作者：Jeff Shepard

　　工业 4.0 控制系统设计人员需要权衡可编程逻辑控制器 (PLC)、可编程自动化控制器 (PAC) 和工业 PC (IPC) 之间的复杂性、灵活性和性能权衡，以优化整体网络和系统性能。PLC提供了IEC 61131中标准化的相对简单的可编程性，高速控制的优点，并且可以支持快速部署，但缺乏PAC和IPC的灵活性。

　　PAC通常使用C或C++，具有更大的内存容量，更多的功能和特性，更好的互操作性，并且编程更复杂，但在控制由多个基于PC的软件应用程序组成的复杂自动化系统架构方面更强大。PAC 专为需要将 IPC 计算性能与 PLC 的鲁棒性相结合的控制任务而设计。 已经引入了PLC，可以使用IEC 61131或C和C++等更高级别的语言中标准化的更简单的可编程性。

　　对于PLC和PAC之间的解决方案，设计人员可以转向基于Microsoft Windows或Linux操作系统(OS)的IPC。这些 IPC 专为工业环境而设计，采用坚固耐用的封装，具有扩展的温度操作能力。无论是使用 PLC、PAC 还是 IPC，设计人员都必须考虑通过 IEC 62443 网络安全要求认证，以应对自动化和控制系统中的操作技术。

　　本文首先回顾了在工业过程控制中选择 PLC、PAC 和 IPC 时的编程、性能、模块化和可扩展性权衡，并探讨了每种技术最适合的网络架构选项。它考虑了编程权衡和每个选项可用的输入和输出 (I/O) 数量，以及通信和特殊要求，如运动控制或安全关键功能。最后，它展示了一个示例性的 PLC 菲尼克斯电气，PAC 来自 美国ICP系统 和 研华， 以及三个IPC，一个来自研华，两个来自 枫树系统.本文还详细介绍了它们如何支持工业4.0安装的需求。

　　编程和 I/O 的可用性是在 PLC、PAC 和 IPC 之间进行选择时的关键之一。PLC使用梯形逻辑进行编程，通常针对需要简单高速操作的机器控制进行了优化。与 PAC 或 IPC 相比，PLC 具有更小的存储器和有限的 I/O。IPC 可能会面临执行实时控制的挑战，并且 I/O 比 PAC 更有限。

　　使用标准操作系统意味着IPC通常可以通过可重用的编程工具和预构建的软件应用程序支持更短的开发时间。IPC 通常用于监控和数据采集 (SCADA) 架构中的更高级别的控制功能。IPC 可以提供灵活的编程、大内存、模块化和人机界面 (HMI)，如触摸屏平板显示器。

　　基于 PC 的 IPC 架构可以支持 USB、RS-232、RS-422/485 和以太网接口。现场设备可以使用串行或USB连接，而以太网支持I/O控制和从工厂车间到企业更高级别的信息流。

　　可扩展性和计算能力

　　PAC 非常适合具有广泛过程控制和数据处理要求的安装。与PLC和IPC相比，PAC可以处理更多的I / O，并且可以具有更多种类的模拟和数字I / O。它们还具有更大的内存、更专用的特性和功能以及高水平的互操作性。虽然IPC具有基于PC的模块化架构，但PAC通常以多插槽格式提供，使工艺工程师能够添加各种I/O组合和其他针对工厂自动化需求进行优化的模块。

　　PAC 支持多种软件，包括基于 PC 和 PLC 的软件，如 IEC 61131 梯形逻辑。对于更高级的编程需求，PAC 可以处理用于 I/O 控制、数据处理和通信的 C、C++ 和 .NET 库。PAC 将可扩展性与高水平的计算能力相结合(图 1)。

　　图 1：PAC 提供计算能力和可扩展性的最高组合。(图片来源：研华)

　　当然，使用 PLC、IPC 和 PAC 并不是“非此即彼”的选择。大多数大型工业设施都采用混合设备。PLC长期以来一直用于机器控制。PAC通常更有效地处理机器人中的多轴运动控制。IPC在密封外壳中采用复杂的散热设计，使其能够在更具挑战性的环境条件下更深入地部署到工厂中。随着工业 4.0 的不断发展，PAC 也在不断发展。PAC可以在控制应用中与PLC竞争，在数据采集和通信应用中与IPC竞争。

　　具有以太网通信的 PAC 支持以菊花链和直接堆栈等各种配置灵活部署 I/O 模块。PLC 上的 I/O 的可靠性通常被认为比 PAC 上的 I/O 更可靠，但这种情况已经改变，PAC 可提供高度可靠的 I/O 模块。PAC 提供高密度和热插拔功能，并支持实时控制。PAC模块也支持工业数据采集功能。PLC 在简单应用中比 PAC 更具成本效益，但也有一些相对简单的 PAC。随着工业 4.0 对边缘计算、数据采集、控制和通信的需求不断增加，PAC 可以成为一个有吸引力的选择，结合了 PLC 和 IPC 的优势。工业 4 中的高性能控制系统架构。0 需要 PLC、IPC 和 PAC 的最佳组合(图 2)。

　　图 2：PLC、IPC 和 PAC 用于工厂现场现场的本地自动化控制网络。 (图片来源：研华)

　　IEC 62443

　　IEC/ISO 62443系列标准旨在实现工业自动化系统从设计到实施以及持续管理和操作的安全运行。它专注于工业控制系统(ICS)的网络安全。IEC 62443 旨在与 IEC/ISO 27001 一起使用，后者规定了如何管理信息技术 (IT) 系统中的信息安全。这两个标准相结合，提供了一种全面的方法来防范从工厂车间到企业信息技术 (IT) 网络的网络威胁。IEC/ISO 62443 认可五个安全级别 (SL)：

　　SL0：无需特殊保护。

　　SL1：防止无意滥用。

　　SL2：通过使用少量资源的简单方法防止故意滥用。

　　SL3：通过了解ICS和适度资源的复杂手段防止故意滥用。

　　SL4：利用ICS知识和大量资源，通过复杂的手段防止故意滥用。

　　先进的可编程控制器

　　需要高级 PLC 的应用可以转向 PLCnext Control AXC F 3152 系列，例如 1069208，来自菲尼克斯电气。这些 PLC 包括三个独立的以太网接口。他们有一个 Linux 操作系统，实时支持 C、C++、C# 和 MATLAB Simulink 等高级语言，以及符合 IEC 61131-3 的标准 PLC 编程(图 3)。这些 PLC 还支持并行编程和编程语言的组合。在计算需求有限的应用中，这些 PLC 提供了 PAC 的替代方案，最多可并排安装多达 63 个 I/O 模块。这些控制器已通过 IEC/ISO 62443 认证。为了加快应用程序开发速度，网络工程师可以使用简单的云集成来添加开源软件，包括应用程序、软件模块、运行时系统和功能扩展。

　　图 3：1069208 PLC 支持 C、C++、C# 和 MATLAB Simulink 以及标准 IEC 61131-3 编程语言。(图片来源：菲尼克斯电气)

　　政治行动委员会

　　对于复杂的控制任务，设计人员可以使用研华的ADAM 5000系列控制器。这些控制器将 PLC 的可靠性与 IPC 的灵活性和开放性相结合，并提供一系列配置，如 8 插槽 ADAM-5000/TCP-CE (图 4)和四插槽 亚当-5000/485-AE.ADAM 控制器可与 ADAM-5000 I/O 模块(如 16 通道)结合使用 亚当-5056SO-AE 数字 I/O。控制器基于 ARM 32 位 RISC 处理器。功能包括：

　　自动协商 10/100Base-T 高速通信端口

　　Modbus/TCP 支持，易于集成

　　对事件处理的 UDP 支持

　　以太网通信，具有 1，500 Vdc 隔离，支持远程配置和长达 100 m 的通信距离，无需中继器

　　C、C++ 和 .NET 库以及 IEC 61131-3 语言作为编程工具提供

　　内置看门狗定时器，用于系统自动复位

　　支持多达 8 个主机 IPC 的并发访问

　　图 4：ADAM-5000/TCP-CE 具有 8 个 I/O 模块插槽，可满足各种自动化和控制需求。(图片来源：研华)

　　适用于小型系统的 PAC

　　对于需要复杂控制功能的小型系统，开发人员可以使用 IPC DAS USA 的 I-7188XBD-CAN 系列 PAC，该系列 PAC 由 80188-40 处理器提供支持，具有 512 KB 字节的闪存和 512 KB 的静态随机存取存储器 (SRAM)。可用的通信接口包括 CAN、RS-232 和 RS-485。内置的MiniOS7操作系统支持使用C和C++编程。I-7188XBD-CAN 有一个集电极开路数字输出通道和一个数字输入通道。它与 CAN 规范 2.0 部件 A 和 B 兼容，可编程传输速率高达 1 兆比特/秒 (Mbps)(图 5)。

　　图 5：I-7188XBD-CAN PAC 由 80188-40 处理器供电。(图片来源：IPC DAS USA)

　　工控机

　　IPC 有多种配置可供选择，适用于各种工业环境。研华的TPC计算盒模块，如 TPC-B200-E12AE， 额定工作温度高达 +60°C，由第 6 代英特尔酷睿/赛扬处理器和 4 千兆字节 (GB) DDR3L 静态 DRAM (SDRAM) 供电，可扩展至 8 GB。它包括具有集成的可信平台模块 (TPM) 2.0 安全性的 Windows 10 IoT 企业操作系统，符合 IEC 62443-4-2 的 SL3 和 SL4 要求。 TPC 系列与工业级 LED LCD 触摸屏显示器(如 21 英寸)结合使用时，为工业网络提供紧凑的无风扇控制面板解决方案 FPM-D21W-BE.FPM 监视器支持两个独立的视频接口，具有画中画 (PiP) 功能，信号传输距离可达 100 m。

　　对于更苛刻的环境，枫叶系统提供 AEX-2410 扩展温度工业箱式 PC，具有 IP66 不锈钢外壳，额定值为 1 级，2 级操作，带有 M12 防水连接器。在易燃气体、蒸气和液体材料浓度不足以点燃的设施中，需要 1 类 2 分区外壳。这些 IPC 具有英特尔赛扬 N2930 四核 1.83 GHz 处理器和 Windows 操作系统。它们的额定工作温度范围为 -20°C 至 +60°C

　　网络工程师可以求助于 PC1321BP-C04M7B，21.5英寸IPC从枫树系统，当有一个电容式触摸显示器IPC时。它基于具有多种内存和存储选项的英特尔奔腾N4200四核处理器，以及Windows 10 IoT 2019操作系统。它配有钢制底盘和铝制散热器。AVEVA Edge 是一个高度可扩展、灵活的软件包，支持从高级 HMI/SCADA 实施到小尺寸嵌入式应用程序的一系列应用，也是一个可用的选项。这些 IPC 支持视频电子标准协会 (VESA) 安装座的面板安装。

　　总结

　　PLC、IPC 和 PAC 为工业过程控制网络工程师提供了一系列工具，以构建高性能、灵活和可扩展的解决方案。此外，PLC、IPC 和 PAC 具有各种功能，这些功能可能会使选择最佳设备组合变得复杂。最后，必须考虑编程语言、安全实现和操作环境的选择。