在过去十年间，关于PLC（可程式逻辑控制器）和PC架构下的控制系统二者相较孰优孰劣的辩论相当激烈。当PC和PLC之间的技术差异渐渐消失，加上PLC使用随处可得的商业硬体，以及PC系统结合即时作业系统，从而出现一种新型的控制器，即PAC。 PAC是由Automation Research Corporation（ARC）创造的新缩写字，意为「可程式自动化控制器」（Programmable Automation Controller），用于形容结合了PC及PLC功能的新一代工业控制器。PAC缩写字被传统的PLC厂商用来形容其高阶系统，也被PC控制系统厂商用来形容其工业控制平台。

80～20定律

在推出三十年之后，PLC已经发展至包含类比I/O、网路通讯以及新的程式标准（例如IEC 61131-3）。但是，工程师利用数位I/O、数个类比I/O点，以及简单的程式设计技术创造出百分之八十的工业应用程式。 ARC、Venture Development Corporation（VDC）以及线上PLC训练机构PLCS.net估计：

由于百分之八十的工业应用是使用传统工具来处理，因此市场对于简单的低价位PLC有强大的需求。这种现象促成具备使用阶梯逻辑之数位I/O的低价位微型PLC的蓬勃发展。它也在控制器技术中造成断层，因为有百分之八十的应用环境只需要简单的低价位控制，另外百分之二十则不断地推展传统控制系统的功能极限。落在那百分之二十的应用程式是由需要较高之回圈速率、高级控制运算法、更多类比功能，以及与企业网路有更佳整合的工程师所建立的。

在八十年代和九十年代，这百分之二十的人评估PC是否可以用于工业控制。 PC提供的软体功能可以执行高阶的作业，提供丰富图形化的程式设计和使用环境，而且使用随处可得的商业元件，让控制工程师得以运用其它应用环境所开发的技术优势。这些技术包括浮点处理器、高速I/O汇流排，例如PCI及乙太网路、非永久性资料储存，以及图形化开发软体工具。 PC亦提供无与伦比的变通性、极具生产力的软体，以及高阶的低价位硬体。

然而，PC仍然不能建构出完美的控制应用系统。虽然许多工程师在结合高阶功能（例如类比控制及模拟、资料库连接、网站式功能，以及和协力厂商设备进行通讯）时使用PC，PLC仍然主宰控制的领域。使用PC进行控制的主要问题在于标准的PC并​​不是针对严苛的环境进行设计。

PC的三个主要挑战

稳定性

大致上来说，PC一般用途的作业系统不够稳定，不能做为控制之用。 PC控制的系统必须要处理系统当机和意料之外的重新开机。

可靠性

使用旋转碟片的磁性硬碟及非工业强化元件（例如电源供应器），PC比较容易发生当机的情形。

不熟悉的程式设计环境

工厂操作员必须有能力掌控系统，以便进行维护或故障排除。使用阶梯逻辑时，可以手动强迫一个线圈到达需要的状态，并迅速修补受影响的程式码，以便迅速控制系统。但是PC系统要求操作员学习更新、更高阶的工具。

虽然有些工程师使用特别的工业用电脑，具备坚固的硬体及特殊的作业系统，但是大部份工程师仍然避免使用PC进行控制，就是因为PC稳定性的问题。此外，在PC中用来进行不同自动化作业的设备（例如I/O、通讯或运动控制）可能采用不同的开发环境。

因此这百分之二十的人若不是放弃PLC难以达到的功能，就是组合一套系统，用PLC进行程式的控制，再用PC执行较高阶的功能。这就是为何今日有许多工厂将PLC配合PC使用，以进行资料记录、连接至条码扫瞄器、将资料加入资料库，以及将资料公布至网站之故。这种架构最大的问题在于，这些系统往往难以组装、故障排除及维护。系统工程师不可避免地必须处理整合多厂商之软硬体的工作，但是由于这些设备并非设计成要配合使用，因此这项工作也是一大挑战。

建造一个更好的控制器

因为没有一个明确的PC或PLC解决方案，因此需要复杂应用的工程师与控制厂商密切合作，以开发新的产品，并要求能够将PC的先进软体功能与PLC的稳定性相结合。这些顶尖的使用者协助导引PLC及PC控制产品公司的产品开发。

要发挥软体的功能，不但需要先进的软体，也需要在控制器的硬体功能上有所提升。随着全球对于PC元件的需求量降低，许多半导体厂商开始重新设计其产品供工业应用。今日的控制厂商正在将工业级的浮点处理器、DRAM、永久性储存设备（例如CompactFlash），以及高速乙太网路晶片组整合至工业控制产品中。这种趋势使得厂商能够开发威力更加强大的软体，这些软体具备PC控制系统的弹性及可用性，并且可以在即时作业系统上执行，以获得稳定性。

经过这个过程所产生的新控制器以这「百分之二十」的应用环境为目标，结合了更佳的PLC功能及PC特色。 ARC的业界分析师将这些设备命名为可程式自动化控制器，简称PAC。在ARC进行的「可程式逻辑控制器全球展望」研究中，他们指出PAC的五大特性。这些标准透过定义软体功能的方式，列出控制器功能的特性如下：

软体的两个途径

虽然软体是PAC和PLC之间的主要差异，厂商在提供先进软体的方法上却有许多做法。通常会以现有的控制软体为起点，再逐步加入设计PAC所需之功能、稳定性，以及使用简易性。一般而言，这种作法造成两个PAC软体供应商的阵营：具备PLC控制背景的供应商，以及具备PC控制背景的供应商。

采用PLC哲学的软体

传统的PLC软体厂商以可靠而使用简易的扫瞄技术为起点，再研发加入新功能。 PLC软体遵循一般的模式，包括扫瞄输入、执行控制程式码、更新输出以及执行内部管理功能。控制工程师只需处理控制码的设计，因为输入回圈、输出回圈以及内部管理回圈都是隐藏的。由于大部份工作都由厂商完成，因此这种严格的控制技术可以更简易而快速地建立控制系统。这些系统的坚固性也使得控制工程师不需要完全了解PLC的低阶作业，即可建立稳定的程式。但是，坚固的扫瞄技术虽然是PLC的主要优点，也会使它变得缺少弹性。大部份的PLC厂商在制作PAC软体时，是在现有的扫瞄器技术中加入新的功能，例如乙太网路通讯、动作控制，以及先进运算法。但是多半会维持PLC程式设计的类似外观，以及逻辑和控制元件方面固有的优点。这样的作法造成PAC软体通常是针对满足特定类型之应用（例如逻辑、动作及PID）而设计，但是对于客制应用（例如通讯、资料记录，或自订控制运算法）而言就较缺乏变通性。

采用PC哲学的软体

传统的PC软体厂商以极具弹性的通用型程式设计语言为起点，提供了直接控制硬体内部工作的强大沟通能力。应用软体亦结合稳定性、决定性，以及预设的控制技术。虽然PLC程式设计师通常也可以使用扫瞄器架构，但是它们并非针对PC控制软体而​​设计。相较之下PC软体非常具有弹性，极适用于需要先进架构、高阶程式设计技巧或系统层级控制的复杂应用程式，但是较难供简单的应用程式使用。

这些厂商的第一个步骤是提供稳定性及决定性，这在通用型作业系统（例如Windows）中往往付之阙如。要达成这个目标，必须透过即时作业系统（RTOS），例如Ardence（原为Venturcom）的Phar Lap，或是Wind River的VxWorks。这些RTOS提供控制整个控制系统所有层面的功能，从I/O读写速度到控制器上产生之个别执行绪的优先权皆含括在内。随后这些厂商加入大纲式简化处理以及I/O读写架构，使工程师能够更容易地建立稳定的控制应用程式。如此做的结果是一套适合客制控制、资料记录以及通讯的弹性软体，但是缺少熟悉的PLC程式设计技术，因此需要花更多心力进行应用程式开发。

PAC架构下的视觉及量测系统

凭借着量测领域的经验与背景，可将PAC结合更高速的量测及机器视觉功能，使得PAC不再是单纯的I/O系统。许多工业应用程式会收集高速量测结果，供震动或电力品质应用程式之用，收集到的资料被利用来监督转动机械的状况、判断维修时程、辨识马达磨损程度，以及调整控制运算法。这些资料通常是使用专业的资料撷取系统或独立的仪器来进行收集，并透过通讯汇流排结合至控制系统中。PAC可以用每秒数百万个样本的撷取速度进行高准确度的测量，然后直接将资料传送至控制系统中，立即进行处理。

工程师也可以将视觉功能结合至控制系统中。视觉应用是在过去十年间，于自动化业界中发展极大的一个领域。在制造环境中，有许多缺失或错误可以立即透过视觉检验来辨认，使用传统的量测技术可能难以发现这些问题。常见的应用环境包括制造或组装验证的零件检验，例如检查电路板上元件位置是否正确、以光学字元辨识检查日期代码或将产品排序，以及以光学测量寻找产品的缺陷，或是根据品质标准进行排序。目前许多工厂使用​​连接至制造过程控制器的独立智慧型摄影机。而PAC可将视觉或高速测量与逻辑和动作控制结合，工程师不需要整合不相似的软体及硬体平台。

使用PAC不再需要客制硬体

虽然PAC是最新型的可程式控制器，但是PAC的未来有赖于嵌入技术的合作。例子之一是使用软体来定义硬体的能力。 Field Programmable Gate Array（FPGA）是电子厂商用来制作客制晶片常用的电子元件，可以在新的设备中加入智能。这些设备中包括可重设组态逻辑电路，可以执行多种功能，用于连接功能区块的可程式接点，以及将资料输入及输出晶片的I/O区块。只要定义可重设组态逻辑电路的功能，以及彼此之间和I/O间的连接方式，电子设计者就可以创造客制晶片，而不需要生产客制的ASIC。 FPGA就像拥有一部可以重新布署内部电路以执行特定应用程式的电脑。

过去只有熟悉低阶程式设计语言（例如VHDL）的硬体设计师才能运用FPGA技术。但是，今日的系统控制工程师可以利用LabVIEW FPGA来建立客制控制运算法，将之下载至FPGA晶片。这种功能让工程师得以将执行上对时间极度要求的功能结合至硬体中，例如极限开关及邻近感测器的侦测以及健康状态监视的应用等。由于控制程式直接在晶片中执行，因此工程师可以迅速建立具备客制通讯协定或高速控制回路的应用程式：最高达1MHz的数位控制回圈，以及200kHz的类比控制回圈。

（作者任职于NI美商国家仪器）

用于控制应用的LabVIEW

由于LabVIEW的功能，以及图形化程式设计使用上的简易性，以LabVIEW为基础的PAC适合有以下需求的应用环境：

图示化

由于LabVIEW的程式设计师可以在开发环境中建立使用者界面，因此您可以轻易地为控制系统加入图形及人机界面。

量测（高速资料撷取，视觉以及动作）

在高速I/O（包括影像撷取）方面的历史与经验，容易将震动或机器视觉之类的量测功能加入标准控制系统中。

处理能力

在部份应用环境中，需要专业化的控制运算法、先进的讯号处理或是资料记录。使用LabVIEW，便可方便使用NI或协力厂商的工具结合自订控制程式码、运用讯号处理（例如JTFA），或是在本地端或远端记录资料。

跨平台

利用LabVIEW，可建立能在多种平台上执行的程式码，包括PC、嵌入式控制器、FPGA晶片，或是手持式PDA。

通讯

LabVIEW能够轻松地透过各种工具（例如资料库连结、OPC以及网站浏览器的操作员界面）将资料上传至企业中的各个端点。

五种以LabVIEW 为基础的PAC平台

PXI

PXI是一种获得多家厂商支持的工业标准PAC，以CompactPCI技术为基础，提供模组化、体积轻巧而坚固的工业系统。 PXI系统由嵌入式控制器控制，使用高效能的处理器，时脉频率达数GHz。 PXI提供最多样化的I/O，包括1000V隔离式类比输入、高密度数位I/O、供机器视觉应用的类比及数位影像撷取卡，以及定位之多轴动作。它在PXI模组的前方提供插座，可以轻易处理接线。PXI平台提供广泛的测量模组，并提供CAN、DeviceNET、RS-232、RS-485、Modbus，以及Foundation Fieldbus连接至工厂设备。

Compact FieldPoint

Compact FieldPoint系列产品包含可热插拔式的类比及数位I/O模组及内建乙太网路及序列埠介面的控制器。其I/O模组对热电偶、RTD测温电阻体、strain gauge应变规、4-20mA感应器、5-30VDC及0-250VAC地信号提供了完整的连接性。 Compact FieldPoint网路通讯介面可透过乙太网路自动将量测结果发表在网路上。可以透过简易的读取/写入模式，对不分远近的I/O节点进行沟通及控制。利用简易的软体介面，Compact FieldPoint可以快速地建构及撰写程式，并提供足够的功能去执行复杂的控制、资料储存，以及通讯。

Compact Vision System

Compact Vision System结合英特尔处理器及一个FPGA、数位I/O及三个1394连接埠。这款PAC的设计是利用FireWire（IEEE 1394）技术与八十余种工业摄影机相容，将视觉功能加入控制应用程式中。利用CVS上的可重设组态FPGA及数位I/O线路，也可以获得低通道数的数位及步进马达控制能力。在使用LabVIEW设计程式时，系统可以设定成同时进行高效能视觉及高速控制和步进马达控制。

CompactRIO

CompactRIO是以FPGA为基础的可重设组态控制及撷取系统，为了需要大量自订功能及高速控制的应用程式而设计。这项技术具备可重设组态I/O（RIO）FPGA核心，结合一颗即时嵌入式处理器，用于进行复杂的运算法及自订运算。 CompactRIO平台最多可以容纳八个类比或数位I/O模组。 CompactRIO平台适用于复杂及高速应用程式，例如机器控制；而且对于时常需要客制硬体开发的应用而言，FPGA是个绝佳的选择。

标准工业用PC

标准的工业用PC也可以配合多种PCI模组使用。这些介面卡包括为类比及数位I/O、动作控制及机器视觉设计的硬体。若要获得决定性的即时效能，则可使用PCI硬体，配合在PC即时作业系统上的LabVIEW。 LabVIEW Real-Time可以载入至大部份的标准工业用PC，对工业量测及控制提供一个低价位的平台。

延 伸 阅 读

模组化仪器使繁复的量测化繁为简，并提高了弹性、降低了成本。本专栏提供了PXI测试平台的详细说明、与工业电脑的优劣评比，以及模组化仪器的基本概念介绍；此外，NI的SMC技术如何满足业界越来越普遍的混合讯号量测需求，您也可以在本专栏获得详细解说。相关介绍请见「模组化仪器」一文。 工业控制自动化技术作为20世纪现代制造领域中最重要的技术之一，主要解决生产效率与一致性问题。虽然自动化系统本身并不直接创造效益，但它对企业生产过程有明显的提升作用。你可在「我国工业控制自动化技术现状与趋势」一文中得到进一步的介绍。 面对越来越高的扫描速度、越来越短的触发时间，及日益严苛的作业环境等挑战，NI如何提升DAQ产品准确率、稳定度和取样频率，并透过Measurement Ready技术提高量测品质，以及DAQ产品的技术演进和如何挑选LabVIEW Real-Time布署平台，均可在本专栏获得详细答案。在「PC-based资料撷取软、硬体」一文为你做了相关的评析。

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