱為CIMS。由于計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和現(xiàn)代企業(yè)管理科學(xué)的發(fā)展，CIMS中管理和控制兩方面的軟硬件技術(shù)進(jìn)一步集成，加之需求方的制造商和產(chǎn)品用戶的利潤和客戶滿意度等項(xiàng)指標(biāo)的綜合要求，都需要管理和控制一體化，所以“管控一體化”的提法為更多的人接受。大家意識(shí)到要使企業(yè)與市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)接軌，要增強(qiáng)企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力，“管控一體化”的實(shí)施是當(dāng)務(wù)之急。“管控一體化”通常分為三層結(jié)構(gòu)，即BPS經(jīng)營計(jì)劃系統(tǒng)、MES制造執(zhí)行系統(tǒng)、PCS過程控制系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱為管理層/生產(chǎn)層/控制層）。有鑒于BPS層是以ERP企業(yè)資源計(jì)劃為主，故三層結(jié)構(gòu)表述為:ERP/MES/PCS。

   當(dāng)今對(duì)策劃“管控一體化”表現(xiàn)得最為積極的當(dāng)屬于工業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)品的供應(yīng)商，這些年來，各大著名公司分別推出了一系列的解決方案，下列系統(tǒng)均屬于“管控一體化”概念的范疇,但并不意味著它們均符合我們上面提到的具備開放、靈活、實(shí)時(shí)性和高處理能力等先進(jìn)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)，也不一定全面包含了“管控一體化”中三個(gè)層面的內(nèi)容： 

   西門子公司——全集成自動(dòng)化(TIA)；GE Fanuc公司 ——智能化生產(chǎn)管理(IPM) ；

   羅克韋爾公司(AB) ——電子化制造(e-Manufacturing) ；施耐德公司(MODICON) ——透明工廠；

   ABB公司——Industrial IT；Honeywell公司——Experion PKS系統(tǒng)； Foxboro公司——I/A Series A2系統(tǒng)；橫河電機(jī)公司——企業(yè)技術(shù)解決方案(ETS、e-RM)等。

   實(shí)現(xiàn)“管控一體化”意味著能獲得更多的商業(yè)利益：

   1） 較強(qiáng)的開放性使我們可采用不同公司生產(chǎn)的通用和標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品來構(gòu)成系統(tǒng)，還可在世界上任何地點(diǎn)設(shè)計(jì)和制造來拓展該標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品流程的全球化，做到盡可能地降低成本；

   2） 較強(qiáng)的靈活性將賦予制造業(yè)及時(shí)調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)工藝的能力，盡可能減少原材料和人力資源消耗，并對(duì)瞬息萬變的市場(chǎng)做出迅速的應(yīng)對(duì)；

   3） 優(yōu)越的操作性有助于企業(yè)生產(chǎn)更高級(jí)的產(chǎn)品，獲得更多利潤并擴(kuò)展業(yè)務(wù)；

   4） 完善的企業(yè)信息管理將加強(qiáng)企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力，并能更加合理、準(zhǔn)確地定位主體市場(chǎng)和業(yè)務(wù)。

 
   2  傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的局限性

   顯然，傳統(tǒng)的PLC系統(tǒng)很難提供構(gòu)成上述“管控一體化”所需的開放性和靈活性，因?yàn)橐延械拇罅科脚_(tái)和系統(tǒng)是配置來為企業(yè)中各條生產(chǎn)線的自動(dòng)化服務(wù)的。若某些系統(tǒng)的開發(fā)平臺(tái)和通信模式不完全兼容，則在這些設(shè)備和系統(tǒng)之間實(shí)現(xiàn)互操作和信息交換就相當(dāng)困難。

   與新的系統(tǒng)相比，傳統(tǒng)控制系統(tǒng)有以下一些局限性：

   1） 由于使用了不同供應(yīng)廠商的多種硬/軟件平臺(tái)，控制系統(tǒng)的集成將相當(dāng)復(fù)雜和困難：對(duì)于各個(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng)和過程，可能需要在不同的硬/軟件平臺(tái)下進(jìn)行開發(fā)；

   2） 當(dāng)考察、評(píng)價(jià)某種相對(duì)較新的自動(dòng)化技術(shù)及其實(shí)施價(jià)值時(shí)，用戶可能對(duì)采用該技術(shù)和產(chǎn)品比較猶豫，因?yàn)樗麄冾檻]該項(xiàng)新技術(shù)可能會(huì)很快變得過時(shí)；

   3） 將老系統(tǒng)升級(jí)后所能獲得的經(jīng)濟(jì)效益或許并不能補(bǔ)償對(duì)一個(gè)現(xiàn)有系統(tǒng)重新設(shè)計(jì)開發(fā)所花費(fèi)的時(shí)間和費(fèi)用；

   4） 現(xiàn)有的PLC系統(tǒng)處理能力不夠強(qiáng)，快速性不夠好，而且在容納不斷增長的數(shù)據(jù)量需要方面往往顯得力不從心；

   5） 開發(fā)的控制對(duì)象的數(shù)量、用戶和設(shè)計(jì)所需的工具和平臺(tái)經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致在定義和實(shí)施自動(dòng)化平臺(tái)時(shí)大規(guī)模的無可逆轉(zhuǎn)的延遲；

   6） 一旦開發(fā)完畢并正常投入運(yùn)行，一個(gè)專用控制系統(tǒng)可能在一種應(yīng)用中效果較好，但事實(shí)證明欲將其成功地移植到其它的應(yīng)用中卻非常困難。

   考慮到這些局限性，如前所述，PLC系統(tǒng)的功能在最近幾年中已經(jīng)作了較大的擴(kuò)展，它提供了較多的應(yīng)用靈活性和互操作性。然而，除幾家主流自動(dòng)化公司以外，大多數(shù)PLC的制造商直到現(xiàn)在還不能成功地定位和改進(jìn)他們的控制器來適應(yīng)這種革命性的變化，或者試圖擴(kuò)展這些工業(yè)應(yīng)用基礎(chǔ)的功能來滿足當(dāng)今變革巨大的多種控制技術(shù)方案的需要。

  
   3  什么是WinAC系統(tǒng)？

   SIMATIC WinAC是SIEMENS基于PC的自動(dòng)化控制產(chǎn)品，從功能上和產(chǎn)品系列上與其他基于PC的控制產(chǎn)品相比均有所區(qū)別。WinAC不是簡(jiǎn)單地將PLC替換為PC，而是將PLC和PC的功能完美地結(jié)合，包括控制功能、通信功能、可視化功能、網(wǎng)絡(luò)功能以及工藝技術(shù)等功能，產(chǎn)品包括WinAC插槽型、WinAC實(shí)時(shí)型、WinAC基本型和WinAC嵌入型等。

   3.1  WinAC 控制功能

   WinAC允許用戶使用普通PC或工業(yè)PC完成PLC的控制功能。WinAC基本型/實(shí)時(shí)型提供軟件PLC，采用PC機(jī)的硬件資源(如CPU、內(nèi)存、硬盤)來實(shí)現(xiàn)控制要求；WinAC插槽型提供硬件PCI插卡型PLC，控制性能與S7 400系列PLC中的412-2DP/416-2DP相同。 

   3.2  計(jì)算功能 

   WinAC提供標(biāo)準(zhǔn)的ActiveX控件，用于標(biāo)準(zhǔn)化軟件包（如MS Visual Basic或Office）對(duì)過程數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)存取。同時(shí)，WinAC內(nèi)置Software Container(ActiveX容器)用于集成自帶的和第三方的ActiveX 控件。

   3.3  可視化功能 

   WinAC 提供兩種與人機(jī)界面軟件的連接方式：

   通過SIMATIC軟件之間的內(nèi)部集成，WinCC和ProTool/Pro是WinAC最優(yōu)的可視化和數(shù)據(jù)存取工具；WinAC內(nèi)置的OPC服務(wù)器可以完成與任何第三方的人機(jī)界面軟件的集成。

   3.4  網(wǎng)絡(luò)功能 

   WinAC提供連接 Profibus-DP通信板卡的驅(qū)動(dòng)程序，用于連接遠(yuǎn)程I/O和電氣驅(qū)動(dòng)裝置或進(jìn)行遠(yuǎn)程編程調(diào)試。同時(shí)WinAC可以采用現(xiàn)成的PC技術(shù)，通過以太網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)與生產(chǎn)和管理網(wǎng)絡(luò)的連接。

   3.5  工藝技術(shù)功能

   對(duì)于用戶的特殊工藝要求，可配合西門子的功能模塊來實(shí)現(xiàn)，或使用VB、VC、Java等高級(jí)語言編程，由WinAC ODK進(jìn)行集成。

  
   4  WinAC對(duì)于PLC的優(yōu)勢(shì)

   4.1  處理能力較高

   眾所周知，PC與PLC相比，在CPU、內(nèi)存等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，當(dāng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，尤其是模擬量處理或數(shù)學(xué)模型算法的運(yùn)算時(shí)，PC的運(yùn)算能力通?？梢赃_(dá)到PLC的10倍或更高。WinAC 基本型和WinAC實(shí)時(shí)型采用PC機(jī)資源進(jìn)行控制和運(yùn)算，用戶在編制程序時(shí)，具有更多的靈活性，而無需擔(dān)心編制的程序超出內(nèi)存容量等問題。例如，編制多回路控制系統(tǒng)時(shí)，PLC由于受到內(nèi)存和運(yùn)算速度等方面的限制，PID回路數(shù)通常有嚴(yán)格的限制，控制性能也不是非常理想。

   4.2  實(shí)時(shí)性較強(qiáng)

   傳統(tǒng)的PLC具有硬實(shí)時(shí)特性，可以保證I/O掃描周期及中斷的響應(yīng)。PC采用的Windows NT/2000操作系統(tǒng)雖然不是實(shí)時(shí)系統(tǒng)，不能保證中斷的響應(yīng)時(shí)間或任務(wù)的執(zhí)行周期的確定性，但是隨著PC技術(shù)的發(fā)展，PC已具有比PLC更好的硬實(shí)時(shí)特性：PLC中每個(gè)掃描周期是固定的，包括I/O映像區(qū)刷新，程序從開始到結(jié)束每個(gè)梯段的掃描，其掃描周期需要至少10倍于最快的事件處理時(shí)間；在PC機(jī)中，如果采用功能塊或流程圖編程時(shí)(WinAC支持這些編程方式)，程序的執(zhí)行是基于中斷或I/O狀態(tài)的變化，而無需執(zhí)行所有的程序，這樣就大大縮短了掃描周期。 另外多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)也保證了系統(tǒng)的精確性。Window CE 3.0的出現(xiàn)使基于PC的控制在實(shí)時(shí)性方面更進(jìn)一步加強(qiáng)，經(jīng)測(cè)試，Windows CE 3.0在實(shí)時(shí)性方面比任何PLC都強(qiáng)，可保證更精確的讀寫周期和程序循環(huán)周期。

   對(duì)于基于PC的自動(dòng)化產(chǎn)品WinAC而言，WinAC插槽型PLC在主板集成了PLC的CPU、通信端口等，所有控制任務(wù)均在WinAC插槽型PLC中執(zhí)行，具有與傳統(tǒng)PLC幾乎完全一樣的實(shí)時(shí)特性。

   WinAC實(shí)時(shí)型(WinAC RTX)采用VenturCom公司提供的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)作為Windows NT的擴(kuò)展，具有硬實(shí)時(shí)的特性。同時(shí)，WinAC RTX 3.1版本采用“等周期”處理方式，當(dāng)遠(yuǎn)程I/O采用新的ET200S系列產(chǎn)品時(shí)，對(duì)于I/O的響應(yīng)時(shí)間可精確到兩個(gè)Profibus循環(huán)掃描周期。對(duì)于一些高速處理任務(wù)，如“飛剪”、包裝機(jī)械、運(yùn)動(dòng)控制、沖壓設(shè)備等，無疑是非常適合的解決方案。

   WinAC MP為基于Windows CE 3.0操作系統(tǒng)的軟件型PLC，運(yùn)行在MP370上(預(yù)裝Windows CE 3.0， ProTool)，可保證系統(tǒng)對(duì)于實(shí)時(shí)性、精確性的要求。