PLC、PAC,还是IPC——如何为应用程序选择最佳的控制器?

本文来自于《控制工程中文版》（CONTROL ENGINEERING China ）2017年7月刊，原标题为：如何为应用程序选择最佳的控制器？

要想弄清楚每种控制器适用于哪种应用，需要考虑不同工业控制器的功能特性和典型应用环境。你的工厂所需要的是PLC、PAC，还是IPC？参见本文中PLC、PAC和IPC详细功能对照表。



随着可编程逻辑控制器（PLC）、可编程自动化控制器（PAC）、工业计算机（IPC）之间功能的日益趋同，自动化控制器的应用也日益广泛。这些控制器可以应用在离散、过程或混合控制应用场合，只是在程度上有所差别。但是，为应用选择合适的控制器，需要用什么标准来衡量？

为了便于理解到底哪种控制器最适合于某个应用场合，需要识别不断趋同的自动化控制器功能，仔细考察典型应用，深入了解控制器之间的相似性和差异。

弄清控制系统类型

由于有很多控制器可供选择，因此对各种不同类型的控制器有一个基本的了解非常重要。即使对每一种类型的控制系统（如PLC），也会有从低端到高端等一些列不同类型的产品线，每个产品线都有广泛的功能（见图1）。



图1：现在，有很多种类型的控制器，用户可以根据其特定应用选择合适的控制器。所有图片来源：AutomationDirect

作为最初继电器的替代产品，PLC面世于近50年前。PLC适用于控制各种各样的应用。虽然很多应用PLC的场合，输入/输出（I/O）形式固定，扩展性很小，但最常见的PLC是模块化的机架式设计（通常被称为模块式PLC），可以根据系统需求灵活配置I/O。PLC的中央处理单元（CPU），是典型的定制控制器，因此具有较少的串口和以太网通信功能。虽然也有其它选项，但PLC一般采用梯形图编程，这是一个在价格上非常有竞争力的机器控制选择。

PAC是新一代PLC。尽管这些控制器外形和设计与PLC相似，但PAC所应用的最新技术，则来自于个人消费领域电脑和移动设备的创新，从而使其具有更先进的功能。与PLC相比，PAC系统通常有更强大的通信和数据记录功能。

PAC系统也具有多种编程语言，这些编程语言一般满足国际电工委员会（IEC）61131-3的编程标准，该标准将控制功能延伸到高端应用中。但即使具备高端编程能力，PAC最基本的编程语言仍然是梯形图逻辑。

IPC就是可以在工业环境中可靠运行的PC。但随着更先进的部件设计和更紧凑的操作系统，工控机已经和最常见的两种工业电脑：桌面PC或盘台安装的平板电脑，大不相同。

现在的IPC，大多被设计成导轨式安装或机架安装，这样就可以拓展应用空间。因为IPC的核心就是PC，理论上其最大处理能力、通信和数据存储能力是PLC或PAC无法比拟的。

早期的IPC，受到强烈批评，因为它们并没有想象中的那样强大，这主要是因为它们的操作系统很不稳定，但现在的IPC已经大大改善。

控制器功能比较

选择控制方案需从应用开始，有很多因素需要考虑。有一点非常重要：应当充分了解应用程序的需求、期望从控制系统获得的结果，从而可以准确确定所需的功能。

控制器功能范围广泛，从最基本的需求（如总的I/O要求），到更详细的规格书（比如数据处理能力）等等。为应用选择控制器，需要考虑表1中所列的特征。

表1： PLC、PAC和IPC的主要特性比较


要注意的是，任何排名都会带有不同程度的主观分析，不同的人可能会给出不同的结果。

串行通信在工业领域获得了广泛的应用，已经存在了一段时间，而且未来可能会持续下去。串行通信具有通过RS-232和RS-485数字数据链路与许多标准进行有效通信的能力，但以太网通信已经抢占了串行通信的部分市场，而且将来会继续在工业物联网（IIoT）和其它基于Web的应用程序方面继续抢占市场。除了适应于IIoT，以太网还能与具有典型10/100 Mbps连接的标准设备通信。

标准通信协议，诸如Modbus远程终端单元（RTU）、Modbus传输控制协议（TCP）、EtherNet/IP、Profinet等主流的通信协议，具有与典型工业设备进行通信的能力。客户定制的通信协议允许控制器与使用同样协议的非标工业设备进行通信。

为了存储控制器程序、I/O，以及存储应用程序数据文件、标签名称、描述等，需要合适的内存。强大的CPU功能，确保控制器具有足够的计算能力来满足应用需求，比如快速扫描次数、逻辑、数据和通信处理以及其它等功能。

简单的编程，为最基本的机器和系统控制提供了一个便捷的环境。在这种情况下，通常使用某一种语言，如梯形图逻辑。增强的编程语言提供了一个更灵活、但也更复杂的用户界面，包括梯形图、结构化文本、功能图以及指令集等各种编程选项。

内置数据记录，提供了将系统I/O点直接送入PLC内存进行存储的能力（见图2）。IIoT应用要访问大量数据，因此需要更先进的功能，来实现数据复制、存储、发布、数据库访问、远程访问和电子邮件推送通知等。数据和应用安全方面的增强功能，可以通过用户名和密码进行内置，但它通常在控制器的上一层：如人机界面（HMI）来实现。最后列出的功能，在某些情况下可能是最重要的功能，就是基于系统平均成本价格。



图2：高端PLC在工业物联网（IIoT）领域运行的很好，主要是因为配置了内置数据记录、数据处理以及先进的通信功能。

从应用环境考量

根据不同的应用需求，有的控制系统的功能要好于其它的系统，但这种判断往往会因人和每种工作环境的不同而有所差异（见表2）。

表2：工业控制器在典型应用中的性能表现


再次提醒，所有这些排名都是主观的，对于不同的应用，结果可能因人而异。

适合机器控制的PLC

PLC最适合和最常见的应用可能就是机器控制应用。PLC最初的设计，就是用于机器控制，这也就是为什么现在机器控制是PLC主要应用领域的原因。由于模块化PLC设计成本低、体积小、便于使用，使其非常适用于很多机器控制应用。PLC硬件成本和软件成本都比较低，而且编程方法简单，使其成为原始设备制造商（OEM）青睐的选择。

非常重要的一点，要注意PLC和PAC的功能正在重合。功能差距不断缩小，扩大了每种类型控制器的适用范围。因此，下面讨论的很多PAC功能，也都可以在高端PLC实现。

PAC不断扩大控制应用

对于任何控制应用，PAC控制器很可能都会是一个合适的选择。利用简单的数据记录，PAC可以访问控制器内的数据，对工厂进行优化。

由于具有更多的I/O点、更大的扩展内存、更高的数据收集能力，适合PAC的场合越来越广（见图3）。协调运动功能以及集成视觉功能使PAC从PLC中脱颖而出，将其提升到IPC层次。



图3：由于具有广泛的特性和功能， PAC涵盖了PLC和工业IPC之间的地带，并与两者功能显著重叠。

PAC通常可以处理多轴运动控制以及两轴或更高层级的协调运动。如果需要，有些PAC可以进行环形内插法，控制八个或更多轴的运动。PAC配置的高速通信，使其可以与智能视觉传感器进行通信，来回传递实时数据。这也使得在PAC内实施视觉运动控制成为可能。

用于过程控制的IPC系统

IPC非常适合具有比例-积分-微分（PID）和其它算法控制要求的过程控制应用。这些项目更复杂，往往具有更多的模拟I/O点数，因此通常需要更高水平的数学和先进PID控制功能。

由于具有强大的数据采集能力和丰富的通信选项，分布式数据采集与控制应用场合非常适合于IPC。在许多工厂中，较小的装置系统通常分布在整个设施内，一般拥有自己的基于PLC的控制，并利用这些PLC与中央IPC进行通信。

混合控制应用

尽管与PAC功能多有重叠，IPC仍然非常适合批量和连续过程控制，以及与自动化机器一起协同工作，从原料进入到产品输出，形成一个完整的生产制造过程。在整个工艺过程内，这些应用的控制系统，可以连接位于多个装置内的扩展应用，也可以使用多个协调处理器.

选择最优控制器，从应用开始，需要考虑很多因素。很多应用程序可以通过PLC、PAC、或IPC控制，但通常会有某种控制器最适合。花费一定的时间，为应用程序选择合适类型的控制器，就可以获得最简单、性价比最好的控制系统。