談對德國倍福(BECKHOFF)新一代嵌入式PC CX100

1 引言
作為專業的自動化設計和制造公司，德國倍福(Beckhoff)公司提出了一種新的理念:為什么我國不可以制造出一種基于工業PC和PLC之間的嵌入式PC。這就是今天要說道的嵌入式PC CX1000.Beckhoff 的CX1000 。新產品是針對需要帶有工業PC特性和計算性能的功能，并且不打算購買整臺PC機的客戶而設計的。它很好地結合了兩個領域:工業PC和硬件PLC。不僅兼容了傳統PLC的所有功能，而且還有運動控制和組態(HMI)功能，我們稱之為“導軌式的三位一體化多功能控制器”，可廣泛用于機械設備控制，樓宇，注塑，冶金，汽車制造，污水處理，遠程監控等各個領域。

2 倍福CX1000系列硬件簡介
2.1 倍福的PLC的層次結構
倍福的PLC(CPU)分為四個層次，由小到大分別是:BC系列，BX系列，CX系列,和運行在IPC上的TWINCAT PLC.這四個層次的PLC不論其硬件結構、規模都使用同一個自動控制軟件包TwinCAT來進行配置和編程。同我們日常所見到的PC機一樣，CX1000包括兩個部分:CX1000 CPU和CX1000的系統接口。
CX1000 CPU模塊是CX系統的基本模塊(見圖1)，內部采用時鐘頻率為266MHz的奔騰MMX處理器，內存可以擴展到32M閃存/128MRAM。再配上Microsoft Windows CE.NET 或Microsoft 嵌入式Windows XP操作系統就把CX1000系統轉化成一個功能強大的PLC和運動控制系統。如果再配上顯示終端和鼠標，鍵盤就不僅可以達到控制、而且也能達到監視的目的，由于配備了操作系統，它的通訊功能也是令人嘆為觀止的，如果再把一根網線插在CPU模塊以太網連接口上，便可以隨意的上網。

圖1 CX1000-基本CPU模塊面板圖

2.2 倍福PLC(CPU)的接口
CX1000由于內置了操作系統，它的接口也是豐富多彩的，包括有標準監視器, 打印機，掃描儀，鼠標，鍵盤和BECKHOFF專門提供的專用接口模塊(見圖2):

圖2 部分接口模塊的面板圖

(1) USB/DVI接口模塊CX1000-N001:可連接BECKHOFF的控制面板或標準顯示器以及鍵盤，鼠標，觸摸屏等。
(2) COM2/COM3接口模塊CX1000-N002:主要用于提供2個附加的串行接口，最大傳輸速度為115K
(3) 音頻接口模塊CX1000-N003: 主要提供音頻輸入輸出接口。
(4) 視頻接口模塊CX1000-N004: 主要提供視頻的輸入輸出。

3 倍福CX1000嵌入式PC的新特點
3.1 一臺CX1000上，最多可以有4套PLC
把一臺CX1000分成4套PLC獨立運行，這4套PLC具有獨立的端口地址，其內部資源(如計數器，定時器，存儲區，全局變量等)完全獨立，互不相關，相互之間的數據訪問也要通過專門的ADS指令，而不是直接的數據調用。各套PLC可以單獨控制其啟動和停止。這在工程上大大降低了資源沖突的風險。例如有一個大的項目，如果項目經理把編程任務分配給4個工程師去做，用別的PLC的話我們可能要花很多的時間來分配PLC的資源(計數器，定時器，存儲區)使它們不會發生沖突。而這樣的情況在CX1000上絕對不會發生。
而且每個PLC又可以設4個獨立的任務等級，每個任務等級可以自由調用程序。每個任務等級的循環周期可以自由定義，根據處理器的速度，最快可以將循環周期設定為50μs。而在傳統的PLC中，啟動時立即執行的程序只有一個，其它程序都要通過這個入口來調用。而CX1000支持多任務功能，用戶可以非常方便的處理需要快速執行的任務。并且循環周期可以自由設定。

3.2 借助PC處理器可快速執行命令
由于借用了PC處理器這樣工業應用就可以共享商業PC處理器技術的成果，使速度更快，而無需控制系統的結構和程序。例如，執行1000條代碼指令，用傳統的PLC需要1500μs，而使用CX1000，266MHz的CPU，僅需要54μs。

3.3 支持源代碼的上載
傳統的PLC不支持源代碼的上載，程序上載之后，不帶注釋，程序段中也只有直接地址顯示，而沒有變量名。數據塊上載之后，也只有直接地址，沒有變量名。如果工程師手上沒有原來的程序，單看PLC上載的程序，對照工藝流程和電氣線路圖，是非常辛苦的。尤其是大型項目，或者在生產過程中，PLC程序經歷了多次小的改動，而工程檔案又沒有及時跟進的話，問題將比較麻煩。這也就是我們常說的PLC不支持源代碼下載。而倍福的CX1000很好的解決了這個問題。可以說支持源代碼上載是其最突出的亮點之一。

3.4 其它一些特點
其它的一些特點主要有:定時器，計數器，內存量和程序長度不受限制。處理映象的大小輸入輸出都為65535個字節。使用國際通用的五種編程語言功能強，操作容易。控制分布式I/O，支持各種現場總線標準(lightbus, profibus, canopen, Sercos，DeviceNet).提供OCX,DLL接口文件和OPC Server功能，可用VB，VC等開發組態軟件或與其它工業管理軟件集成，例如可與國產組態王直接通訊，CX1000底層的通訊驅動程序已經做在了組態王里面。支持地址映射，編程時無需考慮I/O地址，只需要最后導入時執行映射操作。自帶有2行，16字符的液晶顯示(可編程顯示)。

4 倍福CX1000編程于組網
4.1 編程方式
倍福CX1000與TwinCAT自動化軟件的結合使CX1000工業PC成為一個擁有4個用戶任務的強大的IEC61131-3 PLC。此外，還可執行運動控制任務。依據所需的循環時間，可以控制幾個伺服軸。即便是特殊功能(如飛行前饋，電子齒輪，凸輪碟等)。依據所使用的操作系統. CX1000系統有兩種編程方式:
(1) 以態網遠程編程。如果基本單元裝有 Windows CE.NET,則選用這種方法。此時，系統可通過便攜式或臺式PC機編程，并通過以太網(網絡或傳輸電纜)與CX1000相連。程序在裝有正版Twin CAT軟件的便攜機編寫，然后下裝到目標設備。
(2) CX1000本地編程。如果基本單元裝有嵌人式Windows XP.則選用這一方法。此時，對CX1000的編程與標準的工業PC相似;所有TwinCAT工具在目標設備上運行. CX1000可被直接編程。此外，也可通過以態網進行遠程編程。
CX1000系統采用何種操作系統和TwinCAT版本,在很大程度上取決于不同的應用。如果重點是完全可視化或者新開發的Windows 95/98/NT/2000程序已經存在，則嵌入式Windows XP將是合適的操作系統，因為這些程序不需調整。然而，如果不需可視化或只需簡單的可視化，并且需要快速的啟動時間和要求較低的系統成本，則把資源適中的Windows CE作為操作系統是理想的方案。不過以上兩種方案均具有相同的網絡功能，因為Windows端口實現了便捷的以態網IP通信。此外，TwinCAT將每個CX1000系統轉換成 ADS設備，并通過該協議可與網絡上的任何一個TwinCAT設備進行通訊.這些通訊選件 使我們可以把Beckhoff工業PC,CX 1000設備和總線端子控制器整合成復雜的控制網絡。

4.2 組網方式
CX1000既可以做為主站也可以作為從站，支持5種現場總線(Lightbus，Profibus，CanOpen，Devicenet，Sercos)。以下分別討論一下CX1000做主站和從站的現場總線連接
(1) CX1000-主站 現場總線連接
現場總線主站實現了過程數據和信號的分布式采集，即使是對遠距離的機械和設備。現場總線主站模塊在CX1000系統中的作用是使全部倍福現場總線組件(例如，總線耦合器，總線端子控制器，驅動設備)作為分布式控制組件能夠在復雜系統組裝中使用。同時允許幾個相同或不同的總線主站并聯操作。例如，兩個Profibus主站或一個Profibus主站和一個SERCOS接口主站可以同時存在于同一個系統中。
主站和從站連接的混合操作也不是問題。一個CX1000系統可以假想為不同現場總線中的智能網關。從現場總線中接收數據，通過程序處理它們，然后將它們提供給其他的現場總線。除CX變體為單通道形式以外，CX1000現場總線主站模塊的性能數據幾乎與倍福PC現場總線卡相同。可連接的從站數量不受不同總線系統的限制。
CX1000現場總線能夠在現場被更新和替換，并可通過PC104系統總線與已存在地的CX1000系統相連。除ISA總線外，無需地址開關設置地址，因為模塊通過ISA的即插即用功能分配地址。
(2) CX1000-從站 現場總線連接
該連接是CX1000系統作為從站控制而集成的現場總線，可以接收或處理來自主站的數據，或從它自己處理的外圍設備回送數據給主站，可以是直接的數據或處理過的數據。CXA系統中的每個從站連接都包含一個作為各個總線系統和CX CPU模塊之間的DPRAM接口。它作為輸入/輸出數據的內存，可被CPU模塊通過內部的ISA總線分配地址。現場總線的從站模塊的使用可以利用CX1000系統作為所屬的分布式控制，對復雜的和模塊化系統組態。同時允許幾個相同或不同的從站并聯操作，例如，兩個Profibus從站或一個Profibus從站和一個CanOpen從站同時存在于同一個系統中。
主站和從站的混合操作也不是問題。CX現場總線從站模塊總是單通道形式。可連接的從站數量只受不同總線系統的限制。

5 簡單應用
雖然目前對CX1000系列的不同應用和擴展選件還沒有來得及作詳細的探究，但模塊化硬件和強大的控制軟件相結合，其本身就已經在工業自動化及其他領域開辟了新的前景。CX1000技術現在也被用于Beckhoff的其他設備中，未來的用途將更加廣闊。Beckhoff面板式PC就是一個例子:它們是一系列核心為CX的以態網操作終端。圖3是一個帶 DVI/USB 接口和現場總線連接的 PLC 和運動控制系統框圖。

圖3 帶 DVI/USB和現場總線連接的 PLC 和運動控制系統

系統由CPU CX1000-0112(帶 DVI/USB接口)、現場總線主站|CX1500-M310(Profibus)、現場總線從站| CX1500-B510(CANopen)、控制面板、總線耦合器、總線端子等組成。面板通過DVI口連接。本系統中組成了一個Profibus主站和一個CanOpen從站。可連接遠方的設備。如果本設備再添加音頻、視頻接口就能接麥克風或攝像頭從而應用到樓宇自動化。

6 結束語
本文著重論述了德國BECKHOFF新一代嵌入式PC CX1000，從本文我們看以看到，隨著自動化技術的越來越發展，PLC會逐漸的向嵌入式PC發展，當然，小型PLC在未來的相當長時間內仍將廣泛使用，但大中型PLC肯定會受到嵌入式PC的一定沖擊。