plc, pac, pc, fpga:解码差异

说到机器控制，如今的工程师拥有比以往更多的技术选择:可编程逻辑控制器(plc)、运动控制器、可编程自动化控制器(pac)、工业pc，甚至是现场可编程门阵列(fpga)等嵌入式解决方案。在你在字母汤里游来游去做决定之前，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，即使是对一个简单任务的控制也需要嵌套的继电器层:一个继电器打开和关闭设备，第二个继电器关闭和打开第一个继电器的电源。每一个都必须独立布线。除了最简单的设计外，系统很快就变得昂贵、复杂、耗电，而且仅机柜就消耗了大量的空间。更糟糕的是，这些继电器墙几乎没有灵活性。更改机器的功能或操作参数通常需要对硬件进行大规模更改，这既昂贵、耗时又困难。

1968年，Richard Morley创造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)
PLC是一种坚固的控制设备，由微处理器和存储器以及选定的外围设备组成。最初的设备是使用梯形逻辑编程的，以使它们对习惯继电器的电工友好。最近，为了保持IEC 61131标准，它们可以用各种其他语言编程，包括结构化文本和功能块。

与继电器相比，plc具有几个关键的优点。它们更紧凑——即使对于高度复杂的系统，继电器的壁也减少到plc的数量少得多。它们更节能、更经济。它们也更健壮。它们从一开始就设计用于极端环境，使它们能够忍受冲击和振动、极端温度、EMI和污染。不过，最大的好处是它们提供的灵活性。许多变化可以发生在软件而不是硬件上。

plc擅长计数、计时和管理I/O等任务。尽管最初它们只有离散逻辑功能，但现代版本支持模拟功能。如今大多数设备都具有内置连接功能。这一点很重要，因为对于所有的逻辑功能来说，plc的功能是有限的。虽然PLC可以处理几个运动轴，但更新速度对于除最基本应用外的任何应用都太慢。具有更高轴数和更高同步运动的系统，通过PLC运行机器和专用运动控制器来关闭各个轴上的速度和位置循环，可以更好地工作。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。

这种集中式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时间的布线。这些反过来又增加了成本和故障点。此外，这种集中式控制柜占用了宝贵的地板空间，需要主动冷却以避免电子设备故障，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只被认为适合简单的移动;例如，它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的运动，而且可以在主从架构中连接在一起，以支持复杂的运动配置文件和路径。这些驱动器足够坚固，可以安装在机器上，不需要气候控制柜的保护。一些版本还支持安全功能，可用于保护操作人员，提高吞吐量和减少停机时间。

(注意:这些分布式运动控制体系结构与分布式控制系统(dcs)不同，dcs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(pac)
上面描述的基于plc的系统类型可能是有效的，但需要专业知识、时间和精力来实现。在20世纪90年代，供应商开始开发集成逻辑和I/O的控制设备，并具有额外的功能。2001年，ARC咨询小组(马萨诸塞州戴德姆)提出了PAC这个名字来描述这种新方法。这是一个术语，产生了一定的争议，因为它只是一个功能强大的PLC的新词，但越来越多的行业已经将pac合并为一个独特的产品类别。

pac包括多个处理器，用于处理基本逻辑和I/O以外的各种功能。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。例如，由于pac已经包含了这些功能，因此它们省去了将PLC与运动控制器集成的时间和精力。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。配备定制处理器的产品具有更高的功能性——例如，100,000个I/O点，而基于plc的版本只有1000个I/O点。也就是说，除了最大和最复杂的操作外，基于plc的pac可以很好地完成工作。有趣的是，ARC咨询公司的最新分析报告显示，在离散制造业中，基于PLC的pac已经开始占领PLC的市场份额，他们预测对纯PLC作为替换部件的需求将超过其在新产品中的使用(另一个公告可能会引起争议)。²

基于pc的控制
另一个提供更大灵活性的控制选项是PC支持软运动．为了与软件定义功能的技术趋势保持一致，基于pc的运动让原始设备制造商可以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。这种方法使集成商和原始设备制造商可以自由选择适合其应用程序的功能和语言。这种方法对有It /编程背景的人更有吸引力。

早期，用于制造业的个人电脑在可靠性方面存在重大问题。与plc不同，plc从一开始就被设计为在恶劣的环境中运行，用于离散制造的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已经加固，从上到下，具有环保和删除任何移动部件。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，这些分区彼此独立运行，直到操作系统。这使得运动应用程序可以运行在带有Linux或健壮的专有实时操作系统(RTOS)的分区上，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
另一方面，嵌入式控制系统利用现场可编程门阵列(fpga)，通过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异常需求，fpga提供了比更昂贵且难以开发的专用集成电路(ASIC)更易于使用的解决方案。该方法可用于解决一次性的高性能项目，如具有数千个执行器的分段望远镜，而传统的PLC/PAC解决方案无法解决这些问题。另外，fpga可用于卸载高度复杂系统中的控制逻辑和I/O触发等任务，释放CPU周期以处理更复杂的任务，如轨迹生成。

以上是对这些控制选项的高级总结。也就是说，每一个都存在于一个广泛的连续体上，在维恩图的高端和低端与其他的重叠，这就是运动控制。当今一些最复杂的plc可以提供接近简单pac的性能。最好的pac拥有与软动作相媲美的处理能力。甚至继电器也加入其中，增加了一定程度的可编程性。

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。与您的供应商和最终用户密切合作，以确保您创建的系统具有足够的可扩展性，以支持您未来十年或二十年的制造需求，同时也是最终用户能够在所有时间内保持最佳性能的系统。

参考文献

1. PLC的历史，正如霍华德·亨德里克斯所说迪克莫理．
2. 可编程逻辑控制器(plc)和基于plc的可编程自动化控制器(pac)， ARC咨询集团，8/21/2015。

进一步的阅读

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