來源：Digi-Key
作者：Jeff Shepard
工業(yè) 4.0 控制系統(tǒng)的設計人員需要在可編程邏輯控制器 (PLC)、可編程自動化控制器 (PAC) 和工業(yè) PC (IPC) 之間進行復雜性、靈活性和性能方面的權衡，以優(yōu)化整體網(wǎng)絡和系統(tǒng)性能。PLC 具有相對簡單的 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。
(相關資料圖)
PAC 通常使用 C 或 C++ 語言，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 PC 軟件應用程序組成的復雜自動化系統(tǒng)架構方面更強大。PAC 專為需要結合 IPC 計算性能與 PLC 穩(wěn)健性的控制任務而設計。已經(jīng)推出的 PLC 可以使用更簡單的 IEC 61131 標準化編程，或更高級的語言，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(tǒng) (OS) 的 IPC。這種 IPC 專為工業(yè)環(huán)境設計，采用堅固的封裝，具有擴展的工作溫度范圍。無論是使用 PLC、PAC 還是 IPC，設計人員都必須考慮對自動化和控制系統(tǒng)中的操作技術進行 IEC 62443 網(wǎng)絡安全要求認證。
本文首先回顧了選擇 PLC、PAC 和 IPC 用于工業(yè)過程控制時的編程、性能、模塊化和可擴展性權衡，并探討了每種技術最適合的網(wǎng)絡架構方案。此外，還介紹了在編程方面的權衡、每個方案可用的輸入和輸出 (I/O) 數(shù)量，以及運動控制或安全關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，以及一款來自 Advantech 和兩款來自 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 之間進行選擇時，編程和 I/O 的可用性是其中兩個關鍵因素。PLC 使用梯形邏輯進行編程，通常針對要求簡單和高速工作的機器控制進行優(yōu)化。與 PAC 或 IPC 相比，PLC 的內存更小、I/O 數(shù)有限。IPC 在執(zhí)行實時控制方面可能會面臨挑戰(zhàn)，而且與 PAC 相比，它的 I/O 數(shù)更為有限。
IPC 使用標準操作系統(tǒng)，意味著通常能夠通過可重復使用的編程工具和預置的軟件應用程序縮短開發(fā)時間。IPC 通常用于監(jiān)督控制和數(shù)據(jù)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(xiàn)場設備可以使用串行或 USB 進行連接，而以太網(wǎng)支持 I/O 控制和從工廠車間到企業(yè)高層的信息流。
可擴展性與計算能力
PAC 很適合具有廣泛過程控制和數(shù)據(jù)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(shù)字 I/O。PAC 還擁有更大的內存、更多的專用特性和功能，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，使過程工程師能夠混合添加各種 I/O 和其他針對工廠自動化需求進行優(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(shù)據(jù)處理和通信。PAC 兼具可擴展性和高水平計算能力（圖 1）。
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圖 1：PAC 提供計算能力和可擴展性的最優(yōu)組合。（圖片來源：Advantech）
當然，使用 PLC、IPC 和 PAC 并不是“非此即彼”的選擇。多數(shù)大型工業(yè)應用都混合采用各種器件。長期以來，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控制。IPC 在密封的外殼中采用先進的散熱設計，能夠更深入部署到工廠中更具挑戰(zhàn)性的環(huán)境。隨著工業(yè) 4.0 的不斷發(fā)展，PAC 也在不斷發(fā)展。PAC 現(xiàn)已可在控制應用中與 PLC 相媲美，并可在數(shù)據(jù)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(xiàn)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，并支持實時控制。此外，也有支持工業(yè)數(shù)據(jù)采集功能的 PAC 模塊。在簡單的應用中，PLC 可能比 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 對邊緣計算、數(shù)據(jù)采集、控制和通信的需求不斷增加，PAC 可能會成為頗具吸引力的方案，它結合了 PLC 和 IPC 的優(yōu)點。工業(yè) 4.0 中的高性能控制系統(tǒng)架構需要 PLC、IPC 和 PAC 的最佳組合（圖 2）。
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圖 2：PLC、IPC 和 PAC 用于工廠現(xiàn)場的本地自動化控制網(wǎng)絡。（圖片來源：Advantech）
IEC 62443
IEC/ISO 62443 系列標準旨在實現(xiàn)工業(yè)自動化系統(tǒng)從設計到實施以及持續(xù)管理和操作的安全運行。該標準側重于工業(yè)控制系統(tǒng) (ICS) 的網(wǎng)絡安全。IEC 62443 設計搭配 IEC/ISO 27001 使用，后者規(guī)定了如何管理信息技術 (IT) 系統(tǒng)中的信息安全。這兩個標準相結合，可提供一套全面的保護方法，防范從工廠車間到企業(yè)信息技術 (IT) 網(wǎng)絡的網(wǎng)絡威脅。IEC/ISO 62443 規(guī)定了 5 個安全等級 (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簡單手段的故意濫用。
· SL3：防止使用適度資源、利用 ICS 知識通過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 個獨立的以太網(wǎng)接口，并采用 Linux 操作系統(tǒng)，實時支持高級語言，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 I/O 模塊。這些控制器通過了 IEC/ISO 62443 認證。為了加快應用開發(fā)，網(wǎng)絡工程師可以借助簡單的云集成來添加開源軟件，包括應用程序、軟件模塊、運行時系統(tǒng)和功能擴展。
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圖 3：1069208 PLC 支持 C、C++、C# 和 MATLAB Simulink 以及標準 IEC 61131-3 編程語言。（圖片來源：Phoenix Contact）
PAC
對于復雜的控制任務，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(shù)字 I/O。這些控制器基于 ARM 32 位 RISC 處理器。特性包括：
· 自動協(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 語言作為編程工具
· 內置看門狗定時器，用于系統(tǒng)自動復位
· 支持多達 8 個主機 IPC 的并發(fā)訪問
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圖 4：ADAM-5000/TCP-CE 有 8 個 I/O 模塊插槽，支持各種自動化和控制需求。（圖片來源：Advantech）
用于小型系統(tǒng)的 PAC
對于需要復雜控制能力的小型系統(tǒng)，開發(fā)人員可以使用 IPC DAS USA 的 I-7188XBD-CAN 系列 PAC，該系列 PAC 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(tǒng)，支持使用 C 和 C++ 編程。I-7188XBD-CAN 有一個開集數(shù)字輸出通道和一個數(shù)字輸入通道。其符合 CAN 規(guī)范 2.0 的 A 和 B 部分，可編程的傳輸速率高達 1 Mbps（圖 5）。
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圖 5：I-7188XBD-CAN PAC 采用 80188-40 處理器。（圖片來源：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(tǒng)，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)絡提供了緊湊和無風扇的控制面板解決方案。FPM 監(jiān)視器支持兩個獨立的視頻接口，具有畫中畫 (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 2 區(qū)環(huán)境。在有濃度不足以點燃的易燃氣體、蒸汽和液體材料的設施中，需要采用 1 類 2 區(qū)外殼。這些 IPC 采用 Intel Celeron N2930 四核 1.83 GHz 處理器和 Windows 操作系統(tǒng)。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，網(wǎng)絡工程師可以選用 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(tǒng)。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，它是一個高度可擴展的靈活軟件包，支持一系列應用，從高級 HMI/SCADA 實施到小型嵌入式應用。這些 IPC 支持視頻電子標準協(xié)會 (VESA) 支架的面板安裝。
總結
PLC、IPC 和 PAC 為工業(yè)過程控制網(wǎng)絡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，必須考慮編程語言、安全實現(xiàn)和工作環(huán)境的選擇。
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