|
來(lái)源：Digi-Key 作者：Jeff Shepard 工業(yè) 4.0 控制系統的設計人員需要在可編程邏輯控制器 (PLC)、可編程自動(dòng)化控制器 (PAC) 和工業(yè) PC (IPC) 之間進(jìn)行復雜性、靈活性和性能方面的權衡，以?xún)?yōu)化整體網(wǎng)絡(luò )和系統性能。PLC 具有相對簡(jiǎn)單的 IEC 61131 標準化編程、高速控制以及支持快速部署等優(yōu)勢，但缺乏 PAC 和 IPC 的靈活性。 PAC 通常使用 C 或 C++ 語(yǔ)言，具有更大的內存容量、更多的功能和特性、更好的互操作性，雖然編程更復雜，但在控制多個(gè) PC 軟件應用程序組成的復雜自動(dòng)化系統架構方面更強大。PAC 專(zhuān)為需要結合 IPC 計算性能與 PLC 穩健性的控制任務(wù)而設計。已經(jīng)推出的 PLC 可以使用更簡(jiǎn)單的 IEC 61131 標準化編程，或更高級的語(yǔ)言，如 C 和 C++。 對于介于 PLC 和 PAC 之間的解決方案，設計人員可以選用基于 Microsoft Windows 或 Linux 操作系統 (OS) 的 IPC。這種 IPC 專(zhuān)為工業(yè)環(huán)境設計，采用堅固的封裝，具有擴展的工作溫度范圍。無(wú)論是使用 PLC、PAC 還是 IPC，設計人員都必須考慮對自動(dòng)化和控制系統中的操作技術(shù)進(jìn)行 IEC 62443 網(wǎng)絡(luò )安全要求認證。 本文首先回顧了選擇 PLC、PAC 和 IPC 用于工業(yè)過(guò)程控制時(shí)的編程、性能、模塊化和可擴展性權衡，并探討了每種技術(shù)最適合的網(wǎng)絡(luò )架構方案。此外，還介紹了在編程方面的權衡、每個(gè)方案可用的輸入和輸出 (I/O) 數量，以及運動(dòng)控制或安全關(guān)鍵功能等的通信和特殊要求。最后介紹了 Phoenix Contact 的典范 PLC，ICP DAS USA 和 Advantech 的 PAC，以及一款來(lái)自 Advantech 和兩款來(lái)自 Maple Systems 的 IPC。本文還詳細介紹了這些產(chǎn)品如何支持工業(yè) 4.0 應用的需求。 在 PLC、PAC 和 IPC 之間進(jìn)行選擇時(shí)，編程和 I/O 的可用性是其中兩個(gè)關(guān)鍵因素。PLC 使用梯形邏輯進(jìn)行編程，通常針對要求簡(jiǎn)單和高速工作的機器控制進(jìn)行優(yōu)化。與 PAC 或 IPC 相比，PLC 的內存更小、I/O 數有限。IPC 在執行實(shí)時(shí)控制方面可能會(huì )面臨挑戰，而且與 PAC 相比，它的 I/O 數更為有限。 IPC 使用標準操作系統，意味著(zhù)通常能夠通過(guò)可重復使用的編程工具和預置的軟件應用程序縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間。IPC 通常用于監督控制和數據采集 (SCADA) 架構中的更高級控制功能。IPC 可以提供靈活的編程功能、大內存、模塊化和人機界面 (HMI)，如觸摸屏平板顯示器。 IPC 基于 PC 的架構可支持 USB、RS-232、RS-422/485 和以太網(wǎng)接口�，F場(chǎng)設備可以使用串行或 USB 進(jìn)行連接，而以太網(wǎng)支持 I/O 控制和從工廠(chǎng)車(chē)間到企業(yè)高層的信息流。 可擴展性與計算能力 PAC 很適合具有廣泛過(guò)程控制和數據處理要求的應用。與 PLC 和 IPC 相比，PAC 可以處理更多 I/O，并且可以有更多的模擬和數字 I/O。PAC 還擁有更大的內存、更多的專(zhuān)用特性和功能，以及高水平的互操作性。雖然 IPC 具有基于 PC 的模塊化架構，但 PAC 通常具有多插槽形式，使過(guò)程工程師能夠混合添加各種 I/O 和其他針對工廠(chǎng)自動(dòng)化需求進(jìn)行優(yōu)化的模塊。 PAC 可以支持各種軟件，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 C、C++ 和 .NET 庫，用于 I/O 控制、數據處理和通信。PAC 兼具可擴展性和高水平計算能力（圖 1）。 
圖 1：PAC 提供計算能力和可擴展性的最優(yōu)組合。（圖片來(lái)源：Advantech） 當然，使用 PLC、IPC 和 PAC 并不是“非此即彼”的選擇。多數大型工業(yè)應用都混合采用各種器件。長(cháng)期以來(lái)，PLC 一直被用于機器控制。PAC 通常能更高效地處理機器人中的多軸運動(dòng)控制。IPC 在密封的外殼中采用先進(jìn)的散熱設計，能夠更深入部署到工廠(chǎng)中更具挑戰性的環(huán)境。隨著(zhù)工業(yè) 4.0 的不斷發(fā)展，PAC 也在不斷發(fā)展。PAC 現已可在控制應用中與 PLC 相媲美，并可在數據采集和通信應用中與 IPC 一較高下。 采用以太網(wǎng)通信的 PAC 支持在各種配置（如菊花鏈和直接堆棧）中靈活部署 I/O 模塊。通常認為 PLC 上的 I/O 比 PAC 上的 I/O 更可靠，但這種情況已經(jīng)有所改變，PAC 現在可提供高度可靠的 I/O 模塊。PAC 具有高密度和熱交換能力，并支持實(shí)時(shí)控制。此外，也有支持工業(yè)數據采集功能的 PAC 模塊。在簡(jiǎn)單的應用中，PLC 可能比 PAC 更具成本效益，但也有一些相對簡(jiǎn)單的 PAC。隨著(zhù)工業(yè) 4.0 對邊緣計算、數據采集、控制和通信的需求不斷增加，PAC 可能會(huì )成為頗具吸引力的方案，它結合了 PLC 和 IPC 的優(yōu)點(diǎn)。工業(yè) 4.0 中的高性能控制系統架構需要 PLC、IPC 和 PAC 的最佳組合（圖 2）。
圖 2：PLC、IPC 和 PAC 用于工廠(chǎng)現場(chǎng)的本地自動(dòng)化控制網(wǎng)絡(luò )。（圖片來(lái)源：Advantech） IEC 62443 IEC/ISO 62443 系列標準旨在實(shí)現工業(yè)自動(dòng)化系統從設計到實(shí)施以及持續管理和操作的安全運行。該標準側重于工業(yè)控制系統 (ICS) 的網(wǎng)絡(luò )安全。IEC 62443 設計搭配 IEC/ISO 27001 使用，后者規定了如何管理信息技術(shù) (IT) 系統中的信息安全。這兩個(gè)標準相結合，可提供一套全面的保護方法，防范從工廠(chǎng)車(chē)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 規定了 5 個(gè)安全等級 (SL)： · SL0：不需要特殊保護。 · SL1：防止意外誤用。 · SL2：防止使用少量資源通過(guò)簡(jiǎn)單手段的故意濫用。 · SL3：防止使用適度資源、利用 ICS 知識通過(guò)復雜手段的故意濫用。 · SL4：防止使用大量資源、利用 ICS 知識通過(guò)復雜手段的故意濫用。 高級 PLC 需要高級 PLC 的應用可以選用 Phoenix Contact 的 PLCnext Control AXC F 3152 系列，如 1069208。該系列 PLC 包括 3 個(gè)獨立的以太網(wǎng)接口，并采用 Linux 操作系統，實(shí)時(shí)支持高級語(yǔ)言，如 C、C++、C# 和 MATLAB Simulink，以及符合 IEC 61131-3 的標準 PLC 編程（圖 3）。這些 PLC 還支持并行編程和編程語(yǔ)言組合。在計算需求有限的應用中，這些 PLC 可替代 PAC，最多可以并排安裝 63 個(gè) I/O 模塊。這些控制器通過(guò)了 IEC/ISO 62443 認證。為了加快應用開(kāi)發(fā)，網(wǎng)絡(luò )工程師可以借助簡(jiǎn)單的云集成來(lái)添加開(kāi)源軟件，包括應用程序、軟件模塊、運行時(shí)系統和功能擴展。
圖 3：1069208 PLC 支持 C、C++、C# 和 MATLAB Simulink 以及標準 IEC 61131-3 編程語(yǔ)言。（圖片來(lái)源：Phoenix Contact） PAC 對于復雜的控制任務(wù)，設計人員可以選用 Advantech 的 ADAM 5000 系列控制器。這款控制器兼具 PLC 的可靠性與 IPC 的靈活性和開(kāi)放性，并提供多種配置，如 8 插槽 ADAM-5000/TCP-CE（圖 4）和 4 插槽 ADAM-5000/485-AE。ADAM 控制器可以與 ADAM-5000 I/O 模塊結合使用，如 16 通道 ADAM-5056SO-AE 數字 I/O。這些控制器基于 ARM 32 位 RISC 處理器。特性包括： · 自動(dòng)協(xié)商 10/100Base-T 高速通信端口 · 支持 Modbus/TCP，易于集成 · 支持 UDP 事件處理 · 具有 1,500 Vdc 隔離且支持遠程配置的以太網(wǎng)通信，無(wú)需中繼器即可達到 100 m 的通信距離 · 提供 C、C++ 和 .NET 庫以及 IEC 61131-3 語(yǔ)言作為編程工具 · 內置看門(mén)狗定時(shí)器，用于系統自動(dòng)復位 · 支持多達 8 個(gè)主機 IPC 的并發(fā)訪(fǎng)問(wèn)
圖 4：ADAM-5000/TCP-CE 有 8 個(gè) I/O 模塊插槽，支持各種自動(dòng)化和控制需求。（圖片來(lái)源：Advantech） 用于小型系統的 PAC 對于需要復雜控制能力的小型系統，開(kāi)發(fā)人員可以使用 IPC DAS USA 的 I-7188XBD-CAN 系列 PAC，該系列 PAC 采用 80188-40 處理器，具有 512 KB 的閃存和 512 KB 的靜態(tài)隨機存取存儲器 (SRAM)�？捎猛ㄐ沤涌诎� CAN、RS-232 和 RS-485。內置 MiniOS7 操作系統，支持使用 C 和 C++ 編程。I-7188XBD-CAN 有一個(gè)開(kāi)集數字輸出通道和一個(gè)數字輸入通道。其符合 CAN 規范 2.0 的 A 和 B 部分，可編程的傳輸速率高達 1 Mbps（圖 5）。
圖 5：I-7188XBD-CAN PAC 采用 80188-40 處理器。（圖片來(lái)源：IPC DAS USA） IPC IPC 提供多種配置，適用于各種工業(yè)環(huán)境。Advantech 的 TPC 計算盒模塊（如 TPC-B200-E12AE）額定工作溫度高達 +60°C，采用第六代 Intel Core/Celeron 處理器和 4 GB DDR3L 靜態(tài) DRAM (SDRAM)，最高可擴展至 8 GB。該模塊搭載 Windows 10 IoT Enterprise 操作系統，集成可信平臺模塊 (TPM) 2.0 安全功能，符合 IEC 62443-4-2 的 SL3 和 SL4 要求。該 TPC 系列與 FPM-D21W-BE 這樣的 21 英寸工業(yè)級 LED 液晶觸摸顯示屏相結合，為工業(yè)網(wǎng)絡(luò )提供了緊湊和無(wú)風(fēng)扇的控制面板解決方案。FPM 監視器支持兩個(gè)獨立的視頻接口，具有畫(huà)中畫(huà) (PiP) 功能，信號傳輸距離可達 100 m。 針對更嚴苛的環(huán)境，Maple Systems 提供了 AEX-2410 擴展溫度范圍的工業(yè)箱式 PC，采用 IP66 等級的不銹鋼外殼并配備 M12 防水連接器，適合用于 1 類(lèi) 2 區環(huán)境。在有濃度不足以點(diǎn)燃的易燃氣體、蒸汽和液體材料的設施中，需要采用 1 類(lèi) 2 區外殼。這些 IPC 采用 Intel Celeron N2930 四核 1.83 GHz 處理器和 Windows 操作系統。額定工作溫度范圍為 -20°C 至 +60°C 當需要使用電容式觸摸顯示屏 IPC 時(shí)，網(wǎng)絡(luò )工程師可以選用 Maple Systems 的 PC1321BP-C04M7B 21.5 英寸 IPC。該款 IPC 基于 Intel Pentium N4200 四核處理器，有多種內存和存儲選項，并搭載 Windows 10 IoT 2019 操作系統。作為可選配置提供集成 Wi-Fi 通信，并配備鋼制機箱和鋁制散熱器。此外，還可選擇 AVEVA Edge，它是一個(gè)高度可擴展的靈活軟件包，支持一系列應用，從高級 HMI/SCADA 實(shí)施到小型嵌入式應用。這些 IPC 支持視頻電子標準協(xié)會(huì ) (VESA) 支架的面板安裝。 總結 PLC、IPC 和 PAC 為工業(yè)過(guò)程控制網(wǎng)絡(luò )工程師提供了各種工具，可用于構建高性能、靈活和可擴展的解決方案。此外，PLC、IPC 和 PAC 功能各不相同，使選擇最佳設備組合變得復雜。最后，必須考慮編程語(yǔ)言、安全實(shí)現和工作環(huán)境的選擇。 |
