PLC、PAC和IPC的区别与优势

通常，我们对于“差异”的定义为：趋向不同或者沿着不同的方向发展；很多公司经常以一种细微的方式，努力实现差异化，以便赢得竞争，这是一种非常普遍的现象。

而对于对工业控制器来讲，“趋同”是描述市场状态和现有特性的最佳词汇。“趋同”被定义为：越来越接近，尤其是在特性或者理念上。这更适合于定义目前工业自动化市场上，可编程逻辑控制器（PLC）、可编程自动控制器（PAC）和工业PC（IPC）之间的关系。让我们近距离观察一下，不同类型的工业控制器之间的趋同是如何实现的。

控制器的发展历史

首先，Dick Morley发明了PLC。PLC的发明和Modicon的创建，充分展示了什么是真正的创业天才，它永久的改变了设备控制的方式。在过去45年间，这种继电器的替代品变换了无数种方式，已经从单纯的逻辑计算，转换为很多自动化系统所采用的真正的多任务处理核心。

PAC，该名称最早于2001年，由ARC咨询集团公司最先提出，它在市场上提供了一些有别于PLC的特性。一方面，市场仍然存在很多传统控制器，另一方面，在工业控制领域内，一大批新技术正被应用到控制中。

图1：automationDirect P2000将PAC的强大功能和PLC的模块化外形和可靠性结合起来，就是基于PLC的PAC系统的典型例子。图片源：AutomationDirect。

和PAC相关的大多数创新，都源于PC技术以及其它商用技术的发展，比如1990年代中期移动电话技术的发展。这些技术的飞速发展为工业新产品的革新带来了契机。由消费驱动的市场，突然开始生产同时适应于工业控制的、体积更小、价格更低、速度更快的元器件。最初，很多部件被认为并不具备工业品质，但是这种情况很快就发生了变化。

实际上，IPC的出现要早于PAC，至少在1980年代中期就出现了。第一代IPC体积庞大、价格昂贵，比如IBM的IPC，其体积和50马力的电机产不多，价格约为10,000美元。但是随着时间的发展，IPC的体积和价格逐步接近、甚至要优于PLC 或 PAC。

由于微软公司的台式机操作系统，对于实时控制系统而言，缺乏足够的鲁棒性或确定性，因此IPC存在的一个问题就是开放系统。解决方法就是创建实时操作系统主机，这样就将IPC硬件转变为适用于工业应用的高性能控制设备。

在这些不同的平台之间，有某些独特的特性；但是正如过去几年我们所见到的一样，彼此之间的界线正在加速模糊、逐步消失。

表1：通用PLC、PAC与IPC的比较

最新技术的发展，已经使得PLC的功能越来越强大，远远超过了45年前所设计的最原始的继电器替代产品。表1所列出的内容，不能代表每种控制器类型的特性，但是可以从通用角度，提供一种评估不同类型控制器的参考方法。

最基础的PLC

以最基本形式出现的PLC，是很多工业控制应用的主力军，通常可以运行10年甚至更长的时间，而仅需要很少的维护。经常与专用门阵列处理器和专有通讯协议配套使用，这些控制器在设备控制和简单的过程控制应用，比如水/污水泵站中，比较受欢迎。它们的梯形图逻辑编程，非常适合于控制简单和复杂的自动化顺序控制，但是在控制逻辑变量和数据处理方面则有所欠缺。

由于安装空间或模块化的外形较小，因此PLC在空间受限的情况下，非常受欢迎。尽管其扩展能力相对受限，但是由于硬件和编程软件的成本较低，因此PLC在原始设备制造商（OEM）和其它应用场合大受欢迎。

尽管程序仅能配置低到中等大小的内存，但是PLC可以和运动以及视觉系统集成，以便提供更复杂的控制。

向基于PLC的PAC演化

尽管PLC诞生于1960年代，但是由于现代电子技术的发展，为新一代控制器（见图1）的发展提供了很好的氛围。部件更小、速度更快、价格更低、而且比以往任何时候都更可靠。这就使PLC具有以下能力：增加PLC的功能而不会导致价格更高，或者降低典型高端控制系统的价格而不会以牺牲性能作为代价，这样就诞生了以PLC为基础的PAC系统。

由于PAC发源于PLC，继承了PLC的很多最佳特性，比如可靠性、紧凑的外形等，使得PAC可以被称为基于PLC的PAC。这可以被看作工业领域内技术趋同的绝佳案例之一。这些控制器可以满足从简单、低成本的设备控制到具有很多输入/输出(I/O)点的大型系统等应用场合的复杂控制。

最新的技术发展，促成了基于PLC的PAC的出现。这些技术，使供应商能够以比传统的控制系统更低的价格，提供性能更好的控制器。这些控制器中所使用的技术，也变得更紧凑，使其可以适用于诸多设备控制和其它OEM应用。

在竞争激烈的市场，为了满足OEM厂商设定的设计规格，很多设备都需要具有较快的扫描速率。过去，设备制造商经常面临着这样一种窘况：需要使用PLC系统，以便满足I/O、外形等的需求，但是在性能方面则不得不妥协。

一般需要采用高端PAC或IPC的替代方案，以便满足设计工程师设定的目标。在很多情况下，由于这些大型控制器需要更大的外壳，更高的软、硬件成本，容易导致整个系统的设计成本急剧上升。但是，现在已经有了解决方案：基于PLC的PAC系统，它可以以紧凑的外形和具有竞争力的价格，提供用户所需的性能。

PAC的快速发展

除了完成设备控制，基于PLC的PAC系统，还可以很好的适应相当复杂的应用场合。比如，现代PAC能够扫描成百上千的模拟量通道，并将数据点存储到集成内存端口上的文件中，然后通过内置的网络服务器，经由标准的网络浏览器来获取这些数据（见图2）。

图2：PAC控制器提供了强大的功能，适用于从简单到复杂的设备和过程控制应用。

这些功能更强大的PAC控制器，一般包含一个通用的处理器。还会提供各种标准通讯协议，使其可以与不同的设备连接。它们还配置了IEC61131-3标准中所定义的多种编程语言，这样就具有大量的控制功能。这些具有中到大型规模的外形，采用机架安装的系统，可以为I/O点数和内存提供更高的扩展能力。
虽然这些功能使其硬件和编程软件价格要高于PLC，但是基于PLC的PAC却可以为某些特定应用提供更高水平的性能。

例如，大内存能力，使其非常适用于创建一维或二维矩阵，以便在某些详细的应用场合追踪产品的数据，如质量特性、运输数据、客户信息等等。基于PLC的PAC具有标签名功能，使其与人机界面/监控和数据采集(HMI/SCADA)、OPC服务器、数据库ERP软件，以及运动和视觉应用之间的接口变得更容易。

功能强大的IPC

对于某些更专业化的自动化和集成领域，IPC可以带来特殊效益（见图3）。先进的运动控制和视觉系统，是两个非常好的例子，因为受益于IPC内置的运动控制功能，可以实现多轴协调控制。如果需要利用编程环境来设计视觉应用系统，那这些优点就可以发挥作用了。

图3：通常，只有最大型和最复杂的应用才需要IPC功能。

IPC处理器，一般是基于PC、多核处理器，其通讯选项从本质上讲是开放的，仅有的限制就是通讯协议需要专门的硬件。到目前为止，以太网是最常使用的连接方式，支持的通讯协议也非常广泛，比如EtherNet/IP、ModbusTCP和 Profinet等。

IPC的编程功能，是所有控制器中最强大的。不仅提供IEC61131-3编程语言，还包括基于PC的编程语言，比如C++、微软的.NET框架。正是由于其PC基因，基于PC的HMI可以配置在同样的机架上，并在多核系统中运行其专用处理器。

IPC一般通过总线连接器和I/O点连接，这样就实现了分布式控制系统。它们的设计还使其成为市场上最具扩展性的控制器，通常只会受到总线规格的限制。

伴随着这些广泛的控制功能和高性能而来的是高价格，无论是硬件还是编程软件，价格都比较高。而回报则是IPC提供了更高的编程内存，而且可以按需扩展，从而可以提供最好的集成运动和视觉功能。

尽管很多应用，都跨越了不同分类之间的界线，但是总有一些特殊的需求，更适用于某一个平台。PLC和PAC具有更多的共同点，最新的硬件技术只是加强了两者之间的重叠，从而产生了基于PLC的PAC、以及IPC这一现状。

尽管很多应用，都跨越了不同分类之间的界线，但是总有一些特殊的需求，更适用于某一个平台。PLC和PAC具有更多的共同点，最新的硬件技术只是加强了两者之间的重叠，从而产生了基于PLC的PAC、以及IPC这一现状。

选择PAC而不是PLC的20条理由

在建立控制系统时， 系统集成商毫无例外地总是希望能使用比较少的设备来实现更多的功能。他们需要控制系统不仅能处理数字I/O和运动，而且还可以集成用于自动化监控和测试的视觉功能和模块化仪器。此外，控制系统还必须能实时地处理控制算法和分析任务并把数据传送回企业。您是否能同时拥有PC的功能和PLC（可编程控制器）的可靠性吗？ 可编程自动控制器（PAC）就是这样的平台，它能最佳结合地PC和PLC两者的优势，并正逐渐占领工业自动化领域。

市场调查公司ARC咨询机构首次采用PAC这一术语，它定义了一种新类型的控制器，该控制器结合了PC的处理器、RAM和软件的优势，以及PLC固有的可靠性、坚固性和分布特性。PAC采用COTS（现有的商业化）技术，非常适合于工业化环境，它具有可伸缩性，易于维护和较低的发生故障时间等特性。PXI（用于仪器的扩展型PCI）已成为快速增长的PAC平台；如NI，Chroma，LeCroy和JTAG等供应商现在可提供1,000多种独特的I/O模块，包括模拟I/O，数字I/O，视觉，运动和高精度数据采集。PXI结合了PCI总线的电路特性和CompactPCI坚固的欧卡机械结构，这种结构已在工业环境中成功使用了许多年。

十年前当Internet还处于雏形时，机器视觉非常昂贵，而且基于PC的仪器还没有出现，那时PLC统治了整个自动化领域。即使是今天，那些使用数字I/O进行简单控制的工程师依然感到PLC是他们最好的选择。然而，如果考虑到要为您的PLC增加视觉，运动，仪器和分析功能，那么您就会明白为什么PAC正逐渐占领自动化领域。本文中我们将在成本，高级功能，外形结构，控制器，I/O和软件这六个方面，详细介绍在未来自动化应用中PAC优于PLC的20条原因。

成本
1.采用单一的控制器节省了成本 现在您可以考虑使用PAC，它具有单一的控制器和机箱，可用于处理数字和模拟I/O，具有运动，视觉功能和模块化仪器，因此不需要花钱购买多个控制器。如果您需要控制系统具有多种功能，如视觉或模块化仪器，那么采用PAC将是最为经济的。

高级功能
2.高级控制

在能源或材料的成本很高的情况下，工程师需要优化他们简单的PID控制算法来以最大程度地减少浪费。这些复杂的算法常常采用如模糊逻辑或神经网络等控制设计技术，从而可以最大限度地降低过程控制的稳定时间。传统上，PLC所能实现的PID控制算法并没有为特定的过程进行优化。高级的控制算法不仅需要强大的浮点处理器，而且还要占用大量的内存，使用PAC平台则可以满足这些条件。

3. 实时分析

在机器监控应用中，需要实时采集地来自模拟或数字I/O通道的数据，从而能有效地检测故障状态。您可能要进行如阶次跟踪和振动分析这些复杂工作来有效地检测机器的状况。对于这些应用，您可以使用PAC的高效平台来进行实时地分析工作。

4.数据库/网络连接

利用来自厂房内的实时数据，操作人员可以在控制室内根据所得的信息制定决策。然而，要使控制系统具有输出现场数据的功能是很困难的。企业系统一般采用标准的ODBC，ADO和XML以获得来自自动化系统的数据。PLC只能通过标准的OPC进行通信，这意味着需要增加一台PC来采用OPC获取数据并使用如ODBC、ADO和XML这样的标准把数据传送给企业。为了能有效地把现场数据传送到ERP系统中，控制系统必须能直接和外部数据库通信——您可以使用PAC来完成这些工作。 5.安全性 在把控制系统与数据库和网络连接时，您需要考虑安全问题。出于安全的利益，许多厂商选择不把自动化系统和企业数据库相连，但是对于大多数厂商而言，连接所带来的好处要远大于安全方面的顾虑。

尽管可以对PLC加锁来防止他人入侵工厂的网络，但是由于PLC通过以太网发送非加密包，所以它并不适合用于防止黑客入侵。PAC在通过网络传送数据时，可以对数据加密。尽管目前这还不是需要考虑的第一因素，但是在将来它将是厂房内分布式系统采用PAC的主要原因。

6.多种速度的确定性应用

PLC只能以固定的速度运行，而且它不是为以不同循环速率独立进行处理而设计的。如今，复杂的控制系统中常需要多种速率的确定性应用，它需要有多个循环，每个循环以不同的速率运行。这就要求能进行并行处理，而只有在PAC上运行的操作系统才具有这样的特性。

外形结构
7.适合于工厂环境

工程师选择PLC的一个常见原因是它能在工厂的环境下正常工作。然而，绝大部分PLC是安装在NEMA内。在这样的环境里，PXI平台附加的冷却装置，坚固的外表面和增强的抗冲击和振动指标都使系统具有和PLC相同的可靠性。

8.伸缩性和灵活性

由于厂商倾向于使用 柔性的自动化系统来满足客户不断更新的要求，所以他们需要控制系统具有模块化、灵活性和伸缩性。PLC系统由于受到了I/O的限制，只能在数字和运动方面具有伸缩性，而PAC不仅具有PLC的伸缩性，而且您还可以在系统上增加视觉，模块化仪器或高速模拟I/O。您也可以通过以太网来使用多个PC并根据需要增加或减少PC的数目。

9.易于替换

对于现场工程师而言，最大限度地减小的故障时间是非常重要的。在对控制系统进行更新或更换I/O模块时，您需要能最大程度地减少更换或增加模块的工作量。PAC的模块化特性满足这方面的要求。
控制器

10.计算机电源

对于如机器状态监控这样高速，需要大量内存的应用，具备高速的处理器和大容量的内存就非常重要。由于您采用了现有的硬件来构建基于PAC的系统，所以您的PAC控制器可使用Pentium 4处理器并具备上G的RAM。

11.存储功能

如果无法保存和查看历史信息，那么信息还有什么用呢？ PLC传统上就缺乏数据记录的功能。而PAC则可以根据您指定的时间、方式和数据格式来记录数据。

12.数字I/O

传统上，PLC平台的数字I/O只能为工业传感器和激励器提供标准的电压驱动电流。然而，新的如NI 651x系列模块的数字I/O 则可以提供24V的电压，高达500 mA的驱动电流和光学隔离，并且它还具有看门狗定时器，可编程电源启动状态，用于提高安全性和可靠性的输入滤波器等特性，而成本只有每通道5美元。

13.模拟I/O

主要由于PCI总线速度快的原因，传统上采用基于PC平台来提供模拟I/O。目前某些PLC也具有模拟I/O模块，但是它们的编程十分复杂而且不适合用于高分辨率和大数据量的应用。PAC所提供的模拟输入速率可高达每秒200M并具有24位的分辨率。

14.运动控制

在各种平台中，特别是当您需要高于两轴运动方式时，软件起着主要的作用。在PXI平台上的运动控制器可以提供高达8轴的运动方式，而且可以使用NI 运动助手对系统进行轻松地配置。

15.机器视觉

数据传输速率是在PLC平台上提供视觉功能的最大障碍。目前，无论您是要自动监测零件还是检验药品的包装，您都可以在PXI平台上使用用于视觉应用的模拟、数字和FireWire摄像机。您可以在控制程序中集成多种视觉算法，如模式匹配，光学字符识别，颜色匹配，规格和颜色检测。

16.仪器

近来，材料处理公司已经开始在他们的自动化系统中集成测试功能，从而可以为客户提供全面的测试和自动化方案。I/O所需要的模块化仪器包括数字化仪，信号源，任意波形发生器和其它仪器。这些类型的I/O 需要具备在PAC平台上才有的高速数据传输速率。

17.网络

和PLC类似，PAC可以通过各种工业化的现场总线提供互联，如FOUNDATION Fieldbus，DeviceNet，CAN，Modbus，Ethernet，Profibus，串口等。PAC不仅能作为分布式I/O模块的主控设备，而且也可以作为从属设备添加到已有系统中。

软件
18.实时操作系统

在PAC平台上您可以使用如RT Linux，Pharlap ETS，QNX和VxWorks这些实时的操作系统（RTOS）。一般来讲，实时系统的编程很困难，但是使用如LabVIEW RT这样的软件可以改变工程师开发实时系统的方式。现在工程师可以把Windows上开发的程序下载到实时运载平台上，如PXI控制器。

19.人机界面

特别是在混杂和过程控制工业中，大多数控制系统需要一个能连接控制系统的人机界面。一个HMI由一个触摸屏组成,它可以包含一个嵌入式控制器也可以没有。由于基于PAC的系统考虑到了用于I/O的相同控制器的使用，所以您也就不需要添加额外的嵌入式控制器来实现HMI的图像显示。

20.简单易用的开发环境

虽然传统的梯形逻辑编程非常适合于数字I/O的编程，然而对于处理模拟I/O，运动或视觉这种编程方式则十分麻烦。PAC可以用通用的语言编写控制程序，为您提供了很大的灵活性，这些通用语言包括C，C++，Visual Basic，LabVIEW甚至是传统的梯形逻辑。

很显然，现如今的工程师除了PLC控制还可以有另外的选择。PAC能为您增加所需的PC功能以用于高级控制，实时分析或连接企业数据库，而且同时保持了PLC的可靠性。如果您需要集成不只数字I/O和运动控制或者需要更快的计算机处理能力的话，PAC可能是非常好的选择。