工业电脑

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:

许多误解通常归咎于基于pc的控制系统。消除误解有助于实现基于pc的控制系统并从中受益。用以下工业pc的五个神话来测试你对基于pc的控制的了解:

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:现在大多数基于pc的控制平台都使用在微软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Windows来运行，尽管内核和Windows之间存在通信。

基于工业pc的系统速度不如可编程逻辑控制器(PLC)。

错误的:通常，基于pc的控制系统利用最新和最快的处理器;这确保了系统具有行业领先的性能，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，一个系统能够以50微秒(µs)的PLC扫描速率与50µs的网络扫描同步，同时还能够在扫描之间执行低至1µs的控制，所有的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能够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的控制系统在软件中运行具有高确定性的PLC扫描。当一个任务(如PLC代码执行)被计划运行时，系统延迟(也称为抖动)非常低，小于5µs。使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运行。

今天市场上的许多plc，包括一些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，根据代码的逻辑和执行顺序，每次扫描的执行时间因PLC程序执行时间的不同而不同。

一次扫描可能在800µs内完成，而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持续1µs的输入。此外，随着程序执行时间的变化，在传统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或基于机架的附加模块上实现额外的中央处理单元(CPU)，以独立控制运动控制循环。

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、更昂贵的电气柜，机器的占地面积也相应增加。基于pc的解决方案具有高度的确定性，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无法提供与plc相同的安全级别。

错误的:据报道，几家全球最大的PLC制造商都经历过通过软件的“后门”入侵PLC的经历。PLC制造商有责任保护客户系统的这方面。在基于pc的控制系统中，常用和公认的方法可以保护系统，并保护许多为全面安全解决方案提供关键组件的第三方软件包。

硬件PLC制造商不断尝试进一步增加基于工业pc的控制系统的通信开放性。一些公司试图增加这些协议，使PLC硬件更加开放，同时表明基于pc的控制的开放性是一种安全风险，这实际上是在采取双方的观点。

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

公司越来越倾向于分散控制而不是集中控制，如果控制器出现故障，集中控制的风险就更大。

错误的:由于硬件plc的性能限制，分布式控制作为一种满足工厂车间机器新技术实现日益增长的需求的方式引起了人们的高度兴趣。此外，智能传感器需要能够处理传感器中可用参数的协议，因为这些参数通过板载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，因此当远程连接时，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有其一席之地;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)在多个控制器之间进行通信。EAP是由EtherCAT技术集团(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”模型以在控制器之间交换数据。这也被称为“master to master”通信。

如果在中央控制器上结合了人机界面(HMI)、PLC、运动和其他技术，那么在发生故障时风险就会增加，这是一种误导性的概念，因为如果这些关键功能中的任何一个被取消，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，并由于过多的硬件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的控制体系结构提供了控制策略的好处。

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技术比目前常见的PC CPU慢得多。其中一个原则被称为核心隔离，即自动化控制器中的特定功能分配给多核CPU中的特定核心。与其他CPU架构或芯片组相比，由于规模经济，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次级CPU，或通过机架模块连接，而不是独立的机箱。无论cpu位于何处，系统都涉及三个处理器。虽然这台机器通常已经包含了一台带有处理器的PC，能够运行HMI和数据收集，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，消除了不必要的CPU和硬件，降低了成本。这极大地简化了控制系统，并提高了正常运行时间——这是通过将所有东西保持在中心位置来改进诊断的结果。当今世界，能源资源越来越稀缺，企业都在寻求减少生态足迹，集中式的方法是最合理的解决方案。

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。通过将更多功能集成到软件中并在标准IPC上运行，客户可以简单地将老化的IPC替换为新的IPC，而无需对控制系统(包括软件)的平衡进行任何更改。自动化程序和现场总线配置只需下载到新的IPC上的软件系统，无需更改代码。在消费PC市场上，性能更高的新处理器不断以更低的价格发布。

这种性价比的循环也适用于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都要高得多。

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，让公司可以选择最好的组件。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，甚至扩展到该领域最低端的微处理器。

制造商提供许多系列的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程序要求的处理器和PC类型。可以使用相同的I/O，无论是直接连接到类似于PLC的嵌入式PC，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来自工厂的数据，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，并与企业共享数据以进行进一步分析。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。

对这一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全球企业中运行的高端计算和分析工具。

基于pc的控制系统已经为下一次工业革命准备了多年，而plc可能提供更少的开放协议和更少的下一阶段制造所需的连接。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。

由于在大多数传统plc中通信协议的实现有限，将控制器连接到企业或云需要单独的硬件网关或中间件来将数据转换为更高级别的协议，只是为了将数据集成到企业系统中。这增加了从现有控制器收集数据的巨大成本。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的组合为许多其他协议提供了通信功能，如EtherNet/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，以不同的速度分多个步骤迁移到新的控制技术的能力。

该系统的开放性和可连接近30个现场总线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，只需要能够与HMI、PLC和运动控制软件一起在中央控制器上运行。可以使用任何一种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被普遍接受的环境。在实时性方面，也可以在IEC编程语言之外运行C/ c++，在同一个软件系统中实现实时内核。

7.改进的诊断

集中式、基于pc的控制解决方案为诊断数据提供了一个连接点，可以轻松地快速排除问题并提高机器正常运行时间。基于pc的控制解决方案天生就能实现远程连接，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，以便快速检查和补救。

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，软件中内置作用域工具和其他标准诊断功能的使用可以远程或本地完成，因为工程环境可以用内核模式运行时加载到IPC上。

EtherCAT通信在作为基于pc的控制系统的一部分实现时增加了诊断功能，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机架上的各个I/O通信。这为机架级和单个I/O级提供了诊断。因此，中央IPC可以访问大量高度精确的信息，例如I/O机架中间到I/O终端的通信中断的确切位置。

8.保护工程投资和知识产权

对于基于pc的控制系统，程序员可以为他们的机器开发可以轻松移植到另一个IPC的代码。在PC硬件和软件之间总是有一个抽象的概念，所以使用标准的编程语言使得这些代码更具可移植性。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，在新的专有PLC硬件所需的软件环境中重新构建丢失的代码。

高水平的加密技术很容易与基于pc的控制系统集成。这不仅可以对源代码文件进行高级加密，还可以对编译后的运行时文件进行加密。数字签名技术进一步防止代码被复制、窃取或在没有OEM控制的情况下从一个控制器盲目地移动到另一个控制器。基于pc的控制系统可以在软件中使用不同的安全级别，但原始设备制造商可以采用进一步的策略来保护他们的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广泛的熟练程序员。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偏向计算机科学和IT。

随着企业寻求新的和创新的方式来保持在全球市场上的竞争力，在没有复杂的基础设施和额外硬件的情况下，专注于整个企业的数据收集是至关重要的，这是基于pc的控制系统所提供的优势。利用这些关键数据(几乎是实时的)做出最明智的决策的重要性，为向前兼容、基于pc的控制和自动化技术日益占据主导地位提供了令人信服的论据。机械制造商必须提供系统，为未来企业连接的改善敞开大门，同时为当今的需求提供强大而经济的解决方案。

Doug Schuchart她是倍福自动化有限责任公司的区域销售经理。编辑:Emily Guenther, CFE Media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的控制系统允许高水平的加密技术，提高安全级别。
• 升级或更改与plc相比，基于pc的控制系统的过程更简单。

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，控制系统的需求越来越大。

在线额外

看到控制工程页面上基于pc的控制而且网络安全．

参见倍福自动化的相关主题。https://www.beckhoffautomation.com/