基于PC的工业自动化控制优缺点分析

过去一段时间，在工业控制领域形成有两个竞争阵线，有些说PC能很好地用于控制，而有些人说PC永远不适合用于工厂的环境。今天，这些竞争对手很容易接受PC机用于许多工业生产控制的现状，因为一个接一个的制造商已经在部分生产中采用了PC控制方案。因此，传统上坚持PC是办公机器，不适合工厂灰尘环境的观点也会发生转变。
　　Beckhoff 是基于 PC 的自动化技术的先驱者之一：早在 1986 年，Beckhoff 的第一个 PC 控制系统就已问世。如今，Beckhoff 已将积累多年的专有技术应用到工业 PC 中。Beckhoff 工业 PC 与 TwinCAT 自动化软件相结合，提供了一个用于实现 PLC、NC 以及 CNC 功能的高性能控制系统。
　　德国Beckhoff公司创始人Hans Beckhoff最主张依靠基于PC控制技术来推动自动化市场。在1985年他开发了第一个基于DOS的系统之后，他就没有回头。软件是PC控制系统工作的关键，在Beckhoff哲学中，增加硬件被认为适得其反。Beckhoff的成功有两个关键点：
　　1. 所有工作由一个平台上的软件完成。
　　2. 向客户提供所需要的所有东西，客户不必在其它地方购买其它部件。
　　
　　但PC不会取代PLC等传统控制模式，因为基于PC的工业控制方案供应商主要开发软件。不管软逻辑多么重要（基于PC的控制，俗称‘软’控制或‘软’逻辑），它仅占整个自动化项目的5%的份额，而大约50%_{60%的成本在I/O和电动机驱动等部分，工业PC可能占10%}20%，即使软逻辑公司取得了很大成功，也仍然要面临集成问题。制造业本身很清楚：他们希望购买整个系统，而不是分散的各个部件；这里购买PC，那里购买软件包，另一个地方购I/O总线是不可取的。我们经常遇到这样的例子：顾客说他们需要开放系统，但是到最后，他们通常从同一个供应商那里购买所有部件，他们真正所需要的是他们希望保证不被一些设备故障卡住，而在必要时可以转向另一个供应商。（即需要可靠、标准的设备）
　　另外，Windows系统也许是软件工作者的最爱，但这对工厂底层控制而言，有很大问题。Windows对工厂的计算机来说负担太重，计算机需要数千兆的磁盘空间，而在工业现场，希望没有任何旋转部件，因为会使计算机反应速度慢、产生不确定性。因此，如果将Windows用于工业控制，可能需要增加协处理器板、使用固态硬盘、扩展实时性能或者修改内核。但是，以任何方式修改Windows系统都不再被认为是开放式结构，而是专用的PC控制系统，有它自己的局限和支持标准。所以一般认为，PC控制的新希望是Windows CE操作系统，它占用空间非常小、具有实时性能，并且开放部分源代码，如今工业界已经有很多WinCE的产品了。

下面我们将针对基于PC的工业控制系统（PCBCS）和其他控制系统相比存在的优势和不足进行分析。

从21世纪中期工业控制系统的出现以来，工业生产自动化的程度不断提高，应用于工业控制现场的仪器仪表种类，系统中需要采集、处理和控制的信号越来越多、越来越复杂，这就使得工业控制系统的地位在整个工业发展中越发变得重要。为了适应整个工业生产的发展，现代工业控制系统随着社会生产的发展而不断的发展和进步。和模拟仪表、PLC、DCS、FCS等控制系统相比，基于PC（适用于工业现场的工业PC或普通PC）的工业控制系统（PC-Based Control System, PCBCS）能更加快速有效地进行数据处理和相互通讯，能灵活地在工业控制环境中控制各个终端并且相互之间能快速通信，也使得控制系统能和上层管理系统紧密结合在一起，便于生产的监控和管理。而且，更重要的是，它是一种完全开发的系统，非常利于产品的开发维护和升级，所以其在工控领域得到了普遍认同，相关的应用领域迅速扩大，成为工控领域的一种新趋势。
　　
PCBCS的组成结构和它的开放性
　　PCBCS控制系统主要由三部分组成：PC；智能或非智能的I/O组件；特定应用软件。PC一般指工业PC机，有时也可能是普通PC，视工作环境而定。PC是整个控制系统的核心，具备数据处理，获取数据信息，发出控制信号、与其他PC通信及操作显示等多项功能。I/O组件一般指控制终端，数据采集终端及其连接件。这些组件主要应用于现场环境下，是整个控制系统的外围结构，不仅包括普通的I/O端口，也包括一些智能终端，甚至是小型的PLC等，控制着整个自动化生产线。特定的应用软件安装于PC中，指挥和协调整个控制系统能够稳定有效地工作，相对于硬件电路变得简单和模块化，硬件成本的大大降低，应用软件的编制相对变得复杂。
　　相对于以前的DCS、FCS等控制系统，PCBCS是一个在各方面完全开放的控制系统。其他控制系统，如PLC、DCS等控制系统虽然整体性能优越，系统集成性好，但是开放性不好，接口数量有一定限制，成本相对较高，产品升级和改造受限。最近兴起的FCS，虽然总线协议是开放的，但仍然存在着多种现场总线共存的局面，很难有某一种总线协议完全取代其他总线协议。也造成了产品开发和维护的极大不便。PCBCS则不存在这些问题，允许任何人在已有系统软件基础上开发自己的应用软件，软件的编制自由度大大提高，并不需要某种协议来约束。应用于系统的组件也是完全开放的，不用再像以前那样必须选用遵循某一协议或是某一公司专有的组件，用户可以在某一通用标准上选择性能更好，价格更合理的产品用以系统的设计和维护，大大降低了产品的开发和维护费用。

PCBCS控制系统的优点主要可以概括为以下几个方面：
一、系统成本大大降低
　　随着大规模集成电路的飞速发展，20世纪90年代中期以来，计算机技术的迅猛发展使得微型计算机的各种性能有了大幅度的提升，而其价格却变得非常低。相对于微处理器和PLC等人机界面（HMI），PC具有极大的性价比。并且，和PLC、DCS、FCS等相比，PCBCS控制系统不仅在数据处理速度，海量存储等方面无可比拟。在相关信号采集处理的板卡，电源、机架、机柜、接线等方面的投资也会大大降低。PC的低成本，高速度，在应用软件基础上的易操作性，人机界面等，都是PLC等控制设备望尘莫及的。同样采用串行总线，不同现场总线的设备可以方便地接入PC，通过应用软件来处理，废弃了以前设备间的复杂连线，设备的成本也大大降低。对于不具有智能化，数字化的简单设备，还可以直接和PC相连，用模拟信号（通过处理板卡）与PC通信。

二、处理速度和通信速度非常快，信息存储量大
　　PC具有高速的处理速度、可靠的操作平台、海量存储、网络化、智能化等相关优点。当进行数据处理（如模拟量运算）时，PC的运算速度通常是PLC、DCS的百倍以上。而且PC的存储量非常大，系统相关数据的存取非常方便。数据通信方面，随着网络技术的发展，基于PC级的高速处理速度已相当成熟。PC的通讯技术，无论是PC间通信，还是PC与I/O组件间通信，通信速度都非常快，如果通信线路的负荷过大，可以用多个PC分段控制，然后各个PC之间再进行网络通信。这样也能大大保证整个系统的稳定性。对于出问题的部分也可以快速隔离开系统。

三、易于将过程控制、批量控制以及运动控制等合为一体
　　生产自动化要求整个控制系统高度集成，保证整个生产系统协调工作。PC可以通过专门设计的多通道的输入输出板卡将大量的模拟、数字、脉冲、开关量等信号进行采集并处理，通过PC的高速处理，可以高速地进行系统中某条生产线的过程控制，某一执行机构的运动控制，及现场多个部件的批量控制和逻辑控制。以高速的处理器、海量内存、多线程处理和高速通信为基础，PC控制相对较大的系统时更具优势。它可以更好地整合所有相关系统，有更好的协调能力和更快的处理速度。

四、系统设计、调试和维护简单，上层信息的存取很简便更快，更好的设计出整个控制系统。
　　因为PCBCS是一个开放的系统，基于已有的技术成果和相关知识，工程师可以更快、更好地设计出整个控制系统。因为PC的人机界面友好，接口非常简单，元器件的通用性好，所以整个系统的调试和维护也非常简单。也是由于PC，系统中信息的存取非常方便，和其他上层之间的通讯也非常简单，相关信息可以做到一目了然。

五、系统软件的可移植性好
　　虽然PCBCS在硬件方面大大节省了成本，但在软件编制方面却变得相对困难。但是，PCBCS系统软件的可移植性好，只有在做某一个新项目时软件编制有困难，如果有其他相关软件作参考，或在已有软件基础上升级，那么软件的编制将会变得很简单，很容易地开发出新的或升级的软件。在现有的PCBCS基础上，软件的开发也不再是一个难题。

六、控制、人机界面及编程功能易于集成等
　　由于PC具有良好的人机界面，在控制过程中，各种相关信息逐一显示，使操作者很容易对整个系统进行操作，实现整体控制。消除控制总的不利因素，完成控制任务。并且，操作者也可以进行实时编程，实现其他一些系统所不能完成的功能

不足：
　　首次是PC应用于工业环境受限。工业现场环境比较恶劣，温度、湿度、灰尘、电磁干扰等许多不利因素限制了PC的现场应用。不过现有的工业级PC的稳定性能已非常高，能满足大部分现场的要求。而且，现有的PCBCS大多避免了PC直接应用于现场，大多采用智能下位机，如PLC或其他智能设备，而用现场之外的PC通过与之快速通信来控制整个系统。而且，这一模式下各个智能设备之间独立于PC通信，发生故障可以立即隔离发生故障的模块，保证系统稳定，也避免了PC直接应用于现场。
　　其次PC自身的稳定性也还没有达到非常完美。虽然PC的各项性能有了极大提高，稳定性也大大增强，但应用于PCBCS中的PC要求有极高的稳定性，这也是限制PC应用于控制系统的一个重要因素。但基于PC的低成本，我们可以使用一台或两台PC作为备用机应用于系统，他们和当前机同步工作，一旦当前主机发生故障，备用机可立即检测到并投入到工作中，保证了系统的正常运行。
　　再有就是通信线路可能过饱和。虽然PC可以快速处理大量数据，但如果大量数据通过一组或几组串行总线进行传输，通信性能就会大大降低。可以采取的办法是采用多台PC进行信息的采集和处理，PC之间再可通过以太网高速通信，虽然这样会是系统复杂性有所提高，但系统响应时间会大大缩短。也可以对现场的一些简单的或不重复的信号用嵌入式系统进行处理，保证重要信号的及时响应。

由上面可以看出，PCBCS作为控制系统的主体在性能和成本方面优势非常明显。但在底层控制中存在不足。而DCS、FCS是基于仪表的控制系统，在底层控制中有着显著的优越性。它通过现场总线连接各检测控制装置，通过一组或几组网络线把来自不同厂家，不同标准的数量庞大的传感器、执行器、回路调节器和其他仪表连接起来，实现数据交互。这样不仅降低了系统造价，而且提高了工程进度和系统的可靠性，所以它可以作为PCBCS中一种不可或缺的补充。

并且，在当今这个时代，全球范围内的网络信息化程度很高，电脑应用技术非常广泛，每个企业、公司的正常工作对计算机的互联网系统越来越重视。这种电脑网络应用在很大程度上提高了人们的工作效率，然而互联网的这种开放性也对各个行业的信息安全带来很大的隐患。怎样控制内部系统的资源、保护已有的各种数据、预防侵入病毒是所有行业都要考虑的问题。在这些行业中，工业控制中的工控机网络安全是最需要考虑的。
　　为了可以避免网络侵袭，建立安全、高效的互联网的平台，保护企业资源以及数据安全，网络中出现了查杀病毒的软件和防火墙。网络防火墙是企业内部网络和企业外部网络之间、专业网络和共享网络之间起到安全隔离的屏障，把通过共同线路的网络信息进行严格的处理，使众多的内部网络使用者避免受到非法人员的网络攻击，限制用户的不合理的非法操作，这样就很好的预防了许多黑客对普通用户以及企业计算机系统的恶性攻击或者破坏。
　　但是，随着黑客技术的不断提高，防火强的防护作用就显得不够好了，尤其是其中的软件部分。所以，在发展的历程中，硬件防火墙就起到了重要的作用。比如，嵌入式硬件，它有比较高的处理速度，高效的吞吐量，以及可以在高流量的工作环境下运行的依旧稳定。

总结：
　　基于PC的控制系统一般认为有如下优点：PC价格低、数据处理能力强，系统及软件易于安装和使用，应用项目开发周期短、人机交互性好，网络通信方便，具有高级诊断功能，软件透明性更好，系统维护成本低等。
　　例如，生产过程中的信息可以通过软件而不是硬件从一处传送到另一处，而且数据可以收集到excel中，可以方便分类、求平均值等，从而更好地理解工具的使用和机器异常。

而在实际的PC控制系统开发中，主要考虑以下几个问题：

Windows系统是否足够稳定（能否保证持续运行不宕机）
Windows系统能否保证实时响应（除WinCE外都是非实时系统，进行实时扩展会增加成本）
网络通信要求实时性高，网络传输要有确定性
数据安全，以及工业现场联网后如何保证网络安全

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