一种具有独特理念的高效、实时、开放的PLC

摘 要： PCC（Programmable Computer Controller，即 可编程计算机控制器）是一种融合了传统的 PLC和IPC的优点，具有独特理念的模块化控制装置。本文着重从以下几个方面来阐述PCC的特点及优势：分时多任务操作系统；强大的系统能力；软件的集成开发环境；高可靠性；由PCC的CPU和X20 I/O构成的全开放分布式系统。PCC正逐渐被业内人士认识和接受，并因其卓越的性能而在多种工业领域中获得越来越广泛的应用。
关键词： 可编程计算机控制器；X20 I/O ；分布式控制系统；分时多任务操作系统；实时性和开放性


0 引言
可编程控制器PLC和工业计算机IPC已先后推出多年，它们在各自不同的应用场合已获得了十分广泛的应用。在多年的应用实践中，PLC运算/处理能力不强、实时性、开放性较差和IPC可靠性及可扩展性较差的缺点已逐渐暴露出来，寻求一种性能更为优良的控制器已成为各类工业用户的迫切需求，由奥地利贝加莱公司 （B&R）于1994年首先推出的PCC就顺应了这一趋势，它融合了传统的PLC和IPC的优点，既具有PLC的高可靠性和易扩展性，又有着IPC的强大运算/处理能力和较高的实时性及开放性。
PCC的硬件结构和外貌与 PLC十分酷似，但前者具有更强大的处理能力和更高的实时性；在软件功能方面，它又与某些PC-Based类似，不过其可靠性和环境适应能力却大大优于后者。
经过十多年的发展和应用，PCC已成为当前工业控制器发展的新方向之一，以PCC作为控制系统核心的方案正逐渐成为工业自动化系统配置的一种新格局。


1 PCC的特点及优势
1.1 PCC在硬件方面的特点
在硬件结构方面，PCC的特点是很明显的，它兼具了PC机采用高性能 CPU及大容量存储单元和PLC采用模块式结构的优点。
（1）模块式的插装结构，可带电插拔
PCC具有全模块式的插装结构，在工业现场可以安全、方便地带电插拔；PCC的CPU和I/O模块结构紧凑，体积小巧，接线端子密集，而且在模块供电及工作状态显示等诸多方面有着完善、精巧的设计。
（2）其CPU采用了多处理器结构并配备了大容量存储单元
PCC除了其高性能的主CPU以外，通常还配置了另外两个处理器，即一个PCC的CPU模块上有三个处理器，这就最大限度地提高了系统的处理能力。
在其核心的运算模块内部，PCC为其CPU配备了数倍于常规 PLC的大容量存储单元（100K-64MB），这无疑为功能强大的系统软件和应用软件提供了有效的硬件支持。
PCC采用可插卡式的CF卡作为存储介质，最大存储容量可达8GB。
（3）配备了多种信号和通信接口
PCC为工业现场的各种信号和应用提供了许多专用模块和功能模块，如温度、张力、步进电机驱动、示波器、鼓序列发生器信号、增量式脉冲编码信号、称重信号和超声波信号、电力测量与并网同步、PWM输出等。它们将各种形式的现场信号十分方便地接入以PCC为核心的数字控制系统中，用户可按需要对应用系统的I/O通道进行数十点、数百点乃至数千点的扩展与联网。PCC的所有数字量输入端都经过了光电耦合隔离，模拟量输入端也都经过了RC滤波处理，因此它具有很好的抗电磁干扰能力。
在PCC模块内部，CPU的数据总线与I/O总线分离，并配置有独立的I/O处理器。主CPU内含有一个独立的时间处理单元TPU （Time Processing Unit ），在不增加CPU负荷的前提下高速处理简单或复杂的定时任务，其基准计时频率可高达6.29MHz，因此目前被广泛应用于频率、相位测量及PWM（脉宽调制）等要求极高精度的时间处理场合中。
此外，CPU的主板集成了多种通信接口，PCC还是一款开放性极高的产品，配置了多种通信模块。
（4）以专用模块的方式对高精度运动控制功能和智能温度控制功能进行集成
运动控制功能：高速编码计数、速度和位置补偿、电子齿轮传动、凸轮仿形、多轴插补、CNC技术、飞锯等；
温度控制模块： 传感器直接接入，每50ms处理一个PID调节回路，带自校正PID调节和参数整定功能。
1.2 分时多任务操作系统理念和多样化的应用软件设计手段
常规的PLC大多采用单任务的时钟扫描或监控程序（某些高档的PLC，如西门子的S7-300/400系列、罗克韦尔的ControlLogix系列等除外），来处理程序本身的逻辑运算指令及对外部I/O通道的状态采集与刷新，整个应用程序被包含在一个循环周期内（如图1所示）。但在一个控制系统中，虽然有一些工艺量对实时性的要求很高，但同时却有更多的工艺量对实时性没有特殊的要求，如果采用同样的刷新速度来处理它们其实是对系统资源的浪费，而且循环扫描的运行机制也导致了系统的处理周期主要取决于应用程序的大小，如程序复杂庞大，扫描周期就必然加长，这无疑是与I/O通道对高实时性的要求相违背的。在图1和图2中， A和B为压力控制（回路控制）任务，它们的扫描时间分别为1ms和2ms；而C和D为逻辑控制任务，它们的扫描时间分别为5ms和2ms。看来这是一个逻辑控制任务程序量较大的PLC/PCC应用程序。图1表示常规PLC的运行模式，在该图上部的任务组合方式中，整个任务（A+B+C+D）被包含在一个扫描时间为10 ms的循环周期内，在该图下部的任务组合方式中，整个任务（A+B+C）被包含在一个扫描时间为8 ms的循环周期内。可以看出，总的应用程序处理周期为各任务的程序扫描时间的和，程序周而复始地循环执行。
而贝加莱PCC系统的设计方案则完美地解决了这一问题，与常规PLC相比较，PCC最大的特点就在于其引入了几类大型计算机的Runtime定性分时多任务操作系统理念，并辅之以多样化的应用软件设计手段。由于实行分时多任务的运行机制，应用程序可以按照工艺功能和优先级的不同分别设置成不同的任务和不同的任务级别，并可根据要求自行设定任务的循环时间，使得应用任务的循环周期与程序长短无关，从而将应用程序的扫描周期同真正外部的控制周期区别开来，满足了真正实时控制的要求，而且它可以在CPU运算能力允许的前提下，按照用户的实际需求而做相应调整（如图2所示）。图2表示PCC-定性分时多任务操作系统的运行模式，按照逻辑控制和压力控制任务分类组合（即图3中的系统模块）控制。在该图上部的逻辑控制任务组合中，逻辑控制任务C、D被有机地分布在间隔为5 ms的5个时间段中按优先级顺序先后执行，逻辑控制任务C、D执行时恰好压力控制任务A、B不执行，逻辑任务的处理周期为20 ms；在该图下部的压力控制任务组合中，压力控制任务A、B在每一个5 ms的时间间隔中均按顺序先后执行，压力控制任务A、B执行时恰好逻辑控制任务C、D不执行，压力任务的处理周期为5 ms。可以看出，各个任务是按照分时的运行模式执行的，各分类任务组合则按照自己的处理周期（如逻辑任务的20 ms和压力任务的5 ms）周而复始地循环执行，但压力任务的优先级明显高于逻辑任务的。

基于分时多任务操作系统，PCC的应用程序可分为多个独立的任务模块，这样就给项目应用软件的开发带来了很大的便利，因为这样可以方便地按控制项目中诸如数据采集、报警、PID调节运算、通信控制等各部分的不同功能要求，分别编制出相应的控制程序模块（任务）。这些模块既各自独立运行，而其数据间又保持一定的相互关联，它们经过分步骤的独立编制并完成调试之后，一并下载至PCC的用户程序存储区中，在该分时多任务操作系统的调度管理下并行运行。在这个多任务系统中，根据不同任务对实时性能的不同需求，设计人员可以指定不同的优先等级并确定它们各自的循环周期，从而实现确定的分时多任务控制。即便某个任务处于等待状态，别的任务也可继续执行。这一系统特点，可示于图3中。

这种多任务的运行机制，采用了大型应用软件的模块化程序设计思想，带来了项目开发效率上的提高，有着常规PLC所无法比拟的灵活性。因为多任务的思想使得各个任务模块的功能描述更趋清晰简洁，用户可以自行开发既具有自己特点而又不乏通用性的独立功能模块，并将其封装以便于日后在其他应用场合中重新使用。
1.3 强大的系统能力和极高的处理速度
（1）高性能、全开放、集成化的CPU
贝加莱的PCC主要包括2005、2003和X20 CPU三个系列，由于其在网络通信方面的开放性和结构上的模块化，这三种系列的PCC在构成控制系统的方式和规模上又是十分灵活的。贝加莱2007年推出的X20系列PCC成为了高精度机械自动化和高可靠性过程自动化等复杂、灵活自动化系统的通用选择。
X20 CPU——新一代PCC的CPU，基于Intel X86 Processor技术，采用Runtime实时操作系统，秉承了贝加莱PCC的定性分时多任务的控制特点，可采用符合IEC61131-3标准的多种工程编程语言以及Automation Basic、ANSI C两种高级语言编程。
X20 CPU的主板集成了多种通信接口，包括RS232、标准以太网接口TCP/IP、工业实时以太网接口Ethernet POWERLINK、2个USB。采用可插卡式的CF卡作为存储介质。
X20 CPU是一款开放性极高的产品，通信模块系列包括了CAN、Ethernet POWERLINK、Profibus、DeviceNet、Modbus、RS485/422、RS232等，方便扩展和兼容各种目前市场上主流的现场总线，体现其开放式的网络架构。CP3486的主板具有三个通信模块接口。
（2）CPU的多处理器结构和极高的系统响应速度
系统的响应速度不仅由CPU决定，还与I/O数据的传输速率有关。PCC的主CPU本身速度极快，同时还借用大型计算机的结构，采用I/O-Processor单独处理I/O数据传输，采用DPR-Controller双向口控制器负责网络及系统的管理。也就是说，一个PCC模块上有三个处理器，它们既各自独立而又相互关联，最大限度地提高了整个系统的速度。
CP3486是X20 CPU系列中性能最高的产品，采用了Intel Celeron 650 处理器及附加的I/O 处理器和浮点处理器FPU。系统的单步指令处理周期最快可达到0.01μs，单个工作任务循环周期可达200μs，是当前世界上性能最强、运算最快的PLC/PCC CPU之一。
系统频率、相位测量响应速度极快：主CPU内含有一个TPU, 可计算处理频率高达4MHz至6MHz的脉冲信号，因而能巧妙地解决系统的频率和相位测量问题，该功能在电力系统中可实现快速自动准同期并网。
（3）强大的数据通讯功能
PCC在远程通信方面的灵活性，是区别于常规PLC的另一显著标志，作为现场分布式控制系统的主要供应商之一，贝加莱为此提供了十分灵活多样的解决方案。除在1.3（1）中已提到的各种开放式现场总线的网络方案之外，PCC还提供了多种网络协议，用户不仅可以采用贝加莱的独有网络协议，也可以方便地与其他厂家的PLC或其他工控设备联网通信（如Siemens、罗克韦尔 AB、施耐德Modicon等），在一些特殊情况下，PCC还为用户提供了创建自定义协议的帧驱动（Frame drive）工具。特别值得一提是Ethernet POWERLINK网络协议，这是2001年贝加莱公司当竞争对手还在讨论实时工业以太网概念的时候，便在全球第一次推出实用化的实时工业以太网络，这也是全球第一个开放的安全级（SIL3）实时工业以太网。2007年初该公司又发布了千兆级实时工业以太网Ethernet POWERLINK（如图4所示）。由于具备这样的技术优势，PCC常常能轻松地实现与各种不同产品，不同通信协议的高效互联。


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