基于pc的控制:打破神话，揭示好处

基于工业pc的控制系统增加了工业应用的连接能力，同时提供强大，灵活和具有成本效益的控制。了解神话和好处，以帮助控制系统规范。

基于pc的控制系统误区:

许多误解通常归因于基于pc的控制系统。消除误解有助于实施基于pc的控制系统并从中获益。测试您对基于pc的控制与以下五个神话工业pc的知识:

工业PC (ipc)不是实时的，因为它们依赖于PC的时钟速度。

错误的:目前，大多数基于pc的控制平台都使用在Microsoft Windows用户模式下运行的实时内核。Windows在启动过程中启动实时内核，并且，一旦初始化，内核不依赖于Windows来运行，尽管内核和Windows之间存在通信。

基于工业pc的系统不如可编程逻辑控制器(PLC)快。

错误的:通常，基于pc的控制系统利用最新和最快的处理器;这确保了系统具有业界领先的性能，同时在所有领域保持尽可能低的成本，包括总拥有成本、硬件、软件和网络。例如，系统能够以50微秒(µs) PLC扫描速率与50µs网络扫描同步，同时还能够在扫描之间执行低至1µs的控制，所有精度都在纳秒范围内。此外，这可以在几乎零抖动的情况下完成，这对PLC和网络循环更新的准确性和确定性至关重要。高度精确和确定性的循环更新可以在精确的时间间隔内提高协调运动控制和数据样本的准确性。plc通常以毫秒为单位提供扫描速率，而不是微秒级。

工业pc是不确定的。

错误的:基于pc机的控制系统在软件中运行PLC扫描，具有较高的确定性。当一个任务(如PLC代码执行)计划运行时，系统延迟(也称为抖动)非常低，小于5µs。利用以太网控制自动化技术(EtherCAT)现场总线提供的分布式时钟技术，同步现场总线数据的精度在纳秒范围内。

今天市场上的许多plc，包括一些来自最大的自动化供应商，根本不运行确定性扫描。相反，这些设备进行背靠背的代码执行周期，并且根据代码的逻辑和执行顺序，每次扫描的执行时间对于不同的PLC程序执行时间是不同的。

一次扫描可能在800µs内完成，下一次扫描可能需要几毫秒。如果没有特殊的I/O硬件，就无法重复捕获可能只保持1µs的输入。此外，随着程序执行时间的变化，在传统的PLC架构中同步运动控制变得极其困难。这就是为什么许多供应商在相同的硬件上或在基于机架的附加模块中实现额外的中央处理器(CPU)来独立控制运动控制回路的原因。

增加的CPU和相关硬件增加了成本，也增加了所需的硬件、故障点和空间。通常需要更大、更昂贵的电柜，机器的占地面积也相应增加。基于pc的解决方案具有高水平的确定性，使这些系统能够将同步运动控制与PLC和其他任务结合在一起，所有这些都在一个中央处理器上。

工业pc不提供与plc相同的安全级别。

错误的:据报道，全球几家最大的PLC制造商都经历过通过该软件的“后门”入侵PLC的情况。PLC制造商有责任保护客户系统的这一方面。对于基于pc的控制系统，通用和公认的方法可以保护系统，并保护许多第三方软件包，这些软件包为全面的安全解决方案提供关键组件。

硬件PLC制造商不断尝试进一步增加基于工业pc的控制系统可用的通信开放性。寻求增加这些协议并使硬件PLC更加开放的公司，同时表明基于pc的控制的开放性是一种安全风险，实际上是在争论的两个方面。

基于pc的控制制造商参与领先组织，如OPC基金会，有助于促进新标准协议的开发，用于机器控制器与企业之间的加密，安全数据通信，以及基于云的系统。这些努力的总和是OPC标准的创建，OPC统一架构(UA)，以及OPC UA通信的PLC功能块的标准化。

公司越来越倾向于分布式控制，而不是集中控制，如果控制器失效，集中控制的风险更大。

错误的:由于硬件plc的性能限制，人们对分布式控制的兴趣增加，以此来满足工厂车间机器新技术实现日益增长的需求。此外，智能传感器需要能够处理传感器中可用参数的协议，因为这些参数通过机载web服务器接收更新。理想情况下，整个系统中驱动器、传感器和其他设备的所有参数都可以存储在一个中心位置，因此在远程连接时可以轻松查看和更新这些参数。

分散控制在自动化解决方案中也占有一席之地;然而，这并不是支持或反对基于pc的控制。制造商提供集中式和分散式控制解决方案。虽然应用程序很少，但有一些模块化机器可以从分布式控制策略中受益。如果应用程序将受益于分布式控制，制造商可以使用EtherCAT自动化协议(EAP)在许多控制器之间进行通信。EAP是一个由EtherCAT技术组(ETG)管理的开放协议，www.ethercat.org使用可路由传输控制协议(TCP)通信帧提供快速通信。数据直接来自实时内核，并实现了“发布”和“订阅”模型，以便在控制器之间交换数据。这也被称为“主对主”通信。

当人机界面(HMI)、PLC、运动和其他技术结合在中央控制器上时，发生故障的风险会增加，这是一种错误的观念，因为如果消除了这些关键功能中的任何一个，大多数机器就无法运行。延续这种误解只会增加不必要的成本和复杂性，并且由于硬件过多而缩短系统的生命周期。

了解更多关于基于pc的控制系统的九个好处。

基于pc的控制系统的好处

基于pc的控制架构提供了控制策略的优势。

1.性能

基于pc的控制系统可以快速集成更快，更强大的处理器，提供比硬件PLC更高的性能。大多数PLC供应商使用的CPU技术比今天常见的PC CPU慢得多。其中一个原则被称为核心隔离，其中自动化控制器中的特定功能被分配给多核CPU中的特定核心。由于规模经济，与其他CPU架构或芯片组相比，高性能PC CPU具有出色的性价比。

2.降低硬件产量和成本

大多数机器受益于集中控制方法，这使得基于pc的控制系统成为理想的解决方案;尽管在某些情况下分散控制是有利的。通常，从一个中心位置访问所有软件和数据，并对控制系统上的所有设备使用一种中央通信方法是最有利的。

传统的机器架构方法包括PLC、运动控制器和用于HMI和数据收集的PC。如前所述，许多供应商选择在PLC主体中集成用于运动控制的辅助CPU，或通过机架模块连接，而不是独立的盒子。无论cpu位于何处，系统都包含三个处理器。虽然机器通常已经包括一台具有能够运行HMI和数据收集的处理器的PC，但这种方法还为实时PLC控制和运动控制增加了额外的时钟周期。通过将这些技术组合到一个强大的CPU中，使用实时内核进行确定性控制，可以消除不必要的CPU和硬件，并降低成本。这极大地简化了控制系统，提高了正常运行时间——这是通过将所有设备集中在中心位置来提高诊断水平的结果。在一个能源资源日益稀缺、企业寻求减少生态足迹的世界里，集中化的方法是最合乎逻辑的解决方案。

3.延长系统生命周期

当PLC过时时，软件也可能需要升级。在基于pc的控制系统中，处理器生命周期的结束并不意味着系统架构或软件过时。通过将更多的功能整合到软件中并在标准的工控机上运行，客户可以简单地用一台新的工控机替换老化的工控机，而不会改变控制系统的平衡，包括软件。自动化程序和现场总线配置只需下载到新IPC上的软件系统，无需更改代码。在消费PC市场，性能更高的新处理器不断以更低的价格发布。

这种性价比循环也适用于ipc和基于pc的控制架构。硬件plc的技术发展不能快速反应，在性能和生命周期方面继续落后。通常，下一代plc在升级时进入市场的成本和复杂性要高得多。

4.灵活性

与硬件PLC相比，基于pc的控制系统提供了最大的灵活性。市场上有大量的处理器可供选择，这让公司可以选择最好的组件来完成工作。随着微软Windows 10的发布，一个操作系统将能够扩展到最高性能的多核处理器，覆盖最广泛使用的多核处理器，甚至可以缩小到该领域最低端的微处理器。

制造商提供许多家族的ipc和嵌入式PC -具有广泛的处理器和外壳类型，使客户能够灵活地选择最适合应用要求的处理器和PC类型。可以使用相同的I/O，无论是直接连接到嵌入式PC，类似于PLC，还是通过标准的CAT5电缆连接到远程I/O机架。

5.开放标准、开放协议和第三方软件支持

在当今竞争激烈的全球市场上，每个制造商都必须分析工厂车间的数据，以快速生产高质量的产品，并以最有效、最具成本效益的方式实现这一目标。机器必须提供开放的方法来收集必要的数据，并与企业共享以进行进一步分析。对于公司来说，根据分析结果采取行动并在必要时从企业层面控制机器变得越来越重要。

对这种功能日益增长的需求使工业4.0和云计算以及物联网(IoT)成为讨论下一次工业革命的前沿。为了促进这些新功能，公司需要在其设施和整个全球企业中操作的高端计算和分析工具。

多年来，基于pc的控制系统已经为下一次工业革命做好了准备，而plc可能提供更少的开放协议和更少的连接，这是制造业下一阶段所必需的。例如，通过以太网的OPC UA通信提供了一种在机器和企业之间双向共享数据的加密方法。

由于大多数传统plc中通信协议的有限实现，将控制器连接到企业或云涉及单独的硬件网关或中间件，以将数据转换为更高级别的协议，以便将数据集成到企业系统中。这增加了简单地从现有控制器收集数据的显著成本。对于基于pc的控制系统，大多数所需的协议已经可用，或者可以通过可用的协议软件开发工具包轻松添加到控制器中。此外，使用标准以太网、USB和其他标准PC协议的设备正在越来越多地部署在工厂车间。

EtherCAT工业以太网协议通过消除专有的机架背板协议提供了优势。也就是说，软件系统和EtherCAT的组合提供了许多其他协议的通信能力，如以太网/IP、Profinet、Profibus、DeviceNet、CANopen、Sercos接口、Interbus、Modbus RTU、Modbus TCP以及标准串行和以太网通信。这确保了在必要时能够以不同的速度分多个步骤迁移到新的控制技术。

该系统的开放性和与近30个现场总线连接的可用性允许用户为应用程序选择适当的传感器或设备，而不会在与主机控制器集成时出现通信问题。

6.利用最常用的编程语言和工具

基于PC的控制系统可以使用任何第三方PC软件，只需要能够在中央控制器上运行HMI, PLC和运动控制软件。可以使用任何IEC 61131-3编程语言，包括面向对象的编程扩展。当IEC 61131-3和Microsoft Visual Studio这两个编程世界结合在一起时，它们为全球编程提供了最开放和普遍接受的环境。在实时性方面，除了IEC编程语言之外，还可以在同一软件系统中运行C/ c++，实时内核。

7.改进的诊断

集中的、基于pc的控制解决方案为诊断数据提供了一个连接点，使其易于快速排除问题并提高机器的正常运行时间。基于pc的控制解决方案本质上支持远程连接，例如，通过使用远程桌面等标准工具，甚至在企业级或云端自动发送预测性维护和警报数据，以便快速查看和补救。

IPC包含一个有用的Web页面，用于查看IPC诊断，例如温度、风扇速度(如果适用)和存储容量等。IPC诊断数据也可以通过OPC UA访问，也可以在PLC项目中访问。此外，由于工程环境可以以内核模式运行时加载到IPC上，因此可以远程或本地完成软件中内置的作用域工具和其他标准诊断功能的使用。

当作为基于pc的控制系统的一部分实现时，EtherCAT通信增加了诊断功能，特别是考虑到EtherCAT可以作为跨机器或工厂的唯一通信协议。在基于pc的控制系统中，EtherCAT还使机架背板能够与本地和远程I/O机架上的单个I/O通信。这提供了机架级和单个I/O级的诊断。因此，中央IPC可以访问大量高度精确的信息，例如I/O机架中间的I/O终端的通信中断的确切位置。

8.保护工程投资及知识产权

对于基于pc的控制系统，程序员可以为他们的机器开发代码，这些代码可以很容易地移植到另一台IPC上。PC硬件和软件之间总是存在一个抽象概念，因此使用标准编程语言使这些代码更易于移植。相反，在PLC环境中，代码通常是为专有硬件开发的。当硬件过时时，软件可能无法无缝地转移到下一代硬件。因此，用户的代码和用于开发的工程时间可能会丢失。然后，开发人员将面临逆向工程的前景，以便在新的专有PLC硬件所需的软件环境中重建丢失的代码。

高水平的加密技术很容易与基于pc的控制系统集成。这不仅允许对源代码文件，而且允许对编译后的运行时文件进行高级加密。数字签名技术进一步防止代码在没有OEM控制的情况下被复制、窃取或盲目地从一个控制器转移到另一个控制器。基于pc的控制系统可以在软件中使用不同级别的安全，但oem可以采用所述的进一步策略来保护其IP地址。

9.更大的资源池

基于pc的解决方案提供了对大多数编程语言和工具的访问，确保制造商和机器制造商拥有尽可能多的熟练程序员。这为今天和未来提供了竞争优势，因为可用的PLC和PC程序员的百分比继续倾向于计算机科学和IT。

随着企业追求新的和创新的方式来保持在全球市场上的竞争力，关注整个企业的数据收集是至关重要的，而不需要复杂的基础设施和额外的硬件，这是基于pc的控制系统提供的优势。利用这些关键数据做出最明智决策的重要性，几乎是实时的，为未来兼容的、基于pc的控制和自动化技术的优势提供了令人信服的论据。机械制造商必须提供能够为未来企业连接性改进敞开大门的系统，同时为当今的需求提供强大而经济高效的解决方案。

Doug Schuchart作者:Emily Guenther, CFE Media的副内容经理。控制工程，eguenther@cfemedia.com．

更多的建议

关键概念

• 基于pc的控制系统与先进技术更加兼容。
• 基于pc的控制系统允许高级加密技术，提高安全级别。
• 升级或更改与plc相比，基于pc的控制系统是一个更简单的过程。

考虑一下这个

将基于pc的随着更先进的技术用于工业应用，控制系统变得越来越重要。

在线额外

看到控制工程页面上基于pc的控制和网络安全．

请参阅倍福自动化的相关主题。https://www.beckhoffautomation.com/

您是否具有本内容中提到的主题的经验和专业知识?您应该考虑为我们的CFE媒体编辑团队做出贡献，并获得您和您的公司应得的认可。点击在这里开始这个过程。