PCC——一種具有獨特理念的高效、實時、開放的PLC

摘 要：PCC（Programmable Computer Controller，即可編程計算機控制器）是一種融合了傳統的PLC和IPC的優點，具有獨特理念的模塊化控制裝置。本文著重從以下幾個方面來闡述PCC的特點及優勢：分時多任務操作系統；強大的系統能力；軟件的集成開發環境；高可靠性；由PCC的CPU和X20 I/O構成的全開放分布式系統。PCC正逐漸被業內人士認識和接受，并因其卓越的性能而在多種工業領域中獲得越來越廣泛的應用。
關鍵詞：可編程計算機控制器；X20 I/O ；分布式控制系統；分時多任務操作系統；實時性和開放性

0 引言
可編程控制器PLC和工業計算機IPC已先后推出多年，它們在各自不同的應用場合已獲得了十分廣泛的應用。在多年的應用實踐中，PLC運算/處理能力不強、實時性、開放性較差和IPC可靠性及可擴展性較差的缺點已逐漸暴露出來，尋求一種性能更為優良的控制器已成為各類工業用戶的迫切需求，由奧地利貝加萊公司 （B&R）于1994年首先推出的PCC就順應了這一趨勢，它融合了傳統的PLC和IPC的優點，既具有PLC的高可靠性和易擴展性，又有著IPC的強大運算/處理能力和較高的實時性及開放性。
PCC的硬件結構和外貌與PLC十分酷似，但前者具有更強大的處理能力和更高的實時性；在軟件功能方面，它又與某些PC-Based類似，不過其可靠性和環境適應能力卻大大優于后者。
經過十多年的發展和應用，PCC已成為當前工業控制器發展的新方向之一，以PCC作為控制系統核心的方案正逐漸成為工業自動化系統配置的一種新格局。

1 PCC的特點及優勢
1.1 PCC在硬件方面的特點
在硬件結構方面，PCC的特點是很明顯的，它兼具了PC機采用高性能 CPU及大容量存儲單元和PLC采用模塊式結構的優點。
（1）模塊式的插裝結構，可帶電插拔
PCC具有全模塊式的插裝結構，在工業現場可以安全、方便地帶電插拔；PCC的CPU和I/O模塊結構緊湊，體積小巧，接線端子密集，而且在模塊供電及工作狀態顯示等諸多方面有著完善、精巧的設計。
（2）其CPU采用了多處理器結構并配備了大容量存儲單元
PCC除了其高性能的主CPU以外，通常還配置了另外兩個處理器，即一個PCC的CPU模塊上有三個處理器，這就最大限度地提高了系統的處理能力。
在其核心的運算模塊內部，PCC為其CPU配備了數倍于常規 PLC的大容量存儲單元（100K-64MB），這無疑為功能強大的系統軟件和應用軟件提供了有效的硬件支持。
PCC采用可插卡式的CF卡作為存儲介質，最大存儲容量可達8GB。
（3）配備了多種信號和通信接口
PCC為工業現場的各種信號和應用提供了許多專用模塊和功能模塊，如溫度、張力、步進電機驅動、示波器、鼓序列發生器信號、增量式脈沖編碼信號、稱重信號和超聲波信號、電力測量與并網同步、PWM輸出等。它們將各種形式的現場信號十分方便地接入以PCC為核心的數字控制系統中，用戶可按需要對應用系統的I/O通道進行數十點、數百點乃至數千點的擴展與聯網。PCC的所有數字量輸入端都經過了光電耦合隔離，模擬量輸入端也都經過了RC濾波處理，因此它具有很好的抗電磁干擾能力。
在PCC模塊內部，CPU的數據總線與I/O總線分離，并配置有獨立的I/O處理器。主CPU內含有一個獨立的時間處理單元TPU （Time Processing Unit ），在不增加CPU負荷的前提下高速處理簡單或復雜的定時任務，其基準計時頻率可高達6.29MHz，因此目前被廣泛應用于頻率、相位測量及PWM（脈寬調制）等要求極高精度的時間處理場合中。
此外，CPU的主板集成了多種通信接口，PCC還是一款開放性極高的產品，配置了多種通信模塊。
（4）以專用模塊的方式對高精度運動控制功能和智能溫度控制功能進行集成
運動控制功能：高速編碼計數、速度和位置補償、電子齒輪傳動、凸輪仿形、多軸插補、CNC技術、飛鋸等；
溫度控制模塊：傳感器直接接入，每50ms處理一個PID調節回路，帶自校正PID調節和參數整定功能。
1.2 分時多任務操作系統理念和多樣化的應用軟件設計手段
常規的PLC大多采用單任務的時鐘掃描或監控程序（某些高檔的PLC，如西門子的S7-300/400系列、羅克韋爾的ControlLogix系列等除外），來處理程序本身的邏輯運算指令及對外部I/O通道的狀態采集與刷新，整個應用程序被包含在一個循環周期內（如圖1所示）。但在一個控制系統中，雖然有一些工藝量對實時性的要求很高，但同時卻有更多的工藝量對實時性沒有特殊的要求，如果采用同樣的刷新速度來處理它們其實是對系統資源的浪費，而且循環掃描的運行機制也導致了系統的處理周期主要取決于應用程序的大小，如程序復雜龐大，掃描周期就必然加長，這無疑是與I/O通道對高實時性的要求相違背的。在圖1和圖2中， A和B為壓力控制（回路控制）任務，它們的掃描時間分別為1ms和2ms；而C和D為邏輯控制任務，它們的掃描時間分別為5ms和2ms。看來這是一個邏輯控制任務程序量較大的PLC/PCC應用程序。圖1表示常規PLC的運行模式，在該圖上部的任務組合方式中，整個任務（A+B+C+D）被包含在一個掃描時間為10 ms的循環周期內，在該圖下部的任務組合方式中，整個任務（A+B+C）被包含在一個掃描時間為8 ms的循環周期內。可以看出，總的應用程序處理周期為各任務的程序掃描時間的和，程序周而復始地循環執行。
而貝加萊PCC系統的設計方案則完美地解決了這一問題，與常規PLC相比較，PCC最大的特點就在于其引入了幾類大型計算機的Runtime定性分時多任務操作系統理念，并輔之以多樣化的應用軟件設計手段。由于實行分時多任務的運行機制，應用程序可以按照工藝功能和優先級的不同分別設置成不同的任務和不同的任務級別，并可根據要求自行設定任務的循環時間，使得應用任務的循環周期與程序長短無關，從而將應用程序的掃描周期同真正外部的控制周期區別開來，滿足了真正實時控制的要求，而且它可以在CPU運算能力允許的前提下，按照用戶的實際需求而做相應調整（如圖2所示）。圖2表示PCC-定性分時多任務操作系統的運行模式，按照邏輯控制和壓力控制任務分類組合（即圖3中的系統模塊）控制。在該圖上部的邏輯控制任務組合中，邏輯控制任務C、D被有機地分布在間隔為5 ms的5個時間段中按優先級順序先后執行，邏輯控制任務C、D執行時恰好壓力控制任務A、B不執行，邏輯任務的處理周期為20 ms；在該圖下部的壓力控制任務組合中，壓力控制任務A、B在每一個5 ms的時間間隔中均按順序先后執行，壓力控制任務A、B執行時恰好邏輯控制任務C、D不執行，壓力任務的處理周期為5 ms。可以看出，各個任務是按照分時的運行模式執行的，各分類任務組合則按照自己的處理周期（如邏輯任務的20 ms和壓力任務的5 ms）周而復始地循環執行，但壓力任務的優先級明顯高于邏輯任務的。

基于分時多任務操作系統，PCC的應用程序可分為多個獨立的任務模塊，這樣就給項目應用軟件的開發帶來了很大的便利，因為這樣可以方便地按控制項目中諸如數據采集、報警、PID調節運算、通信控制等各部分的不同功能要求，分別編制出相應的控制程序模塊（任務）。這些模塊既各自獨立運行，而其數據間又保持一定的相互關聯，它們經過分步驟的獨立編制并完成調試之后，一并下載至PCC的用戶程序存儲區中，在該分時多任務操作系統的調度管理下并行運行。在這個多任務系統中，根據不同任務對實時性能的不同需求，設計人員可以指定不同的優先等級并確定它們各自的循環周期，從而實現確定的分時多任務控制。即便某個任務處于等待狀態，別的任務也可繼續執行。這一系統特點，可示于圖3中。

這種多任務的運行機制，采用了大型應用軟件的模塊化程序設計思想，帶來了項目開發效率上的提高，有著常規PLC所無法比擬的靈活性。因為多任務的思想使得各個任務模塊的功能描述更趨清晰簡潔，用戶可以自行開發既具有自己特點而又不乏通用性的獨立功能模塊，并將其封裝以便于日后在其他應用場合中重新使用。
1.3 強大的系統能力和極高的處理速度
（1）高性能、全開放、集成化的CPU
貝加萊的PCC主要包括2005、2003和X20 CPU三個系列，由于其在網絡通信方面的開放性和結構上的模塊化，這三種系列的PCC在構成控制系統的方式和規模上又是十分靈活的。貝加萊2007年推出的X20系列PCC成為了高精度機械自動化和高可靠性過程自動化等復雜、靈活自動化系統的通用選擇。
X20 CPU——新一代PCC的CPU，基于Intel X86 Processor技術，采用Runtime實時操作系統，秉承了貝加萊PCC的定性分時多任務的控制特點，可采用符合IEC61131-3標準的多種工程編程語言以及Automation Basic、ANSI C兩種高級語言編程。
X20 CPU的主板集成了多種通信接口，包括RS232、標準以太網接口TCP/IP、工業實時以太網接口Ethernet POWERLINK、2個USB。采用可插卡式的CF卡作為存儲介質。
X20 CPU是一款開放性極高的產品，通信模塊系列包括了CAN、Ethernet POWERLINK、Profibus、DeviceNet、Modbus、RS485/422、RS232等，方便擴展和兼容各種目前市場上主流的現場總線，體現其開放式的網絡架構。CP3486的主板具有三個通信模塊接口。
（2）CPU的多處理器結構和極高的系統響應速度
系統的響應速度不僅由CPU決定，還與I/O數據的傳輸速率有關。PCC的主CPU本身速度極快，同時還借用大型計算機的結構，采用I/O-Processor單獨處理I/O數據傳輸，采用DPR-Controller雙向口控制器負責網絡及系統的管理。也就是說，一個PCC模塊上有三個處理器，它們既各自獨立而又相互關聯，最大限度地提高了整個系統的速度。
CP3486是X20 CPU系列中性能最高的產品，采用了Intel Celeron 650 處理器及附加的I/O 處理器和浮點處理器FPU。系統的單步指令處理周期最快可達到0.01μs，單個工作任務循環周期可達200μs，是當前世界上性能最強、運算最快的PLC/PCC CPU之一。
系統頻率、相位測量響應速度極快：主CPU內含有一個TPU, 可計算處理頻率高達4MHz至6MHz的脈沖信號，因而能巧妙地解決系統的頻率和相位測量問題，該功能在電力系統中可實現快速自動準同期并網。
（3）強大的數據通訊功能
PCC在遠程通信方面的靈活性，是區別于常規PLC的另一顯著標志，作為現場分布式控制系統的主要供應商之一，貝加萊為此提供了十分靈活多樣的解決方案。除在1.3（1）中已提到的各種開放式現場總線的網絡方案之外，PCC還提供了多種網絡協議，用戶不僅可以采用貝加萊的獨有網絡協議，也可以方便地與其他廠家的PLC或其他工控設備聯網通信（如Siemens、羅克韋爾 AB、施耐德Modicon等），在一些特殊情況下，PCC還為用戶提供了創建自定義協議的幀驅動（Frame drive）工具。特別值得一提是Ethernet POWERLINK網絡協議，這是2001年貝加萊公司當競爭對手還在討論實時工業以太網概念的時候，便在全球第一次推出實用化的實時工業以太網絡，這也是全球第一個開放的安全級（SIL3）實時工業以太網。2007年初該公司又發布了千兆級實時工業以太網Ethernet POWERLINK（如圖4所示）。由于具備這樣的技術優勢，PCC常常能輕松地實現與各種不同產品，不同通信協議的高效互聯。

1.4 軟件的集成開發環境及靈活的軟件開發方式
（1）集成化軟件開發工具Automation Studio
PCC的編程組態軟件采用Automation Studio集成化軟件工具，基于同一個軟件平臺，全部解決整個自動化項目的集成。在該軟件平臺中同時集成了觸摸屏畫面組態、PCC編程調試、伺服驅動器編程、離線與在線仿真測試等豐富的軟件開發功能，從而可以大大地提高項目的開發效率。
（2）靈活的軟件開發方式
PCC的編程器采用普通PC機，配以一套功能強大的集成化軟件開發工具Automation Studio。除編制和組態應用程序以外，它還能為工程師提供源程序級的單步、斷點、單周期及PCC在線錯誤自診斷等多種形式的調試手段，使應用程序的開發十分靈活便捷。另外，通過開發軟件包所提供的多種函數，用戶可在短時間內編制出高效而復雜的控制程序。
一個項目中的各項軟件任務可以由不同的程序員分別編制，各程序員基于共同的約定，可以靈活地選用不同的編程語言，這就意味著不僅在常規 PLC上一直為人們所熟悉的梯形圖、指令表、順序功能圖、功能塊圖和結構化文本等符合IEC61131-3標準的工程語言可以在PCC上繼續沿用，而且程序員還可采用更為高效的高級語言，比如ANSI C 和Automation Basic，并可以在同一個項目中同時采用多種語言混合編程，從而較易實現復雜的數學運算功能和過程控制算法。而且所有這些編程語言，PCC都采用“符號變量”來標識外部I/O通道及內部寄存器單元 （例如用戶可用motor_run來代表某開關量輸出通道，button_down代表某開關量輸入通道）。這樣，軟件開發人員毋需熟知 PCC內部的硬件資源分布，而只須集中精力于項目本身的工藝需求，即可迅速編制出結構清晰功能明確的控制程序來。
（3）貝加萊與亞控科技合作打造了King View for B&R定制化軟件
從2007年開始，貝加萊便與中國民族自動化軟件的開拓者北京亞控科技合作，以亞控組態王6.53為基礎，為貝加萊量身定制了Kingview for B&R軟件，方便、快捷、易學易用是此款定制化軟件的亮點。最近該軟件已正式推出，它是對Automation Studio的補充，可以說是如虎添翼。KingView for B&R軟件除具有組態王6.53所具備的功能外，還具有以下特點：
＊ 以驅動的方式支持貝加萊的所有系列產品；
＊ 支持冗余服務器、冗余CPU、冗余網絡；
＊ 支持自動上傳PCC中的變量；
＊ 支持結構體和數組變量類型。
目前，此產品已成功地應用于許多行業。如：在甘肅某水泥項目上的應用，受到了客戶的普遍贊譽。
King View for B&R軟件的誕生，為專業于SCADA系統的客戶提供了極大的便利，客戶不用再為眾多不同的OPC配置方法而苦思冥想，不用再為定義兩遍標簽變量而煩惱。King View for B&R軟件是一款真正適合中國客戶使用的軟件。
1.5 高可靠性和易移植性
（1）高可靠性
PCC具有極高的可靠性，平均無故障時間MTBF達到50萬小時（相當于57年）以上，屬于免維護產品，明顯高于一般的PLC和IPC（目前市場上最好的PLC硬件平均無故障時間MTBF達到30萬小時）。
（2）可移植性強
在不同系列、不同型號的PCC上所編制的程序，都可以不用修改源碼本身，而直接移植到另外的PCC系列或者類型上。這是因為貝加萊所有的PCC硬件平臺都基于相同的操作系統內核，而且采用標簽變量關聯的編程方式，所以用戶在編程時不需要過多關注實際的硬件I/O映射關系（只需要將各個標簽名分別映射到相關的I/O通道上），而把主要注意力集中在工藝算法本身。

2、由PCC的CPU和X20 I/O構成的全開放分布式系統
2.1 高標準設計的全開放型、高密度X20 I/O系統
近兩年，對I/O產品的開放性和兼容性的需求越來越強烈， X20 I/O系統是真正意義上的開放型I/O系統：其開放的I/O系統至少可以為用戶節約20%的成本，同時獨到的I/O模塊設計，為用戶帶來了更多利益，如結構緊湊，符合人體工程學；極高的組件密度和I/O 通道密度；模塊化安裝，且其安裝、調試、維護簡便；現場分布式I/O架構；可支持預接線及熱插拔技術；支持幾乎所有主流現場總線標準；兼容多種主流品脾的PLC CPU，如Siemens、Rockwell AB、Schneider、OMRON等。開放的I/O使用戶在選擇I/O產品時，突破品牌的限制，盡享標準化I/O所帶來的利益。

X67 I/O系統，不僅秉承了X20 I/O的優勢而且具備IP67防護等級，可以直接安裝在電控柜外面，具有防水、防塵功能。為滿足項目需求及非常規的應用要求，X20系列產品除包括常用的數字量和模擬量I/O模塊外，還為用戶開發了高速計數、PWM、編碼器、NC等多種功能強大的專用模塊。并且所有I/O模塊的每個通道均留有便于萬用表探針進入的測試維護孔，這也是非常人性化的一種設計。
2.2 使用全開放的X20總線控制器和POWERLINK等現場總線實現X20 I/O模塊的擴展并可構成兼容于第三方控制系統的遠程分布式I/O系統
X20的總線控制器模塊能夠讓客戶自由、靈活地選擇各種系統架構，讓用戶真正做到按需求來決定架構。
X20總線控制器能夠兼容多種主流的現場總線，主要包括以下：Ethernet POWERLINK、 EtherNet TCP/IP、CANopen、Devicenet、Profibus-DP、Profinet、Modbus TCP/IP等。同時，貝加萊還推出了帶有CPU性能的智能總線控制器，該類型的總線控制器在幫助用戶擴展X20 I/O模塊的同時，還能進行數據的采集和處理。
經總線控制模塊，X20 系統可作為一個強大的I/O擴展站。標準化EDS或GSD描述文件能幫助用戶在非B&R系統的第三方編程環境下簡便地完成對X20系統組件的集成、配置和編程。無論用戶目前或以前所使用的控制系統（如PLC）是哪一家主流自動化生產廠商所提供的，B&R的X20 I/O模塊都可以通過總線控制器方便地與它們的CPU連接；如果客戶使用的是成套的貝加萊PCC系統，那么也可以在貝加萊任何一款PCC系統中通過X20 總線控制器連接X20 I/O模塊。
X20BC0063總線控制器+X20 I/O
Siemens Control System
西門子S7 PLC控制系統
X67 I/O

在圖6中，X20BC0063是帶Profibus-DP總線接口的總線控制器，如西門子PLC系統的主站是S7-300，從站控制器是貝加萊的X20BC0063或X67BC6321，將X20BC0063或X67BC6321總線控制器模塊的GSD文件導入STEP 7中，即可在S7-300 PLC系統硬件組態時識別X20/67 I/O模塊。貝加萊I/O的設備描述文件（GSD或EDS）可以直接從貝加萊中文網站的主頁下載。
X20分布式控制的設計理念，不僅是一整套完整的控制系統，還可以使用CAN、Ethernet POWERLINK 、X2X、Profibus等總線把遠程分布式的模塊組方便地連接起來，使傳統的控制技術和分布式I/O技術完美地實現了結合。每個分布式底板之間，在不需任何中繼轉換器支持的情況下，采用X2X通訊其間隔距離最大可達到100m，速率可達12MHZ，支持253個I/O站。采用銅芯雙絞線作為站間X2X link的通訊介質，可實現最大限度的抗干擾。無論是本地I/O還是遠程I/O，用戶可靈活方便地決定其整體拓撲結構。靈活的分布式架構，不但可以無縫連接X20、X67，還可以根據不同需求做出完整的解決方案。X20分布式控制系統還可采用環網冗余、通訊電纜冗余等方案來構成冗余系統以提高其可靠性。

3、結束語
PCC 作為一種可編程計算機控制器，是專為在工業環境下應用而設計的，它既是一種新型的定性分時多任務PLC，又是一種模塊化插裝結構的IPC或PC-Based。它不但具備傳統PLC的所有功能，同時融合了最新的IT網絡技術和可選擇的高級語言編程環境，具有更強大的數學運算能力、網絡通信能力、抗干擾能力和控制能力，從而代表了PLC的發展方向，具有更高的可靠性、更強大的功能和更廣泛的適用性。
為了順應PLC、IPC及DCS技術相互融合相互促進的工業自動化發展潮流。貝加萊的PCC攜其DCS APROL和工業計算機Automation PC，已越來越廣泛地進入各類工業應用領域，并日益顯露出其不可低估的發展潛力。

參考文獻
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[ 2 ] 《TM ×××貝加萊培訓使用手冊》——貝加萊工業自動化，2006年4月。
[ 3 ] 樊惠芳.一種新型可編程序控制器 PCC ，2007。