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來源：Digi-Key 作者：Jeff Shepard 工業(yè) 4.0 控制系統(tǒng)的設(shè)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(fù)雜性、靈活性和性能方面的權(quán)衡，以優(yōu)化整體網(wǎng)絡(luò)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。 PAC 通常使用 C 或 C++ 語言，具有更大的內(nèi)存容量、更多的功能和特性、更好的互操作性，雖然編程更復(fù)雜，但在控制多個 PC 軟件應(yīng)用程序組成的復(fù)雜自動化系統(tǒng)架構(gòu)方面更強大。PAC 專為需要結(jié)合 IPC 計算性能與 PLC 穩(wěn)健性的控制任務(wù)而設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)計人員都必須考慮對自動化和控制系統(tǒng)中的操作技術(shù)進行 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)過程控制時的編程、性能、模塊化和可擴展性權(quán)衡，并探討了每種技術(shù)最適合的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方案。此外，還介紹了在編程方面的權(quán)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(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(yīng)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(guān)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(nèi)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(fù)使用的編程工具和預(yù)置的軟件應(yīng)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(gòu)中的更高級控制功能。IPC 可以提供靈活的編程功能、大內(nèi)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(gòu)可支持 USB、RS-232、RS-422/485 和以太網(wǎng)接口。現(xiàn)場設(shè)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(yīng)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(nèi)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(gòu)，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）。 
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(yīng)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(shè)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(yīng)用中與 PLC 相媲美，并可在數(shù)據(jù)采集和通信應(yīng)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(yīng)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(jié)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(gòu)需要 PLC、IPC 和 PAC 的最佳組合（圖 2）。
圖 2：PLC、IPC 和 PAC 用于工廠現(xiàn)場的本地自動化控制網(wǎng)絡(luò)。（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(shè)計到實施以及持續(xù)管理和操作的安全運行。該標準側(cè)重于工業(yè)控制系統(tǒng) (ICS) 的網(wǎng)絡(luò)安全。IEC 62443 設(shè)計搭配 IEC/ISO 27001 使用，后者規(guī)定了如何管理信息技術(shù) (IT) 系統(tǒng)中的信息安全。這兩個標準相結(jié)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(shù) (IT) 網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)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(fù)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(fù)雜手段的故意濫用。 高級 PLC 需要高級 PLC 的應(yīng)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(yīng)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(yīng)用開發(fā)，網(wǎng)絡(luò)工程師可以借助簡單的云集成來添加開源軟件，包括應(yīng)用程序、軟件模塊、運行時系統(tǒng)和功能擴展。
圖 3：1069208 PLC 支持 C、C++、C# 和 MATLAB Simulink 以及標準 IEC 61131-3 編程語言。（圖片來源：Phoenix Contact） PAC 對于復(fù)雜的控制任務(wù)，設(shè)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(jié)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(nèi)置看門狗定時器，用于系統(tǒng)自動復(fù)位 · 支持多達 8 個主機 IPC 的并發(fā)訪問
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(fù)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)。可用通信接口包括 CAN、RS-232 和 RS-485。內(nèi)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）。
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(jié)合，為工業(yè)網(wǎng)絡(luò)提供了緊湊和無風(fēng)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(shè)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(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(nèi)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(yīng)用，從高級 HMI/SCADA 實施到小型嵌入式應(yīng)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(jié) PLC、IPC 和 PAC 為工業(yè)過程控制網(wǎng)絡(luò)工程師提供了各種工具，可用于構(gòu)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(shè)備組合變得復(fù)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。 |
