概念

PCC（Programmable Computer Controller，即可編程計(jì)算機(jī)控制器）是一種融合了傳統(tǒng)的PLC和IPC的優(yōu)點(diǎn)，具有獨(dú)特理念的模塊化控制裝置。

推出背景

可編程控制器PLC和工業(yè)計(jì)算機(jī)IPC已先后推出多年，它們?cè)诟髯圆煌膽?yīng)用場(chǎng)合已獲得了十分廣泛的應(yīng)用。在多年的應(yīng)用實(shí)踐中，PLC運(yùn)算/處理能力不強(qiáng)、實(shí)時(shí)性、開放性較差和IPC可靠性及可擴(kuò)展性相對(duì)較差的缺點(diǎn)已逐漸暴露出來(lái)，尋求一種性能更為優(yōu)良的控制器已成為各類工業(yè)用戶的迫切需求，1994年由奧地利貝加萊公司推出的PCC融合了傳統(tǒng)的PLC和IPC的優(yōu)點(diǎn)，既具有PLC的高可靠性和易擴(kuò)展性，又有著IPC的強(qiáng)大運(yùn)算/處理能力和較高的實(shí)時(shí)性及開放性。

PCC作為新一代的可編程控制器，比傳統(tǒng)的PLC具有更強(qiáng)大的處理能力和更高的實(shí)時(shí)性；軟件功能強(qiáng)大，其可靠性和環(huán)境適應(yīng)能力又大大優(yōu)于PC-Based。

經(jīng)過(guò)十多年的發(fā)展和應(yīng)用，PCC已成為當(dāng)前工業(yè)控制器發(fā)展的新方向之一，以PCC作為控制系統(tǒng)核心的方案正逐漸成為工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)配置的一種新格局。

特點(diǎn)及優(yōu)勢(shì)

2.1硬件方面的特點(diǎn)

在硬件結(jié)構(gòu)方面，PCC的特點(diǎn)是很明顯的，它兼具了PC機(jī)采用高性能CPU及大容量存儲(chǔ)單元和PLC采用模塊式結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)。

（1）模塊式的插裝結(jié)構(gòu)，可帶電插拔

PCC具有全模塊式的插裝結(jié)構(gòu)，在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)可以安全、方便地帶電插拔；PCC的CPU和I/O模塊結(jié)構(gòu)緊湊，體積小巧，接線端子密集，而且在模塊供電及工作狀態(tài)顯示等諸多方面有著完善、精巧的設(shè)計(jì)。

（2）其CPU具有多處理器結(jié)構(gòu)并配備了大容量存儲(chǔ)單元

PCC除了其高性能的主CPU以外，通常還配置了另外兩個(gè)處理器（包括I/O處理器和DPR控制器），即一個(gè)PCC的CPU模塊上有三個(gè)處理器，這就最大限度地提高了系統(tǒng)的處理能力。

在其核心的運(yùn)算模塊內(nèi)部，PCC為其CPU配備了數(shù)倍于常規(guī)PLC的大容量存儲(chǔ)單元(100K-64MB)，這無(wú)疑為功能強(qiáng)大的系統(tǒng)軟件和應(yīng)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(chǔ)介質(zhì)，最大存儲(chǔ)容量可達(dá)8GB。

（3）配備了多種專用模塊和功能模塊

PCC為工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的各種信號(hào)和應(yīng)用提供了許多專用模塊和功能模塊，如溫度、張力、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、示波器、鼓序列發(fā)生器信號(hào)、增量式脈沖編碼信號(hào)、稱重信號(hào)和超聲波信號(hào)、電力測(cè)量與并網(wǎng)同步、PWM輸出等。它們將各種形式的現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)十分方便地接入以PCC為核心的數(shù)字控制系統(tǒng)中，用戶可按需要對(duì)應(yīng)用系統(tǒng)的I/O通道進(jìn)行數(shù)十點(diǎn)、數(shù)百點(diǎn)乃至數(shù)千點(diǎn)的擴(kuò)展與聯(lián)網(wǎng)。PCC的所有數(shù)字量輸入端都經(jīng)過(guò)了光電耦合隔離，模擬量輸入端也都經(jīng)過(guò)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(nèi)部，CPU的數(shù)據(jù)總線與I/O總線分離，并配置有獨(dú)立的I/O處理器。主CPU內(nèi)含有一個(gè)獨(dú)立的時(shí)間處理單元TPU (Time Processing Unit )，在不增加CPU負(fù)荷的前提下高速處理簡(jiǎn)單或復(fù)雜的定時(shí)任務(wù)，其基準(zhǔn)計(jì)時(shí)頻率可高達(dá)6.29MHz，因此被廣泛應(yīng)用于頻率、相位測(cè)量及PWM（脈寬調(diào)制）等要求極高精度的時(shí)間處理場(chǎng)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(chǎn)品，配置了多種通信模塊。

（4）以專用模塊的方式對(duì)高精度運(yùn)動(dòng)控制功能和智能溫度控制功能進(jìn)行集成

運(yùn)動(dòng)控制功能：高速編碼計(jì)數(shù)、速度和位置補(bǔ)償、電子齒輪傳動(dòng)、凸輪仿形、多軸插補(bǔ)、CNC技術(shù)、飛鋸等；溫度控制模塊：傳感器直接接入，每50ms處理一個(gè)PID調(diào)節(jié)回路，帶自校正PID調(diào)節(jié)和參數(shù)整定功能。2.2采用多任務(wù)操作系統(tǒng)和多樣化的應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)常規(guī)的PLC大多采用單任務(wù)的時(shí)鐘掃描或監(jiān)控程序來(lái)處理程序本身的邏輯運(yùn)算指令及對(duì)外部I/O通道的狀態(tài)采集與刷新，整個(gè)應(yīng)用程序被包含在一個(gè)循環(huán)周期內(nèi)（如圖1所示）。但在一個(gè)控制系統(tǒng)中，雖然有一些工藝量對(duì)實(shí)時(shí)性的要求很高，但同時(shí)卻有更多的工藝量對(duì)實(shí)時(shí)性沒(méi)有特殊的要求，如果采用同樣的刷新速度來(lái)處理它們其實(shí)是對(duì)系統(tǒng)資源的浪費(fèi)，而且循環(huán)掃描的運(yùn)行機(jī)制也導(dǎo)致了系統(tǒng)的處理周期主要取決于應(yīng)用程序的大小，如程序復(fù)雜龐大，掃描周期就必然加長(zhǎng)，這無(wú)疑是與I/O通道對(duì)高實(shí)時(shí)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(wù)，它們的掃描時(shí)間分別為1ms和2ms；而C和D為邏輯控制任務(wù)，它們的掃描時(shí)間分別為5ms和2ms?？磥?lái)這是一個(gè)邏輯控制任務(wù)程序量較大的PLC/PCC應(yīng)用程序。圖1表示常規(guī)PLC的運(yùn)行模式，在該圖上部的任務(wù)組合方式中，整個(gè)任務(wù)（A B C D）被包含在一個(gè)掃描時(shí)間為10ms的循環(huán)周期內(nèi)，在該圖下部的任務(wù)組合方式中，整個(gè)任務(wù)（A B C）被包含在一個(gè)掃描時(shí)間為8ms的循環(huán)周期內(nèi)。可以看出，總的應(yīng)用程序處理周期為各任務(wù)的程序掃描時(shí)間的和，程序周而復(fù)始地循環(huán)執(zhí)行。

而PCC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案則完美地解決了這一問(wèn)題，與常規(guī)PLC相比較，PCC最大的特點(diǎn)就在于其引入了類似大型計(jì)算機(jī)的Runtime定性分時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)理念，并輔之以多樣化的應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)手段。由于實(shí)行分時(shí)多任務(wù)的運(yùn)行機(jī)制，應(yīng)用程序可以按照工藝功能和優(yōu)先級(jí)的不同分別設(shè)置成不同的任務(wù)和不同的任務(wù)級(jí)別，并可根據(jù)要求自行設(shè)定任務(wù)的循環(huán)時(shí)間，使得應(yīng)用任務(wù)的循環(huán)周期與程序長(zhǎng)短無(wú)關(guān)，從而將應(yīng)用程序的掃描周期同真正外部的控制周期區(qū)別開來(lái)，滿足了真正實(shí)時(shí)控制的要求，而且它可以在CPU運(yùn)算能力允許的前提下，按照用戶的實(shí)際需求而做相應(yīng)調(diào)整（如圖2所示）。圖2表示PCC-定性分時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)的運(yùn)行模式，按照邏輯控制和壓力控制任務(wù)分類組合（即圖3中的系統(tǒng)模塊）控制。在該圖上部的邏輯控制任務(wù)組合中，邏輯控制任務(wù)C、D被有機(jī)地分布在間隔為5ms的5個(gè)時(shí)間段中按優(yōu)先級(jí)順序先后執(zhí)行，邏輯控制任務(wù)C、D執(zhí)行時(shí)恰好壓力控制任務(wù)A、B不執(zhí)行，邏輯任務(wù)的處理周期為20ms；在該圖下部的壓力控制任務(wù)組合中，壓力控制任務(wù)A、B在每一個(gè)5 ms的時(shí)間間隔中均按順序先后執(zhí)行，壓力控制任務(wù)A、B執(zhí)行時(shí)恰好邏輯控制任務(wù)C、D不執(zhí)行，壓力任務(wù)的處理周期為5ms?？梢钥闯觯鱾€(gè)任務(wù)是按照分時(shí)的運(yùn)行模式執(zhí)行的，各分類任務(wù)組合則按照自己的處理周期（如邏輯任務(wù)的20ms和壓力任務(wù)的5ms）周而復(fù)始地循環(huán)執(zhí)行，但壓力任務(wù)的優(yōu)先級(jí)明顯高于邏輯任務(wù)的。

基于分時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)，PCC的應(yīng)用程序可分為多個(gè)獨(dú)立的任務(wù)模塊，這樣就給項(xiàng)目應(yīng)用軟件的開發(fā)帶來(lái)了很大的便利，因?yàn)檫@樣可以方便地按控制項(xiàng)目中諸如數(shù)據(jù)采集、報(bào)警、PID調(diào)節(jié)運(yùn)算、通信控制等各部分的不同功能要求，分別編制出相應(yīng)的控制程序模塊(任務(wù))。這些模塊既各自獨(dú)立運(yùn)行，而其數(shù)據(jù)間又保持一定的相互關(guān)聯(lián)，它們經(jīng)過(guò)分步驟的獨(dú)立編制并完成調(diào)試之后，一并下載至PCC的用戶程序存儲(chǔ)區(qū)中，在該分時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)的調(diào)度管理下并行運(yùn)行。在這個(gè)多任務(wù)系統(tǒng)中，根據(jù)不同任務(wù)對(duì)實(shí)時(shí)性能的不同需求，設(shè)計(jì)人員可以指定不同的優(yōu)先等級(jí)并確定它們各自的循環(huán)周期，從而實(shí)現(xiàn)確定的分時(shí)多任務(wù)控制。即便某個(gè)任務(wù)處于等待狀態(tài)，別的任務(wù)也可繼續(xù)執(zhí)行。這一系統(tǒng)特點(diǎn)，可示于圖3中。

這種多任務(wù)的運(yùn)行機(jī)制，采用了大型應(yīng)用軟件的模塊化程序設(shè)計(jì)思想，帶來(lái)了項(xiàng)目開發(fā)效率上的提高，有著常規(guī)PLC所無(wú)法比擬的靈活性。因?yàn)槎嗳蝿?wù)的思想使得各個(gè)任務(wù)模塊的功能描述更趨清晰簡(jiǎn)潔，用戶可以自行開發(fā)既具有自己特點(diǎn)而又不乏通用性的獨(dú)立功能模塊，并將其封裝以便于日后在其他應(yīng)用場(chǎng)合中重新使用。

2.3 強(qiáng)大的系統(tǒng)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(gè)系列，由于其在網(wǎng)絡(luò)通信方面的開放性和結(jié)構(gòu)上的模塊化，這三種系列的PCC在構(gòu)成控制系統(tǒng)的方式和規(guī)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(jī)械自動(dòng)化和高可靠性過(guò)程自動(dòng)化等復(fù)雜、靈活自動(dòng)化系統(tǒng)的通用選擇。

X20 CPU——新一代PCC的CPU，基于Intel X86 Processor技術(shù)，采用Runtime實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，秉承了貝加萊PCC的定性分時(shí)多任務(wù)的控制特點(diǎn)，可采用符合IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)的多種工程編程語(yǔ)言以及Automation Basic、ANSI C兩種高級(jí)語(yǔ)言編程。

X20 CPU的主板集成了多種通信接口，包括RS232、標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)接口TCP/IP、工業(yè)實(shí)時(shí)以太網(wǎng)接口Ethernet POWERLINK、2個(gè)USB。采用可插卡式的CF卡作為存儲(chǔ)介質(zhì)。

X20 CPU是一款開放性極高的產(chǎn)品，通信模塊系列包括了CAN、Ethernet POWERLINK、Profibus、DeviceNet、Modbus、RS485/422、RS232等，方便擴(kuò)展和兼容各種市場(chǎng)上主流的現(xiàn)場(chǎng)總線，體現(xiàn)其開放式的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。CP3486的主板具有三個(gè)通信模塊接口。

（2）極高的系統(tǒng)響應(yīng)速度

系統(tǒng)的響應(yīng)速度不僅由CPU決定，還與I/O數(shù)據(jù)的傳輸速率有關(guān)。PCC的主CPU本身速度極快，同時(shí)還借用大型計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)，采用I/O-Processor單獨(dú)處理I/O數(shù)據(jù)傳輸，采用DPR-Controller雙向口控制器負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)及系統(tǒng)的管理。也就是說(shuō)，一個(gè)PCC模塊上有三個(gè)處理器，它們既各自獨(dú)立而又相互關(guān)聯(lián)，最大限度地提高了整個(gè)系統(tǒng)的速度。

CP3486是X20 CPU系列中性能最高的產(chǎn)品，采用了Intel Celeron 650 處理器及附加的I/O 處理器和浮點(diǎn)處理器FPU。系統(tǒng)的單步指令處理周期最快可達(dá)到0.01μs，單個(gè)工作任務(wù)循環(huán)周期可達(dá)200μs，是當(dāng)前世界上性能最強(qiáng)、運(yùn)算最快的PLC/PCCCPU之一。

快速的I/O數(shù)據(jù)總線以及專家的模塊結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)50us的示波器采集記錄功能，電能測(cè)量模塊可以實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)中的同期并網(wǎng)功能等專業(yè)的功能。

（3）強(qiáng)大的數(shù)據(jù)通訊功能

PCC在遠(yuǎn)程通信方面的靈活性，是區(qū)別于常規(guī)PLC的另一顯著標(biāo)志，作為現(xiàn)場(chǎng)分布式控制系統(tǒng)的主要供應(yīng)商之一，貝加萊為此提供了十分靈活多樣的解決方案。用戶不僅可以采用貝加萊的獨(dú)有網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，也可以方便地與其他廠家的PLC或其他工控設(shè)備通過(guò)主流各種開放式現(xiàn)場(chǎng)總線的網(wǎng)絡(luò)方案，如PROFIBUS，CAN，MODBUS等聯(lián)網(wǎng)通信，在一些特殊情況下，PCC還為用戶提供了創(chuàng)建自定義協(xié)議的幀驅(qū)動(dòng)（Frame drive）工具。特別值得一提是Ethernet POWERLINK網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，這是2001年貝加萊公司當(dāng)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手還在討論實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)概念的時(shí)候，便在全球第一次推出實(shí)用化的實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)絡(luò)，這也是全球第一個(gè)開放的安全級(jí)（SIL3）實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)。2007年初該公司又發(fā)布了千兆級(jí)實(shí)時(shí)工業(yè)以太網(wǎng)Ethernet POWERLINK（如圖4所示）。由于具備這樣的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，PCC常常能輕松地實(shí)現(xiàn)與各種不同產(chǎn)品，不同通信協(xié)議的高效互聯(lián)。

2.4軟件的集成開發(fā)環(huán)境及靈活的軟件開發(fā)方式（1）集成化軟件開發(fā)工具AutomationStudio

PCC的編程組態(tài)軟件采用AutomationStudio集成化軟件工具，基于同一個(gè)軟件平臺(tái)，全部解決整個(gè)自動(dòng)化項(xiàng)目的集成。在該軟件平臺(tái)中同時(shí)集成了觸摸屏畫面組態(tài)、PCC編程調(diào)試、伺服驅(qū)動(dòng)器編程、離線與在線仿真測(cè)試等豐富的軟件開發(fā)功能，從而可以大大地提高項(xiàng)目的開發(fā)效率。

（2）靈活的軟件開發(fā)方式

PCC的編程器采用普通PC機(jī)，配以一套功能強(qiáng)大的集成化軟件開發(fā)工具AutomationStudio。除編制和組態(tài)應(yīng)用程序以外，它還能為工程師提供源程序級(jí)的單步、斷點(diǎn)、單周期及PCC在線錯(cuò)誤自診斷等多種形式的調(diào)試手段，使應(yīng)用程序的開發(fā)十分靈活便捷。另外，通過(guò)開發(fā)軟件包所提供的多種函數(shù)，用戶可在短時(shí)間內(nèi)編制出高效而復(fù)雜的控制程序。

一個(gè)項(xiàng)目中的各項(xiàng)軟件任務(wù)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(yǔ)言，這就意味著不僅在常規(guī)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(jié)構(gòu)化文本等符合IEC61131-3標(biāo)準(zhǔn)的工程語(yǔ)言可以在PCC上繼續(xù)沿用，而且程序員還可采用更為高效的高級(jí)語(yǔ)言，比如ANSI C 和Automation Basic，并可以在同一個(gè)項(xiàng)目中同時(shí)采用多種語(yǔ)言混合編程，從而較易實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算功能和過(guò)程控制算法。而且所有這些編程語(yǔ)言，PCC都采用“符號(hào)變量”來(lái)標(biāo)識(shí)外部I/O通道及內(nèi)部寄存器單元(例如用戶可用motor_run來(lái)代表某開關(guān)量輸出通道，button_down代表某開關(guān)量輸入通道)。這樣，軟件開發(fā)人員毋需熟知PCC內(nèi)部的硬件資源分布，而只須集中精力于項(xiàng)目本身的工藝需求，即可迅速編制出結(jié)構(gòu)清晰功能明確的控制程序來(lái)。

2.5 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(wú)故障時(shí)間MTBF達(dá)到50萬(wàn)小時(shí)（相當(dāng)于57年）以上，屬于免維護(hù)產(chǎn)品，明顯高于一般的PLC和IPC（市場(chǎng)上最好的PLC硬件平均無(wú)故障時(shí)間MTBF通常為30萬(wàn)小時(shí)）。

（2）可移植性強(qiáng)

在不同系列、不同型號(hào)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?yàn)樨惣尤R所有的PCC硬件平臺(tái)都基于相同的操作系統(tǒng)內(nèi)核，而且采用標(biāo)簽變量關(guān)聯(lián)的編程方式，所以用戶在編程時(shí)不需要過(guò)多關(guān)注實(shí)際的硬件I/O映射關(guān)系（只需要將各個(gè)標(biāo)簽名分別映射到相關(guān)的I/O通道上），而把主要注意力集中在工藝算法本身。

總結(jié)

PCC作為一種可編程計(jì)算機(jī)控制器，是專為在工業(yè)環(huán)境下應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，它既是一種新型的定性分時(shí)多任務(wù)PLC，又是一種模塊化插裝結(jié)構(gòu)的IPC或PC-Based。不但具備傳統(tǒng)PLC的所有功能，同時(shí)融合了最新的IT網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和可選擇的高級(jí)語(yǔ)言編程環(huán)境，具有更強(qiáng)大的數(shù)學(xué)運(yùn)算能力、網(wǎng)絡(luò)通信能力、抗干擾能力和控制能力，從而代表了PLC的發(fā)展方向，具有更高的可靠性、更強(qiáng)大的功能和更廣泛的適用性。

為了順應(yīng)PLC、IPC及DCS技術(shù)相互融合相互促進(jìn)的工業(yè)自動(dòng)化發(fā)展潮流。貝加萊的PCC攜其DCS APROL和工業(yè)計(jì)算機(jī)Automation PC，已越來(lái)越廣泛地進(jìn)入各類工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域，并日益顯露出其不可低估的發(fā)展?jié)摿Α?/p>