概念

PCC（Programmable Computer Controller，即可編程計算機控制器）是一種融合了傳統的PLC和IPC的優(yōu)點，具有獨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)計算機IPC已先后推出多年，它們在各自不同的應用場合已獲得了十分廣泛的應用。在多年的應用實踐中，PLC運算/處理能力不強、實時性、開放性較差和IPC可靠性及可擴展性相對較差的缺點已逐漸暴露出來，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融合了傳統的PLC和IPC的優(yōu)點，既具有PLC的高可靠性和易擴展性，又有著IPC的強大運算/處理能力和較高的實時性及開放性。

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

經過十多年的發(fā)展和應用，PCC已成為當前工業(yè)控制器發(fā)展的新方向之一，以PCC作為控制系統核心的方案正逐漸成為工業(yè)自動化系統配置的一種新格局。

特點及優(yōu)勢

2.1硬件方面的特點

在硬件結構方面，PCC的特點是很明顯的，它兼具了PC機采用高性能CPU及大容量存儲單元和PLC采用模塊式結構的優(yōu)點。

（1）模塊式的插裝結構，可帶電插拔

PCC具有全模塊式的插裝結構，在工業(yè)現場可以安全、方便地帶電插拔；PCC的CPU和I/O模塊結構緊湊，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、精巧的設計。

（2）其CPU具有多處理器結構并配備了大容量存儲單元

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

在其核心的運算模塊內部，PCC為其CPU配備了數倍于常規(guī)PLC的大容量存儲單元(100K-64MB)，這無疑為功能強大的系統軟件和應用軟件提供了有效的硬件支持。

PCC采用可插卡式的CF卡作為存儲介質，最大存儲容量可達8GB。

（3）配備了多種專用模塊和功能模塊

PCC為工業(yè)現場的各種信號和應用提供了許多專用模塊和功能模塊，如溫度、張力、步進電機驅動、示波器、鼓序列發(fā)生器信號、增量式脈沖編碼信號、稱重信號和超聲波信號、電力測量與并網同步、PWM輸出等。它們將各種形式的現場信號十分方便地接入以PCC為核心的數字控制系統中，用戶可按需要對應用系統的I/O通道進行數十點、數百點乃至數千點的擴展與聯網。PCC的所有數字量輸入端都經過了光電耦合隔離，模擬量輸入端也都經過了RC濾波處理，因此它具有很好的抗電磁干擾能力。

在PCC模塊內部，CPU的數據總線與I/O總線分離，并配置有獨立的I/O處理器。主CPU內含有一個獨立的時間處理單元TPU (Time Processing Unit )，在不增加CPU負荷的前提下高速處理簡單或復雜的定時任務，其基準計時頻率可高達6.29MHz，因此被廣泛應用于頻率、相位測量及PWM（脈寬調制）等要求極高精度的時間處理場合中。

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品，配置了多種通信模塊。

（4）以專用模塊的方式對高精度運動控制功能和智能溫度控制功能進行集成

運動控制功能：高速編碼計數、速度和位置補償、電子齒輪傳動、凸輪仿形、多軸插補、CNC技術、飛鋸等；溫度控制模塊：傳感器直接接入，每50ms處理一個PID調節(jié)回路，帶自校正PID調節(jié)和參數整定功能。2.2采用多任務操作系統和多樣化的應用軟件設計常規(guī)的PLC大多采用單任務的時鐘掃描或監(jiān)控程序來處理程序本身的邏輯運算指令及對外部I/O通道的狀態(tài)采集與刷新，整個應用程序被包含在一個循環(huán)周期內（如圖1所示）。但在一個控制系統中，雖然有一些工藝量對實時性的要求很高，但同時卻有更多的工藝量對實時性沒有特殊的要求，如果采用同樣的刷新速度來處理它們其實是對系統資源的浪費，而且循環(huán)掃描的運行機制也導致了系統的處理周期主要取決于應用程序的大小，如程序復雜龐大，掃描周期就必然加長，這無疑是與I/O通道對高實時性的要求相違背的。在圖1和圖2中，A和B為壓力控制（回路控制）任務，它們的掃描時間分別為1ms和2ms；而C和D為邏輯控制任務，它們的掃描時間分別為5ms和2ms?？磥磉@是一個邏輯控制任務程序量較大的PLC/PCC應用程序。圖1表示常規(guī)PLC的運行模式，在該圖上部的任務組合方式中，整個任務（A B C D）被包含在一個掃描時間為10ms的循環(huán)周期內，在該圖下部的任務組合方式中，整個任務（A B C）被包含在一個掃描時間為8ms的循環(huán)周期內?？梢钥闯?，總的應用程序處理周期為各任務的程序掃描時間的和，程序周而復始地循環(huán)執(zhí)行。

而PCC系統的設計方案則完美地解決了這一問題，與常規(guī)PLC相比較，PCC最大的特點就在于其引入了類似大型計算機的Runtime定性分時多任務操作系統理念，并輔之以多樣化的應用軟件設計手段。由于實行分時多任務的運行機制，應用程序可以按照工藝功能和優(yōu)先級的不同分別設置成不同的任務和不同的任務級別，并可根據要求自行設定任務的循環(huán)時間，使得應用任務的循環(huán)周期與程序長短無關，從而將應用程序的掃描周期同真正外部的控制周期區(qū)別開來，滿足了真正實時控制的要求，而且它可以在CPU運算能力允許的前提下，按照用戶的實際需求而做相應調整（如圖2所示）。圖2表示PCC-定性分時多任務操作系統的運行模式，按照邏輯控制和壓力控制任務分類組合（即圖3中的系統模塊）控制。在該圖上部的邏輯控制任務組合中，邏輯控制任務C、D被有機地分布在間隔為5ms的5個時間段中按優(yōu)先級順序先后執(zhí)行，邏輯控制任務C、D執(zhí)行時恰好壓力控制任務A、B不執(zhí)行，邏輯任務的處理周期為20ms；在該圖下部的壓力控制任務組合中，壓力控制任務A、B在每一個5 ms的時間間隔中均按順序先后執(zhí)行，壓力控制任務A、B執(zhí)行時恰好邏輯控制任務C、D不執(zhí)行，壓力任務的處理周期為5ms?？梢钥闯?，各個任務是按照分時的運行模式執(zhí)行的，各分類任務組合則按照自己的處理周期（如邏輯任務的20ms和壓力任務的5ms）周而復始地循環(huán)執(zhí)行，但壓力任務的優(yōu)先級明顯高于邏輯任務的。

基于分時多任務操作系統，PCC的應用程序可分為多個獨立的任務模塊，這樣就給項目應用軟件的開發(fā)帶來了很大的便利，因為這樣可以方便地按控制項目中諸如數據采集、報警、PID調節(jié)運算、通信控制等各部分的不同功能要求，分別編制出相應的控制程序模塊(任務)。這些模塊既各自獨立運行，而其數據間又保持一定的相互關聯，它們經過分步驟的獨立編制并完成調試之后，一并下載至PCC的用戶程序存儲區(qū)中，在該分時多任務操作系統的調度管理下并行運行。在這個多任務系統中，根據不同任務對實時性能的不同需求，設計人員可以指定不同的優(yōu)先等級并確定它們各自的循環(huán)周期，從而實現確定的分時多任務控制。即便某個任務處于等待狀態(tài)，別的任務也可繼續(xù)執(zhí)行。這一系統特點，可示于圖3中。

這種多任務的運行機制，采用了大型應用軟件的模塊化程序設計思想，帶來了項目開發(fā)效率上的提高，有著常規(guī)PLC所無法比擬的靈活性。因為多任務的思想使得各個任務模塊的功能描述更趨清晰簡潔，用戶可以自行開發(fā)既具有自己特點而又不乏通用性的獨立功能模塊，并將其封裝以便于日后在其他應用場合中重新使用。

2.3 強大的系統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三個系列，由于其在網絡通信方面的開放性和結構上的模塊化，這三種系列的PCC在構成控制系統的方式和規(guī)模上又是十分靈活的。貝加萊2007年推出的X20系列PCC成為了高精度機械自動化和高可靠性過程自動化等復雜、靈活自動化系統的通用選擇。

X20 CPU——新一代PCC的CPU，基于Intel X86 Processor技術，采用Runtime實時操作系統，秉承了貝加萊PCC的定性分時多任務的控制特點，可采用符合IEC61131-3標準的多種工程編程語言以及Automation Basic、ANSI C兩種高級語言編程。

X20 CPU的主板集成了多種通信接口，包括RS232、標準以太網接口TCP/IP、工業(yè)實時以太網接口Ethernet POWERLINK、2個USB。采用可插卡式的CF卡作為存儲介質。

X20 CPU是一款開放性極高的產品，通信模塊系列包括了CAN、Ethernet POWERLINK、Profibus、DeviceNet、Modbus、RS485/422、RS232等，方便擴展和兼容各種市場上主流的現場總線，體現其開放式的網絡架構。CP3486的主板具有三個通信模塊接口。

（2）極高的系統響應速度

系統的響應速度不僅由CPU決定，還與I/O數據的傳輸速率有關。PCC的主CPU本身速度極快，同時還借用大型計算機的結構，采用I/O-Processor單獨處理I/O數據傳輸，采用DPR-Controller雙向口控制器負責網絡及系統的管理。也就是說，一個PCC模塊上有三個處理器，它們既各自獨立而又相互關聯，最大限度地提高了整個系統的速度。

CP3486是X20 CPU系列中性能最高的產品，采用了Intel Celeron 650 處理器及附加的I/O 處理器和浮點處理器FPU。系統的單步指令處理周期最快可達到0.01μs，單個工作任務循環(huán)周期可達200μs，是當前世界上性能最強、運算最快的PLC/PCCCPU之一。

快速的I/O數據總線以及專家的模塊結合，可以實現模擬信號50us的示波器采集記錄功能，電能測量模塊可以實現電力系統中的同期并網功能等專業(yè)的功能。

（3）強大的數據通訊功能

PCC在遠程通信方面的靈活性，是區(qū)別于常規(guī)PLC的另一顯著標志，作為現場分布式控制系統的主要供應商之一，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有網絡協議，也可以方便地與其他廠家的PLC或其他工控設備通過主流各種開放式現場總線的網絡方案，如PROFIBUS，CAN，MODBUS等聯網通信，在一些特殊情況下，PCC還為用戶提供了創(chuàng)建自定義協議的幀驅動（Frame drive）工具。特別值得一提是Ethernet POWERLINK網絡協議，這是2001年貝加萊公司當競爭對手還在討論實時工業(yè)以太網概念的時候，便在全球第一次推出實用化的實時工業(yè)以太網絡，這也是全球第一個開放的安全級（SIL3）實時工業(yè)以太網。2007年初該公司又發(fā)布了千兆級實時工業(yè)以太網Ethernet POWERLINK（如圖4所示）。由于具備這樣的技術優(yōu)勢，PCC常常能輕松地實現與各種不同產品，不同通信協議的高效互聯。

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，基于同一個軟件平臺，全部解決整個自動化項目的集成。在該軟件平臺中同時集成了觸摸屏畫面組態(tài)、PCC編程調試、伺服驅動器編程、離線與在線仿真測試等豐富的軟件開發(fā)功能，從而可以大大地提高項目的開發(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，配以一套功能強大的集成化軟件開發(fā)工具AutomationStudio。除編制和組態(tài)應用程序以外，它還能為工程師提供源程序級的單步、斷點、單周期及PCC在線錯誤自診斷等多種形式的調試手段，使應用程序的開發(fā)十分靈活便捷。另外，通過開發(fā)軟件包所提供的多種函數，用戶可在短時間內編制出高效而復雜的控制程序。

一個項目中的各項軟件任務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、功能塊圖和結構化文本等符合IEC61131-3標準的工程語言可以在PCC上繼續(xù)沿用，而且程序員還可采用更為高效的高級語言，比如ANSI C 和Automation Basic，并可以在同一個項目中同時采用多種語言混合編程，從而較易實現復雜的數學運算功能和過程控制算法。而且所有這些編程語言，PCC都采用“符號變量”來標識外部I/O通道及內部寄存器單元(例如用戶可用motor_run來代表某開關量輸出通道，button_down代表某開關量輸入通道)。這樣，軟件開發(fā)人員毋需熟知PCC內部的硬件資源分布，而只須集中精力于項目本身的工藝需求，即可迅速編制出結構清晰功能明確的控制程序來。

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，平均無故障時間MTBF達到50萬小時（相當于57年）以上，屬于免維護產品，明顯高于一般的PLC和IPC（市場上最好的PLC硬件平均無故障時間MTBF通常為30萬小時）。

（2）可移植性強

在不同系列、不同型號的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。這是因為貝加萊所有的PCC硬件平臺都基于相同的操作系統內核，而且采用標簽變量關聯的編程方式，所以用戶在編程時不需要過多關注實際的硬件I/O映射關系（只需要將各個標簽名分別映射到相關的I/O通道上），而把主要注意力集中在工藝算法本身。

總結

PCC作為一種可編程計算機控制器，是專為在工業(yè)環(huán)境下應用而設計的，它既是一種新型的定性分時多任務PLC，又是一種模塊化插裝結構的IPC或PC-Based。不但具備傳統PLC的所有功能，同時融合了最新的IT網絡技術和可選擇的高級語言編程環(huán)境，具有更強大的數學運算能力、網絡通信能力、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、更強大的功能和更廣泛的適用性。

為了順應PLC、IPC及DCS技術相互融合相互促進的工業(yè)自動化發(fā)展潮流。貝加萊的PCC攜其DCS APROL和工業(yè)計算機Automation PC，已越來越廣泛地進入各類工業(yè)應用領域，并日益顯露出其不可低估的發(fā)展?jié)摿Α?/p>