引言 過去一段時(shí)間，在工業(yè)控制領(lǐng)域形成有兩個(gè)競爭陣線，有些說PC能很好地用于控制，而有些人說PC永遠(yuǎn)不適合用于工廠的環(huán)境。今天，這些競爭對(duì)手很容易接受PC機(jī)用于許多工業(yè)生產(chǎn)控制的現(xiàn)狀，因?yàn)橐粋€(gè)接一個(gè)的制造商已經(jīng)在部分生產(chǎn)中采用了PC控制方案。因此，傳統(tǒng)上堅(jiān)持PC是辦公機(jī)器，不適合工廠灰塵環(huán)境的觀點(diǎn)也會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)變。 下面我們將針對(duì)基于PC的工業(yè)控制系統(tǒng)（PCBCS）和其他控制系統(tǒng)相比存在的優(yōu)勢(shì)和不足進(jìn)行分析。 從21世紀(jì)中期工業(yè)控制系統(tǒng)的出現(xiàn)以來，工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化的程度不斷提高，應(yīng)用于工業(yè)控制現(xiàn)場的儀器儀表種類，系統(tǒng)中需要采集、處理和控制的信號(hào)越來越多、越來越復(fù)雜，這就使得工業(yè)控制系統(tǒng)的地位在整個(gè)工業(yè)發(fā)展中越發(fā)變得重要。為了適應(yīng)整個(gè)工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，現(xiàn)代工業(yè)控制系統(tǒng)隨著社會(huì)生產(chǎn)的發(fā)展而不斷的發(fā)展和進(jìn)步。和模擬儀表、PLC、DCS、FCS等控制系統(tǒng)相比，基于PC（適用于工業(yè)現(xiàn)場的工業(yè)PC或普通PC）的工業(yè)控制系統(tǒng)（PC-Based Control System, PCBCS）能更加快速有效地進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和相互通訊，能靈活地在工業(yè)控制環(huán)境中控制各個(gè)終端并且相互之間能快速通信，也使得控制系統(tǒng)能和上層管理系統(tǒng)緊密結(jié)合在一起，便于生產(chǎn)的監(jiān)控和管理。而且，更重要的是，它是一種完全開發(fā)的系統(tǒng)，非常利于產(chǎn)品的開發(fā)維護(hù)和升級(jí)，所以其在工控領(lǐng)域得到了普遍認(rèn)同，相關(guān)的應(yīng)用領(lǐng)域迅速擴(kuò)大，成為工控領(lǐng)域的一種新趨勢(shì)。 PCBCS的組成結(jié)構(gòu)和它的開放性 PCBCS控制系統(tǒng)主要由三部分組成：PC；智能或非智能的I/O組件；特定應(yīng)用軟件。PC一般指工業(yè)PC機(jī)，有時(shí)也可能是普通PC，視工作環(huán)境而定。PC是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，具備數(shù)據(jù)處理，獲取數(shù)據(jù)信息，發(fā)出控制信號(hào)、與其他PC通信及操作顯示等多項(xiàng)功能。I/O組件一般指控制終端，數(shù)據(jù)采集終端及其連接件。這些組件主要應(yīng)用于現(xiàn)場環(huán)境下，是整個(gè)控制系統(tǒng)的外圍結(jié)構(gòu)，不僅包括普通的I/O端口，也包括一些智能終端，甚至是小型的PLC等，控制著整個(gè)自動(dòng)化生產(chǎn)線。特定的應(yīng)用軟件安裝于PC中，指揮和協(xié)調(diào)整個(gè)控制系統(tǒng)能夠穩(wěn)定有效地工作，相對(duì)于硬件電路變得簡單和模塊化，硬件成本的大大降低，應(yīng)用軟件的編制相對(duì)變得復(fù)雜。 相對(duì)于以前的DCS、FCS等控制系統(tǒng)，PCBCS是一個(gè)在各方面完全開放的控制系統(tǒng)。其他控制系統(tǒng)，如PLC、DCS等控制系統(tǒng)雖然整體性能優(yōu)越，系統(tǒng)集成性好，但是開放性不好，接口數(shù)量有一定限制，成本相對(duì)較高，產(chǎn)品升級(jí)和改造受限。最近興起的FCS，雖然總線協(xié)議是開放的，但仍然存在著多種現(xiàn)場總線共存的局面，很難有某一種總線協(xié)議完全取代其他總線協(xié)議。也造成了產(chǎn)品開發(fā)和維護(hù)的極大不便。PCBCS則不存在這些問題，允許任何人在已有系統(tǒng)軟件基礎(chǔ)上開發(fā)自己的應(yīng)用軟件，軟件的編制自由度大大提高，并不需要某種協(xié)議來約束。應(yīng)用于系統(tǒng)的組件也是完全開放的，不用再像以前那樣必須選用遵循某一協(xié)議或是某一公司專有的組件，用戶可以在某一通用標(biāo)準(zhǔn)上選擇性能更好，價(jià)格更合理的產(chǎn)品用以系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和維護(hù)，大大降低了產(chǎn)品的開發(fā)和維護(hù)費(fèi)用。 PCBCS控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn) 一、 系統(tǒng)成本大大降低 二、 處理速度和通信速度非常快，信息存儲(chǔ)量大 三、 易于將過程控制、批量控制以及運(yùn)動(dòng)控制等合為一體 四、 系統(tǒng)設(shè)計(jì)、調(diào)試和維護(hù)簡單，上層信息的存取很簡便更快，更好的設(shè)計(jì)出整個(gè)控制系統(tǒng)。 五、 系統(tǒng)軟件的可移植性好 六、 控制、人機(jī)界面及編程功能易于集成等 PCBCS控制系統(tǒng)的缺點(diǎn) 由上面可以看出，PCBCS作為控制系統(tǒng)的主體在性能和成本方面優(yōu)勢(shì)非常明顯。但在底層控制中存在不足。而DCS、FCS是基于儀表的控制系統(tǒng)，在底層控制中有著顯著的優(yōu)越性。它通過現(xiàn)場總線連接各檢測控制裝置，通過一組或幾組網(wǎng)絡(luò)線把來自不同廠家，不同標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)量龐大的傳感器、執(zhí)行器、回路調(diào)節(jié)器和其他儀表連接起來，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。這樣不僅降低了系統(tǒng)造價(jià)，而且提高了工程進(jìn)度和系統(tǒng)的可靠性，所以它可以作為PCBCS中一種不可或缺的補(bǔ)充。 并且，在當(dāng)今這個(gè)時(shí)代，全球范圍內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)信息化程度很高，電腦應(yīng)用技術(shù)非常廣泛，每個(gè)企業(yè)、公司的正常工作對(duì)計(jì)算機(jī)的互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)越來越重視。這種電腦網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用在很大程度上提高了人們的工作效率，然而互聯(lián)網(wǎng)的這種開放性也對(duì)各個(gè)行業(yè)的信息安全帶來很大的隱患。怎樣控制內(nèi)部系統(tǒng)的資源、保護(hù)已有的各種數(shù)據(jù)、預(yù)防侵入病毒是所有行業(yè)都要考慮的問題。在這些行業(yè)中，工業(yè)控制中的工控機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全是最需要考慮的。 總結(jié) 而在實(shí)際的PC控制系統(tǒng)開發(fā)中，主要考慮以下幾個(gè)問題： 1. Windows系統(tǒng)是否足夠穩(wěn)定（能否保證持續(xù)運(yùn)行不宕機(jī)） 2. Windows系統(tǒng)能否保證實(shí)時(shí)響應(yīng)（除WinCE外都是非實(shí)時(shí)系統(tǒng)，進(jìn)行實(shí)時(shí)擴(kuò)展會(huì)增加成本） 3. 網(wǎng)絡(luò)通信要求實(shí)時(shí)性高，網(wǎng)絡(luò)傳輸要有確定性 4. 數(shù)據(jù)安全，以及工業(yè)現(xiàn)場聯(lián)網(wǎng)后如何保證網(wǎng)絡(luò)安全
Beckhoff 是基于 PC 的自動(dòng)化技術(shù)的先驅(qū)者之一：早在 1986 年，Beckhoff 的第一個(gè) PC 控制系統(tǒng)就已問世。如今，Beckhoff 已將積累多年的專有技術(shù)應(yīng)用到工業(yè) PC 中。Beckhoff 工業(yè) PC 與 TwinCAT 自動(dòng)化軟件相結(jié)合，提供了一個(gè)用于實(shí)現(xiàn) PLC、NC 以及 CNC 功能的高性能控制系統(tǒng)。
德國Beckhoff公司創(chuàng)始人Hans Beckhoff最主張依靠基于PC控制技術(shù)來推動(dòng)自動(dòng)化市場。在1985年他開發(fā)了第一個(gè)基于DOS的系統(tǒng)之后，他就沒有回頭。軟件是PC控制系統(tǒng)工作的關(guān)鍵，在Beckhoff哲學(xué)中，增加硬件被認(rèn)為適得其反。Beckhoff的成功有兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)：
（1）所有工作由一個(gè)平臺(tái)上的軟件完成
（2） 向客戶提供所需要的所有東西，客戶不必在其它地方購買其它部件
但PC不會(huì)取代PLC等傳統(tǒng)控制模式，因?yàn)榛?/span>PC的工業(yè)控制方案供應(yīng)商主要開發(fā)軟件。不管軟邏輯多么重要（基于PC的控制，俗稱'軟’控制或'軟’邏輯），它僅占整個(gè)自動(dòng)化項(xiàng)目的5%的份額，而大約50%~60%的成本在I/O和電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)等部分，工業(yè)PC可能占10%~20%，即使軟邏輯公司取得了很大成功，也仍然要面臨集成問題。制造業(yè)本身很清楚：他們希望購買整個(gè)系統(tǒng)，而不是分散的各個(gè)部件；這里購買PC，那里購買軟件包，另一個(gè)地方購I/O總線是不可取的。我們經(jīng)常遇到這樣的例子：顧客說他們需要開放系統(tǒng)，但是到最后，他們通常從同一個(gè)供應(yīng)商那里購買所有部件，他們真正所需要的是他們希望保證不被一些設(shè)備故障卡住，而在必要時(shí)可以轉(zhuǎn)向另一個(gè)供應(yīng)商。（即需要可靠、標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備）
另外，Windows系統(tǒng)也許是軟件工作者的最愛，但這對(duì)工廠底層控制而言，有很大問題。Windows對(duì)工廠的計(jì)算機(jī)來說負(fù)擔(dān)太重，計(jì)算機(jī)需要數(shù)千兆的磁盤空間，而在工業(yè)現(xiàn)場，希望沒有任何旋轉(zhuǎn)部件，因?yàn)闀?huì)使計(jì)算機(jī)反應(yīng)速度慢、產(chǎn)生不確定性。因此，如果將Windows用于工業(yè)控制，可能需要增加協(xié)處理器板、使用固態(tài)硬盤、擴(kuò)展實(shí)時(shí)性能或者修改內(nèi)核。但是，以任何方式修改Windows系統(tǒng)都不再被認(rèn)為是開放式結(jié)構(gòu)，而是專用的PC控制系統(tǒng)，有它自己的局限和支持標(biāo)準(zhǔn)。所以一般認(rèn)為，PC控制的新希望是Windows CE操作系統(tǒng)，它占用空間非常小、具有實(shí)時(shí)性能，并且開放部分源代碼，如今工業(yè)界已經(jīng)有很多WinCE的產(chǎn)品了。
隨著大規(guī)模集成電路的飛速發(fā)展，20世紀(jì)90年代中期以來，計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展使得微型計(jì)算機(jī)的各種性能有了大幅度的提升，而其價(jià)格卻變得非常低。相對(duì)于微處理器和PLC等人機(jī)界面（HMI），PC具有極大的性價(jià)比。并且，和PLC、DCS、FCS等相比，PCBCS控制系統(tǒng)不僅在數(shù)據(jù)處理速度，海量存儲(chǔ)等方面無可比擬。在相關(guān)信號(hào)采集處理的板卡，電源、機(jī)架、機(jī)柜、接線等方面的投資也會(huì)大大降低。PC的低成本，高速度，在應(yīng)用軟件基礎(chǔ)上的易操作性，人機(jī)界面等，都是PLC等控制設(shè)備望塵莫及的。同樣采用串行總線，不同現(xiàn)場總線的設(shè)備可以方便地接入PC，通過應(yīng)用軟件來處理，廢棄了以前設(shè)備間的復(fù)雜連線，設(shè)備的成本也大大降低。對(duì)于不具有智能化，數(shù)字化的簡單設(shè)備，還可以直接和PC相連，用模擬信號(hào)（通過處理板卡）與PC通信。
PC具有高速的處理速度、可靠的操作平臺(tái)、海量存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)化、智能化等相關(guān)優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理（如模擬量運(yùn)算）時(shí)，PC的運(yùn)算速度通常是PLC、DCS的百倍以上。而且PC的存儲(chǔ)量非常大，系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)的存取非常方便。數(shù)據(jù)通信方面，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，基于PC級(jí)的高速處理速度已相當(dāng)成熟。PC的通訊技術(shù)，無論是PC間通信，還是PC與I/O組件間通信，通信速度都非?？?，如果通信線路的負(fù)荷過大，可以用多個(gè)PC分段控制，然后各個(gè)PC之間再進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信。這樣也能大大保證整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。對(duì)于出問題的部分也可以快速隔離開系統(tǒng)。
生產(chǎn)自動(dòng)化要求整個(gè)控制系統(tǒng)高度集成，保證整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作。PC可以通過專門設(shè)計(jì)的多通道的輸入輸出板卡將大量的模擬、數(shù)字、脈沖、開關(guān)量等信號(hào)進(jìn)行采集并處理，通過PC的高速處理，可以高速地進(jìn)行系統(tǒng)中某條生產(chǎn)線的過程控制，某一執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)控制，及現(xiàn)場多個(gè)部件的批量控制和邏輯控制。以高速的處理器、海量內(nèi)存、多線程處理和高速通信為基礎(chǔ)，PC控制相對(duì)較大的系統(tǒng)時(shí)更具優(yōu)勢(shì)。它可以更好地整合所有相關(guān)系統(tǒng)，有更好的協(xié)調(diào)能力和更快的處理速度。
因?yàn)?/span>PCBCS是一個(gè)開放的系統(tǒng)，基于已有的技術(shù)成果和相關(guān)知識(shí)，工程師可以更快、更好地設(shè)計(jì)出整個(gè)控制系統(tǒng)。因?yàn)?/span>PC的人機(jī)界面友好，接口非常簡單，元器件的通用性好，所以整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)試和維護(hù)也非常簡單。也是由于PC，系統(tǒng)中信息的存取非常方便，和其他上層之間的通訊也非常簡單，相關(guān)信息可以做到一目了然。
雖然PCBCS在硬件方面大大節(jié)省了成本，但在軟件編制方面卻變得相對(duì)困難。但是，PCBCS系統(tǒng)軟件的可移植性好，只有在做某一個(gè)新項(xiàng)目時(shí)軟件編制有困難，如果有其他相關(guān)軟件作參考，或在已有軟件基礎(chǔ)上升級(jí)，那么軟件的編制將會(huì)變得很簡單，很容易地開發(fā)出新的或升級(jí)的軟件。在現(xiàn)有的PCBCS基礎(chǔ)上，軟件的開發(fā)也不再是一個(gè)難題。
由于PC具有良好的人機(jī)界面，在控制過程中，各種相關(guān)信息逐一顯示，使操作者很容易對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行操作，實(shí)現(xiàn)整體控制。消除控制總的不利因素，完成控制任務(wù)。并且，操作者也可以進(jìn)行實(shí)時(shí)編程，實(shí)現(xiàn)其他一些系統(tǒng)所不能完成的功能
首次是PC應(yīng)用于工業(yè)環(huán)境受限。工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境比較惡劣，溫度、濕度、灰塵、電磁干擾等許多不利因素限制了PC的現(xiàn)場應(yīng)用。不過現(xiàn)有的工業(yè)級(jí)PC的穩(wěn)定性能已非常高，能滿足大部分現(xiàn)場的要求。而且，現(xiàn)有的PCBCS大多避免了PC直接應(yīng)用于現(xiàn)場，大多采用智能下位機(jī)，如PLC或其他智能設(shè)備，而用現(xiàn)場之外的PC通過與之快速通信來控制整個(gè)系統(tǒng)。而且，這一模式下各個(gè)智能設(shè)備之間獨(dú)立于PC通信，發(fā)生故障可以立即隔離發(fā)生故障的模塊，保證系統(tǒng)穩(wěn)定，也避免了PC直接應(yīng)用于現(xiàn)場。
其次PC自身的穩(wěn)定性也還沒有達(dá)到非常完美。雖然PC的各項(xiàng)性能有了極大提高，穩(wěn)定性也大大增強(qiáng)，但應(yīng)用于PCBCS中的PC要求有極高的穩(wěn)定性，這也是限制PC應(yīng)用于控制系統(tǒng)的一個(gè)重要因素。但基于PC的低成本，我們可以使用一臺(tái)或兩臺(tái)PC作為備用機(jī)應(yīng)用于系統(tǒng)，他們和當(dāng)前機(jī)同步工作，一旦當(dāng)前主機(jī)發(fā)生故障，備用機(jī)可立即檢測到并投入到工作中，保證了系統(tǒng)的正常運(yùn)行。
再有就是通信線路可能過飽和。雖然PC可以快速處理大量數(shù)據(jù)，但如果大量數(shù)據(jù)通過一組或幾組串行總線進(jìn)行傳輸，通信性能就會(huì)大大降低?？梢圆扇〉霓k法是采用多臺(tái)PC進(jìn)行信息的采集和處理，PC之間再可通過以太網(wǎng)高速通信，雖然這樣會(huì)是系統(tǒng)復(fù)雜性有所提高，但系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間會(huì)大大縮短。也可以對(duì)現(xiàn)場的一些簡單的或不重復(fù)的信號(hào)用嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行處理，保證重要信號(hào)的及時(shí)響應(yīng)。
為了可以避免網(wǎng)絡(luò)侵襲，建立安全、高效的互聯(lián)網(wǎng)的平臺(tái)，保護(hù)企業(yè)資源以及數(shù)據(jù)安全，網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)了查殺病毒的軟件和防火墻。網(wǎng)絡(luò)防火墻是企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)和企業(yè)外部網(wǎng)絡(luò)之間、專業(yè)網(wǎng)絡(luò)和共享網(wǎng)絡(luò)之間起到安全隔離的屏障，把通過共同線路的網(wǎng)絡(luò)信息進(jìn)行嚴(yán)格的處理，使眾多的內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)使用者避免受到非法人員的網(wǎng)絡(luò)攻擊，限制用戶的不合理的非法操作，這樣就很好的預(yù)防了許多黑客對(duì)普通用戶以及企業(yè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的惡性攻擊或者破壞。
但是，隨著黑客技術(shù)的不斷提高，防火強(qiáng)的防護(hù)作用就顯得不夠好了，尤其是其中的軟件部分。所以，在發(fā)展的歷程中，硬件防火墻就起到了重要的作用。比如，嵌入式硬件，它有比較高的處理速度，高效的吞吐量，以及可以在高流量的工作環(huán)境下運(yùn)行的依舊穩(wěn)定。
基于PC的控制系統(tǒng)一般認(rèn)為有如下優(yōu)點(diǎn)：PC價(jià)格低、數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)，系統(tǒng)及軟件易于安裝和使用，應(yīng)用項(xiàng)目開發(fā)周期短、人機(jī)交互性好，網(wǎng)絡(luò)通信方便，具有高級(jí)診斷功能，軟件透明性更好，系統(tǒng)維護(hù)成本低等。
例如，生產(chǎn)過程中的信息可以通過軟件而不是硬件從一處傳送到另一處，而且數(shù)據(jù)可以收集到excel中，可以方便分類、求平均值等，從而更好地理解工具的使用和機(jī)器異常。
轉(zhuǎn)自【CSDN社區(qū)】盧華東的博客
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