PCC（programmable computer controller），可程式計算機控制器，作為一個全新的概念於90年代中期在工控界提出，它融合了傳統的PLC和IPC的優點，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，是一種新一代可程式計算機控制器，代表了當今工業控制技術的發展趨勢。
基本介紹
- 中文名：可程式計算機控制器
- 外文名：programmable computer controller
- 簡稱：PCC
- 具有：獨特理念的模組化控制裝置
概念,推出背景,特點及優勢,總結,
概念
PCC（Programmable Computer Controller，即可程式計算機控制器）是一種融合了傳統的PLC和IPC的優點，具有獨特理念的模組化控制裝置。
推出背景
可程式控制器PLC和工業計算機IPC已先後推出多年，它們在各自不同的套用場合已獲得了十分廣泛的套用。在多年的套用實踐中，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良的控制器已成為各類工業用戶的迫切需求，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作為新一代的可程式控制器，比傳統的PLC具有更強大的處理能力和更高的實時性；軟體功能強大，其可靠性和環境適應能力又大大優於PC-Based。
經過十多年的發展和套用，PCC已成為當前工業控制器發展的新方向之一，以PCC作為控制系統核心的方案正逐漸成為工業自動化系統配置的一種新格局。
特點及優勢
2.1硬體方面的特點
在硬體結構方面，PCC的特點是很明顯的，它兼具了PC機採用高性能CPU及大容量存儲單元和PLC採用模組式結構的優點。
（1）模組式的插裝結構，可帶電插拔
PCC具有全模組式的插裝結構，在工業現場可以安全、方便地帶電插拔；PCC的CPU和I/O模組結構緊湊，體積小巧，接線端子密集，而且在模組供電及工作狀態顯示等諸多方面有著完善、精巧的設計。
（2）其CPU具有多處理器結構並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模組上有三個處理器，這就最大限度地提高了系統的處理能力。
在其核心的運算模組內部，PCC為其CPU配備了數倍於常規PLC的大容量存儲單元(100K-64MB)，這無疑為功能強大的系統軟體和套用軟體提供了有效的硬體支持。
PCC採用可插卡式的CF卡作為存儲介質，最大存儲容量可達8GB。
（3）配備了多種專用模組和功能模組
PCC為工業現場的各種信號和套用提供了許多專用模組和功能模組，如溫度、張力、步進電機驅動、示波器、鼓序列發生器信號、增量式脈衝編碼信號、稱重信號和超音波信號、電力測量與併網同步、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，用戶可按需要對套用系統的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模組內部，CPU的數據匯流排與I/O匯流排分離，並配置有獨立的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複雜的定時任務，其基準計時頻率可高達6.29MHz，因此目前被廣泛套用於頻率、相位測量及PWM（脈寬調製）等要求極高精度的時間處理場合中。
此外，CPU的主機板集成了多種通信接口，PCC還是一款開放性極高的產品，配置了多種通信模組。
（4）以專用模組的方式對高精度運動控制功能和智慧型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；溫度控制模組：感測器直接接入，每50ms處理一個PID調節迴路，帶自校正PID調節和參數整定功能。2.2採用多任務作業系統和多樣化的套用軟體設計 常規的PLC大多採用單任務的時鐘掃描或監控程式來處理程式本身的邏輯運算指令及對外部I/O通道的狀態採集與刷新，整個應用程式被包含在一個循環周期內（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，如果採用同樣的刷新速度來處理它們其實是對系統資源的浪費，而且循環掃描的運行機制也導致了系統的處理周期主要取決於應用程式的大小，如程式複雜龐大，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（迴路控制）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。看來這是一個邏輯控制任務程式量較大的PLC/PCC應用程式。圖1表示常規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10 ms的循環周期內，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8 ms的循環周期內。可以看出，總的應用程式處理周期為各任務的程式掃描時間的和，程式周而復始地循環執行。
而PCC系統的設計方案則完美地解決了這一問題，與常規PLC相比較，PCC最大的特點就在於其引入了類似大型計算機的Runtime定性分時多任務作業系統理念，並輔之以多樣化的套用軟體設計手段。由於實行分時多任務的運行機制，應用程式可以按照工藝功能和優先權的不同分別設定成不同的任務和不同的任務級別，並可根據要求自行設定任務的循環時間，使得套用任務的循環周期與程式長短無關，從而將應用程式的掃描周期同真正外部的控制周期區別開來，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-定性分時多任務作業系統的運行模式，按照邏輯控制和壓力控制任務分類組合（即圖3中的系統模組）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5 ms的5個時間段中按優先權順序先後執行，邏輯控制任務C、D執行時恰好壓力控制任務A、B不執行，邏輯任務的處理周期為20 ms；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後執行，壓力控制任務A、B執行時恰好邏輯控制任務C、D不執行，壓力任務的處理周期為5 ms。可以看出，各個任務是按照分時的運行模式執行的，各分類任務組合則按照自己的處理周期（如邏輯任務的20 ms和壓力任務的5 ms）周而復始地循環執行，但壓力任務的優先權明顯高於邏輯任務的。
傳統的PLC運行模式
PCC-定性分時多任務作業系統的運行模式基於分時多任務作業系統，PCC的應用程式可分為多個獨立的任務模組，這樣就給項目套用軟體的開發帶來了很大的便利，因為這樣可以方便地按控制項目中諸如數據採集、報警、PID調節運算、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式模組(任務)。這些模組既各自獨立運行，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並完成調試之後，一併下載至PCC的用戶程式存儲區中，在該分時多任務作業系統的調度管理下並行運行。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先等級並確定它們各自的循環周期，從而實現確定的分時多任務控制。即便某個任務處於等待狀態，別的任務也可繼續執行。這一系統特點，可示於圖3中。
這種多任務的運行機制，採用了大型套用軟體的模組化程式設計思想，帶來了項目開發效率上的提高，有著常規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組的功能描述更趨清晰簡潔，用戶可以自行開發既具有自己特點而又不乏通用性的獨立功能模組，並將其封裝以便於日後在其他套用場合中重新使用。
PCC的軟體體系
PCC的軟體體系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，由於其在網路通信方面的開放性和結構上的模組化，這三種系列的PCC在構成控制系統的方式和規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複雜、靈活自動化系統的通用選擇。
X20 CPU——新一代PCC的CPU，基於Intel X86 Processor技術，採用Runtime實時作業系統，秉承了貝加萊PCC的定性分時多任務的控制特點，可採用符合IEC61131-3標準的多種工程程式語言以及Automation Basic、ANSI C兩種高級語言編程。
X20 CPU的主機板集成了多種通信接口，包括RS232、標準乙太網接口TCP/IP、工業實時乙太網接口Ethernet POWERLINK、2個USB。採用可插卡式的CF卡作為存儲介質。
X20 CPU是一款開放性極高的產品，通信模組系列包括了CAN、Ethernet POWERLINK、Profibus、DeviceNet、Modbus、RS485/422、RS232等，方便擴展和兼容各種目前市場上主流的現場匯流排，體現其開放式的網路架構。CP3486的主機板具有三個通信模組接口。
（2）極高的系統回響速度
系統的回響速度不僅由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，採用I/O-Processor單獨處理I/O數據傳輸，採用DPR-Controller雙向口控制器負責網路及系統的管理。也就是說，一個PCC模組上有三個處理器，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，採用了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數據匯流排以及專家的模組結合，可以實現模擬信號50us的示波器採集記錄功能，電能測量模組可以實現電力系統中的同期併網功能等專業的功能。
（3）強大的數據通訊功能
PCC在遠程通信方面的靈活性，是區別於常規PLC的另一顯著標誌，作為現場分散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。用戶不僅可以採用貝加萊的獨有網路協定，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匯流排的網路方案，如PROFIBUS，CAN，MODBUS等聯網通信，在一些特殊情況下，PCC還為用戶提供了創建自定義協定的幀驅動（Frame drive）工具。特別值得一提是Ethernet POWERLINK網路協定，這是2001年貝加萊公司當競爭對手還在討論實時工業乙太網概念的時候，便在全球第一次推出實用化的實時工業乙太網絡，這也是全球第一個開放的安全級（SIL3）實時工業乙太網。2007年初該公司又發布了千兆級實時工業乙太網Ethernet POWERLINK（如圖4所示）。由於具備這樣的技術優勢，PCC常常能輕鬆地實現與各種不同產品，不同通信協定的高效互聯。
2.4軟體的集成開發環境及靈活的軟體開發方式 （1）集成化軟體開發工具AutomationStudio
實時工業乙太網EPL構成的通訊網路
實時工業乙太網EPL構成的通訊網路PCC的編程組態軟體採用AutomationStudio集成化軟體工具，基於同一個軟體平台，全部解決整個自動化項目的集成。在該軟體平台中同時集成了觸控螢幕畫面組態、PCC編程調試、伺服驅動器編程、離線與線上仿真測試等豐富的軟體開發功能，從而可以大大地提高項目的開發效率。
（2）靈活的軟體開發方式
PCC的編程器採用普通PC機，配以一套功能強大的集成化軟體開發工具AutomationStudio。除編制和組態應用程式以外，它還能為工程師提供源程式級的單步、斷點、單周期及PCC線上錯誤自診斷等多種形式的調試手段，使應用程式的開發十分靈活便捷。另外，通過開發軟體包所提供的多種函式，用戶可在短時間內編制出高效而複雜的控制程式。
一個項目中的各項軟體任務可以由不同的程式設計師分別編制，各程式設計師基於共同的約定，可以靈活地選用不同的程式語言，這就意味著不僅在常規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上繼續沿用，而且程式設計師還可採用更為高效的高級語言，比如ANSI C 和Automation Basic，並可以在同一個項目中同時採用多種語言混合編程，從而較易實現複雜的數學運算功能和過程控制算法。而且所有這些程式語言，PCC都採用“符號變數”來標識外部I/O通道及內部暫存器單元(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，軟體開發人員毋需熟知PCC內部的硬體資源分布，而只須集中精力於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式來。
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（相當於57年）以上，屬於免維護產品，明顯高於一般的PLC和IPC（目前市場上最好的PLC硬體平均無故障時間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上所編制的程式，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硬體平台都基於相同的作業系統核心，而且採用標籤變數關聯的編程方式，所以用戶在編程時不需要過多關注實際的硬體I/O映射關係（只需要將各個標籤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 作為一種可程式計算機控制器，是專為在工業環境下套用而設計的，它既是一種新型的定性分時多任務PLC，又是一種模組化插裝結構的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網路技術和可選擇的高級語言編程環境，具有更強大的數學運算能力、網路通信能力、抗干擾能力和控制能力，從而代表了PLC的發展方向，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自動化發展潮流。貝加萊的PCC攜其DCS APROL和工業計算機Automation PC，已越來越廣泛地進入各類工業套用領域，並日益顯露出其不可低估的發展潛力。
