作者：Jeff Shepard

　　工業 4.0 控制系統設計人員需要權衡可編程邏輯控制器 (PLC)、可編程自動化控制器 (PAC) 和工業 PC (IPC) 之間的復雜性、靈活性和性能權衡，以優化整體網絡和系統性能。PLC提供了IEC 61131中標準化的相對簡單的可編程性，高速控制的優點，并且可以支持快速部署，但缺乏PAC和IPC的靈活性。

　　PAC通常使用C或C++，具有更大的內存容量，更多的功能和特性，更好的互操作性，并且編程更復雜，但在控制由多個基于PC的軟件應用程序組成的復雜自動化系統架構方面更強大。PAC 專為需要將 IPC 計算性能與 PLC 的魯棒性相結合的控制任務而設計。 已經引入了PLC，可以使用IEC 61131或C和C++等更高級別的語言中標準化的更簡單的可編程性。

　　對于PLC和PAC之間的解決方案，設計人員可以轉向基于Microsoft Windows或Linux操作系統(OS)的IPC。這些 IPC 專為工業環境而設計，采用堅固耐用的封裝，具有擴展的溫度操作能力。無論是使用 PLC、PAC 還是 IPC，設計人員都必須考慮通過 IEC 62443 網絡安全要求認證，以應對自動化和控制系統中的操作技術。

　　本文首先回顧了在工業過程控制中選擇 PLC、PAC 和 IPC 時的編程、性能、模塊化和可擴展性權衡，并探討了每種技術最適合的網絡架構選項。它考慮了編程權衡和每個選項可用的輸入和輸出 (I/O) 數量，以及通信和特殊要求，如運動控制或安全關鍵功能。最后，它展示了一個示例性的 PLC 菲尼克斯電氣，PAC 來自 美國ICP系統 和 研華， 以及三個IPC，一個來自研華，兩個來自 楓樹系統.本文還詳細介紹了它們如何支持工業4.0安裝的需求。

　　編程和 I/O 的可用性是在 PLC、PAC 和 IPC 之間進行選擇時的關鍵之一。PLC使用梯形邏輯進行編程，通常針對需要簡單高速操作的機器控制進行了優化。與 PAC 或 IPC 相比，PLC 具有更小的存儲器和有限的 I/O。IPC 可能會面臨執行實時控制的挑戰，并且 I/O 比 PAC 更有限。

　　使用標準操作系統意味著IPC通常可以通過可重用的編程工具和預構建的軟件應用程序支持更短的開發時間。IPC 通常用于監控和數據采集 (SCADA) 架構中的更高級別的控制功能。IPC 可以提供靈活的編程、大內存、模塊化和人機界面 (HMI)，如觸摸屏平板顯示器。

　　基于 PC 的 IPC 架構可以支持 USB、RS-232、RS-422/485 和以太網接口。現場設備可以使用串行或USB連接，而以太網支持I/O控制和從工廠車間到企業更高級別的信息流。

　　可擴展性和計算能力

　　PAC 非常適合具有廣泛過程控制和數據處理要求的安裝。與PLC和IPC相比，PAC可以處理更多的I / O，并且可以具有更多種類的模擬和數字I / O。它們還具有更大的內存、更專用的特性和功能以及高水平的互操作性。雖然IPC具有基于PC的模塊化架構，但PAC通常以多插槽格式提供，使工藝工程師能夠添加各種I/O組合和其他針對工廠自動化需求進行優化的模塊。

　　PAC 支持多種軟件，包括基于 PC 和 PLC 的軟件，如 IEC 61131 梯形邏輯。對于更高級的編程需求，PAC 可以處理用于 I/O 控制、數據處理和通信的 C、C++ 和 .NET 庫。PAC 將可擴展性與高水平的計算能力相結合(圖 1)。

　　圖 1：PAC 提供計算能力和可擴展性的最高組合。(圖片來源：研華)

　　當然，使用 PLC、IPC 和 PAC 并不是“非此即彼”的選擇。大多數大型工業設施都采用混合設備。PLC長期以來一直用于機器控制。PAC通常更有效地處理機器人中的多軸運動控制。IPC在密封外殼中采用復雜的散熱設計，使其能夠在更具挑戰性的環境條件下更深入地部署到工廠中。隨著工業 4.0 的不斷發展，PAC 也在不斷發展。PAC可以在控制應用中與PLC競爭，在數據采集和通信應用中與IPC競爭。

　　具有以太網通信的 PAC 支持以菊花鏈和直接堆棧等各種配置靈活部署 I/O 模塊。PLC 上的 I/O 的可靠性通常被認為比 PAC 上的 I/O 更可靠，但這種情況已經改變，PAC 可提供高度可靠的 I/O 模塊。PAC 提供高密度和熱插拔功能，并支持實時控制。PAC模塊也支持工業數據采集功能。PLC 在簡單應用中比 PAC 更具成本效益，但也有一些相對簡單的 PAC。隨著工業 4.0 對邊緣計算、數據采集、控制和通信的需求不斷增加，PAC 可以成為一個有吸引力的選擇，結合了 PLC 和 IPC 的優勢。工業 4 中的高性能控制系統架構。0 需要 PLC、IPC 和 PAC 的最佳組合(圖 2)。

　　圖 2：PLC、IPC 和 PAC 用于工廠現場現場的本地自動化控制網絡。 (圖片來源：研華)

　　IEC 62443

　　IEC/ISO 62443系列標準旨在實現工業自動化系統從設計到實施以及持續管理和操作的安全運行。它專注于工業控制系統(ICS)的網絡安全。IEC 62443 旨在與 IEC/ISO 27001 一起使用，后者規定了如何管理信息技術 (IT) 系統中的信息安全。這兩個標準相結合，提供了一種全面的方法來防范從工廠車間到企業信息技術 (IT) 網絡的網絡威脅。IEC/ISO 62443 認可五個安全級別 (SL)：

　　SL0：無需特殊保護。

　　SL1：防止無意濫用。

　　SL2：通過使用少量資源的簡單方法防止故意濫用。

　　SL3：通過了解ICS和適度資源的復雜手段防止故意濫用。

　　SL4：利用ICS知識和大量資源，通過復雜的手段防止故意濫用。

　　先進的可編程控制器

　　需要高級 PLC 的應用可以轉向 PLCnext Control AXC F 3152 系列，例如 1069208，來自菲尼克斯電氣。這些 PLC 包括三個獨立的以太網接口。他們有一個 Linux 操作系統，實時支持 C、C++、C# 和 MATLAB Simulink 等高級語言，以及符合 IEC 61131-3 的標準 PLC 編程(圖 3)。這些 PLC 還支持并行編程和編程語言的組合。在計算需求有限的應用中，這些 PLC 提供了 PAC 的替代方案，最多可并排安裝多達 63 個 I/O 模塊。這些控制器已通過 IEC/ISO 62443 認證。為了加快應用程序開發速度，網絡工程師可以使用簡單的云集成來添加開源軟件，包括應用程序、軟件模塊、運行時系統和功能擴展。

　　圖 3：1069208 PLC 支持 C、C++、C# 和 MATLAB Simulink 以及標準 IEC 61131-3 編程語言。(圖片來源：菲尼克斯電氣)

　　政治行動委員會

　　對于復雜的控制任務，設計人員可以使用研華的ADAM 5000系列控制器。這些控制器將 PLC 的可靠性與 IPC 的靈活性和開放性相結合，并提供一系列配置，如 8 插槽 ADAM-5000/TCP-CE (圖 4)和四插槽 亞當-5000/485-AE.ADAM 控制器可與 ADAM-5000 I/O 模塊(如 16 通道)結合使用 亞當-5056SO-AE 數字 I/O。控制器基于 ARM 32 位 RISC 處理器。功能包括：

　　自動協商 10/100Base-T 高速通信端口

　　Modbus/TCP 支持，易于集成

　　對事件處理的 UDP 支持

　　以太網通信，具有 1，500 Vdc 隔離，支持遠程配置和長達 100 m 的通信距離，無需中繼器

　　C、C++ 和 .NET 庫以及 IEC 61131-3 語言作為編程工具提供

　　內置看門狗定時器，用于系統自動復位

　　支持多達 8 個主機 IPC 的并發訪問

　　圖 4：ADAM-5000/TCP-CE 具有 8 個 I/O 模塊插槽，可滿足各種自動化和控制需求。(圖片來源：研華)

　　適用于小型系統的 PAC

　　對于需要復雜控制功能的小型系統，開發人員可以使用 IPC DAS USA 的 I-7188XBD-CAN 系列 PAC，該系列 PAC 由 80188-40 處理器提供支持，具有 512 KB 字節的閃存和 512 KB 的靜態隨機存取存儲器 (SRAM)。可用的通信接口包括 CAN、RS-232 和 RS-485。內置的MiniOS7操作系統支持使用C和C++編程。I-7188XBD-CAN 有一個集電極開路數字輸出通道和一個數字輸入通道。它與 CAN 規范 2.0 部件 A 和 B 兼容，可編程傳輸速率高達 1 兆比特/秒 (Mbps)(圖 5)。

　　圖 5：I-7188XBD-CAN PAC 由 80188-40 處理器供電。(圖片來源：IPC DAS USA)

　　工控機

　　IPC 有多種配置可供選擇，適用于各種工業環境。研華的TPC計算盒模塊，如 TPC-B200-E12AE， 額定工作溫度高達 +60°C，由第 6 代英特爾酷睿/賽揚處理器和 4 千兆字節 (GB) DDR3L 靜態 DRAM (SDRAM) 供電，可擴展至 8 GB。它包括具有集成的可信平臺模塊 (TPM) 2.0 安全性的 Windows 10 IoT 企業操作系統，符合 IEC 62443-4-2 的 SL3 和 SL4 要求。 TPC 系列與工業級 LED LCD 觸摸屏顯示器(如 21 英寸)結合使用時，為工業網絡提供緊湊的無風扇控制面板解決方案 FPM-D21W-BE.FPM 監視器支持兩個獨立的視頻接口，具有畫中畫 (PiP) 功能，信號傳輸距離可達 100 m。

　　對于更苛刻的環境，楓葉系統提供 AEX-2410 擴展溫度工業箱式 PC，具有 IP66 不銹鋼外殼，額定值為 1 級，2 級操作，帶有 M12 防水連接器。在易燃氣體、蒸氣和液體材料濃度不足以點燃的設施中，需要 1 類 2 分區外殼。這些 IPC 具有英特爾賽揚 N2930 四核 1.83 GHz 處理器和 Windows 操作系統。它們的額定工作溫度范圍為 -20°C 至 +60°C

　　網絡工程師可以求助于 PC1321BP-C04M7B，21.5英寸IPC從楓樹系統，當有一個電容式觸摸顯示器IPC時。它基于具有多種內存和存儲選項的英特爾奔騰N4200四核處理器，以及Windows 10 IoT 2019操作系統。它配有鋼制底盤和鋁制散熱器。AVEVA Edge 是一個高度可擴展、靈活的軟件包，支持從高級 HMI/SCADA 實施到小尺寸嵌入式應用程序的一系列應用，也是一個可用的選項。這些 IPC 支持視頻電子標準協會 (VESA) 安裝座的面板安裝。

　　總結

　　PLC、IPC 和 PAC 為工業過程控制網絡工程師提供了一系列工具，以構建高性能、靈活和可擴展的解決方案。此外，PLC、IPC 和 PAC 具有各種功能，這些功能可能會使選擇最佳設備組合變得復雜。最后，必須考慮編程語言、安全實現和操作環境的選擇。