施耐德以太网过程自动化控制器ePAC.docx

施耐德电气以太网过程自动化控制器ePAC摘要：全球能效管理专家及过程自动化控制领域的领先者施耐德电气，即将推出一项创新的PAC平台，被命名为ePAC。ePAC是致力于提供高效的自动化处理、可无缝集成基于透明就绪网络的分布式智能化设备。它通过深度集成标准化、开放的以太网和web标准，为商务应用、网络集成、网络安全、工具互用、设备通讯等提供了最优化的解决方案。关键词：自动化；集成；网络安全；ePAC一、 引言1. ePAC 的概念Modicon M580 ePAC，是施耐德电气最新推出的一款重要的创新型产品，它的的出现填补了工业自动化领域中，通用型以太网、DCS和过程自动化控制器之间的空白。这是一场革命性的创新，是施耐德电气工厂自动化解决方案团队，十多年来，在以太网通讯系统和网络领域不断努力的成果。它为自动化解决方案带来了新视野，有着惊人的高速通讯能力。它通过管理高精度的时间控制框架，提供高标准的、为丰富实例验证的、开放的解决方案。 图1：ePAC在此，有必要先对ePAC的概念进行一个简要解读。ePAC是一个极具创新性的控制器概念，它完全基于以太网架构设计，从远程设备和分布式的设备直到控制器核心处理器中，实现了在开放的以太网主干中管理所有的通讯设备、控制网络和现场网络。ePAC为客户提供了一种柔性的架构，允许各个层面的修改，包括对应用程序、配置和架构体系的修改等，无需停机。它依赖于业已证明和扩大化的路由功能，突破了网络透明的局限性。这个架构的灵活性和可用性已经完全超越了传统PLC系统，甚至优于部分的DCS系统。施耐德电气研发ePAC的初衷就是希望在设备和装置高度集成的基础上，现实相当大程度的开放性，从而为客户排忧解难。由于有开放性的保证，客户原有的设备也可以集成到ePAC系统中，最大程度的保证了升级改造的平滑性，并有效地降低投资成本。近年来，自动化领域的网络安全也逐渐得到重视。为此，我们做了大量的努力，如何为客户提供一个既开放又安全的系统，是我们的肩负的使命。回顾历史，1968年 ，施耐德电气旗下的ModiconPLC产品问世。 2013年，我们用以太网过程控制器ePAC的概念重塑了PLC。2. 市场挑战和目前的问题那么，在当今的工业控制领域，我们面临哪些挑战呢？首当其冲的一个问题就是整个系统的可靠性、稳定性和可持续性。我们核电行业的客户就曾经直接提出这样的问题，“我们必须确保现在我们安装的高级科技产品，满足在未来十数年，甚至数十年的不间断运行。”这是现在也是今后我们最为关注的问题。现今，大量的应用程序要求做到24x7不停机地运行，例如在钢铁厂、污水处理厂、电厂等应用中，一旦出现某种故障而停机，就会造成极大的经济损失甚至会危及人员安全。这也是为什么用户需要一个完整的、功能强大的、高效的自动化解决方案。它必须足够灵活，能应对好日常的工作，同时也得做到操作简单，以便在出现问题时可以快速诊断。当然，现阶段的系统诊断已经不仅仅局限于分析和处理错误，还要被应用于前瞻性的系统维护，能提前对可能出现故障的部分进行维护，避免不必要的停机。此外，零故障还需要客户从网络安全的视角去审视，如今网络犯罪无处不在，客户需要在这个层面上做好防范。另外，可持续性的投资对客户来说也是一个较大的挑战。它与技术息息相关，选择好的技术集成到到自动化的解决方案是需要重视的。一方面，客户需要确保其工厂使用的技术在未来20年内不会被快速淘汰，仍然能得到维护和发展。另一方面，客户同时希望从最新技术里获益，要么可以增强他的全局效应，要么可以保证精确地运作。在这个层面上，自动化的供应商需要在旧有的产品和最新的产品之间，实现一种平滑过渡的解决方案。由于客户的需求是不同的，所以，这是一项非常具有挑战性的工作。归纳起来说，客户需求一般三种：有的客户要求在系统升级的过程中，保持现场原状，不要改动应用程序，也不要重新接线；有的客户接可以受现场调整，但要解决好程序兼容的问题，不要带来后续麻烦；还有一种用户无特殊需求，持较为随意的态度。第三个挑战就是我们要为客户打造一个柔性的系统，该系统有足够的开放性和灵活性。对于工厂而言，新增一条生产线是很正常的。因此，客户需要的是一个灵活的、可扩展的系统，这样在需要扩展系统的时候，他可以简单地对系统架构进行重构，并增加新的设备，而不需要舍弃已有的设备，甚至停产翻建，也能够让第三方的解决方案可以便捷高效的集成到这个产品系统中。归根结底，客户需要将合适的、符合其需求的解决方案设置在工厂里。这个解决方案必须高度灵活，能以一种透明可控的方式实现任何架构的更新，而避免不必要的停机调试。二、技术环境和挑战从上世纪90年代末起，以太网、英特网和Web的技术不仅改变了商业方式，更是改变了人类的生活方式。从摩尔定律 英特尔公司的创建者之一戈登摩尔在电子杂志上预测未来集成电路发展趋势：“硅晶元每平方英寸所能容纳的晶体管数量每两年翻一番”。的角度说，这种新兴技术推动了市场强劲快速的变化。例如，在PC电脑的销售量出现下降时，平板电脑的销量开始了增涨。这一趋势使得一种连接设备迎来了爆炸性的增长，据业内人士分析，这种连接设备在2015年的销量会到达150亿台。这个连接设备的核心是以一项高端高效的技术为基础，被一家名为ARM处理器的创新型公司开发出来。 ARM处理器，是以精简指令集（RISC）为基础使用最广泛的32进制指令装置。近来，它随着市场需求量的增加，所占的市场份额也不断上涨。仅在2010年， ARM芯片的生产商就表示，以ARM芯片为基础的处理器发货量达到了61亿台，占据了当年95%的智能手机的市场份额、35%的数字电视和机顶盒的市场份额和10%笔记本电脑的市场份额。 图2：ePAC ARM处理器作为处理器解决方案提供商，ARM不自己生产处理器芯片，而是参加其他半导体制造商的产品设计中。目前，约有1000家公司使用ARM的产品，与其他复杂的芯片设计上相比，ARM更醉心于降低成本、热能和功率：将芯片植入到一个嵌入式系统去整合内存、接口和无线，从而降低了复杂性，这种更为简化的设计使得公司能建立一个更低能耗和更高效的体系结构。一个典型的例子就是苹果公司的“牛顿”平板电脑，这项基于ARM架构的设计同样适用于苹果A4和A5。这项设计的初衷就是，让多核CPU更高效、核心频率更高级、能耗更少、成本更低，可以带给服务器、笔记本电脑更高等级的处理能力和提升的能源利用效率。图3：ePAC ARM微处理器的内部流程 另外一个优势就是，由于ARM是市场上主要芯片制造商的标准平台。所以ARM的可以匹配微处理器市场的最优的产品。为此，施耐德电气充分地利用了这一技术。作为自动化控制器的提供商，我们必需满足客户提出的25年的寿命要求，保护客户的投资、优化客户的投资结构。选择ARM这样一个标准微处理器平台最大的优点就是可操作性好、反复使用性强、提升空间大，并且它对我们产品架构的影响也很小。充分使用ARM，能优化通用平台上的产品设计，不仅可以减少适应市场的时间还能增加产品的统一性。因为，ARM处理器本身就是基于减少晶体管数量，从而使平台的效率达到最高。另外，它能良好地定义集成应用，将硅智财调整到一个特定的芯片区域，这被称为可制定区。它可以让旧有的接口嵌入到我们新的技术里。让我们将一整套基于完整功能的高功能产品，嵌入到一个紧凑的模块中，为客户实现更高效的管理。 图4：ePAC ARM微处理器的内部功能三、产品的解决方案现在，让我们把目光聚焦那些能够为客户带来竞争优势的产品特征上。从传统的PAC视角看，不难发现ePAC具备的特征超出了我们对传统工业设备管理的认知。ePAC可以使用广受好评的 Unity Pro编程，支持符合IEC 61131的技术标准的5种编程语言、并提供丰富的扩展模块，包括I/O、通信、专家模块等，同时还有着足够的处理能力去管理复杂的目标过程。就应用范围来讲，ePAC的应用已经不仅局限在传统的PAC市场，它还能应用于更偏向于过程控制的领域（如传统的DCS领域）或者先进制造领域。在此，笔者为您介绍ePAC它极高的灵活性：从架构的角度来看，客户可以通过远程设备和分布式设备来制定各个层面的需求：在时间管理上，可以进行时效性管理；在架构管理上，可以实现在从简单的菊花链到复杂的主环+子环的双环网架构；在材料选择上，可以采用近距离铜缆（屏蔽双绞线，100米），也可以采用光纤（可达15千米）；在实现方式上，可以通过有线甚至无线来实现。因此，从设计的角度分析，一个灵活的系统可以调试那些复杂的架构。即使系统本身就可以支持各式各样的架构，但ePAC的灵活性仍然至关重要：它要能在进程里能改变初始架构、能在配置中添加或删除节点，或者能在节点中添加或删除模块。就算是再紧凑的运行阶段，也可以执行修改，从而实现PAC任务的高度同步率。总而言之，我们的任务就是不断地去简化和适应系统，让我们的样客户在修改架构时不会束手束脚。从应用程序的角度看，ePAC也具备着强大的功能：它可以迅捷地改变应用程序的任何部分、能增加或者调整变量。像SCADA、HIM那样，能够自动的进行所有的系统修改，用户不需做任何特殊的操作。需要再次说明的是，当用户修改应用程序时，无需担心系统的统一性。ePAC之所以具备如此强大的灵活性，是因为它是建立在通用热插拔能力基础上的。这样，用户更换模块的操作就变得非常简单了。现场工程师只需要从一个运行中的配置中取出一个模块，再用一个全新的模块替换掉即可。在很短的时间内（根据模块种类稍有不同，最快可达毫秒级），这个新的模块进行重新配置，并迅速接管整个流程。此外，这种灵活性还能让我们Modicon M580处理器支持以原有的Premium I/O 作为扩展 I/O 站使用。所以说，ePAC实现了解决方案兼容性问题的突破！对客户来说，使用Premium意味着不仅不需要在工厂重新布线，还可保留Premium I/O配置，其余的工作交给我们的ePAC即可。另外，ePAC的灵活性还体现在能让旧有的解决方案便捷地实现集成，最大程度的保护客户的原有资产和投资。即当我们转移到新的ePAC架构时，客户能够放心那些业已存在的配置，不需要做任何调整，也放心新集成的解决方案可以稳健地运行很多年。我们尊重客户的意愿，我们可以通过灵活的架构去适应，保证用户资产其不会被架构或者技术的束缚而遭受损失。不仅如此，ePAC还拥有更好的可持续发展特性：例如，在我们的新平台里重新使用X80模块(暨Modicon M340模块)，就得让客户在产品目录、教育训练和备品备件等方面运行更为畅通。同时，我们还非常重视客户需求，快速响应客户反馈，不断的推出更多高标准的品质和I/O 和通讯产品来强化ePAC平台。另外，从机械设计、电子设计以及气候环境适应性等视角来看，Modicon M580有良好的可靠性和稳定性。因为我们在每个设计阶段都考虑到客户对长期使用的需求，我们深知停产会带来的代价和影响，也明白这是客户最关心的问题。所以，我们不断降低过程中发生故障的可能性；我们的设计一直都是要保证能在最恶劣的环境中运行，无论是高温、海事、腐蚀性的环境、冲击还是震动。此外，我们在软件和固件方面做了很多努力以提高我们系统的可靠性和整体性，最大程度地保证在自动校验过程中，内存的数据不会被干扰，出错了也能及时发现。即使系统一旦检测出错误或分歧，它也会自动的进入到一个安全的停机模式中，我们会通过微处理器、内存、任务计划表中的语句，记录系统里所有的内部事件，并转成安全模式的输出。事实上，上述描述的那些特征和一个当下火热的的话题，即网络安全，密切相关。在这个层面上，ePAC为我们实现了最高等级的安全：其应用流程里的每一个登录编码和密码保证了控制器的安全，能为用户省去不必要的操作，还能集中检查编程工具和固件的集成性以保证不被网络攻击，这些特质已经被独立的第三方机构验证了，并取得了相关认证（Archilles level2），这也证明了ePAC强大的网络安全保护能力。除了保证安全，ePAC还可以按照客户需求，流畅地实现数据的透明传输。具体说来，客户不需要另外安装其他设备就可以获得SCADA的现场设备数据，他可以在任何地方甚至能通过无线网络，来配置和调整设备里的参数。我们充分地利用了以太网主干、通讯设备和路由的功能，架构起了能持两种不同的主流以太网协议：EIP（EtherNet/IP）和Modbus TCP，这已经已经被广泛验证，并且有大量的设备支持。此外，大部分的与EIP（EtherNet/IP）和Modbus TCP相关的可持续性网络技术都可以在系统中得到支持。这种标准化的以太网技术对客户来说是极大的保证。以太网技术具备相当程度的开放性，能提供高标准和高兼容性的结构，可以无障碍地实现任何设备的集成。所以，数据的透明传输无论是施耐德电气的设备还是第三方的设备，都是没有限制的。另一项重要技术就是广泛的使用FDT/DTM技术标准，它确保事实的对于任何设备的开放性。在此基础上，制造商自己开发的设备就能集成在我们的系统里，这样客户就可以对所有地方的任何设备进行配置、操作和诊断。这是目前最主流的设备集成方式，也是工业以太网技术的未来发展方向，代表着当下最高层次的第三方设备集成在PAC的工艺水平。当然，由于ePAC架构能够充分地应用到施耐德电气其他的系统中，如SCADA、HMI、RTU等。所以，施耐德电气的设备集成还可以提供更多的服务，而不仅仅是数据的透明传输。我们可以对ePAC的诊断信息进行充分地存取和管理，这些信息可以通过程序设计工具、HMI、SCADA来得到，甚至通过PC电脑或智能手机里面的传统浏览器得到。在此基础上，变频器和伺服等电机驱动设备的集成，可以在任何地方和任何情况下的进行修改，能够极大地保证整个系统的便捷、持久的统一性；我们还可以注意到有的的系统特征可以允许一些如下的操作，比如在SCADA中进行1ms精度的事件顺序管理（时间戳），而无需在PAC编程或改变变量，也无需停止SCADA的控制过程，不一而足。总而言之，ePAC提供了一种方式，能使所有的施耐德电气RTU解决方案能进行深度地集成和相互操作，现实了从简单控制到SCADA的控制过程。它超越了传统的PAC概念，真正地实现了工厂解决方案里的集成。四、工艺解决方案综上所述，ARM处理器、多核技术和可定制的芯片是我们ePAC的基石，但这只是第一步。内部结构里嵌入式的以太网与我们底板里的集成的以太网有着关联性。如此，控制器就可以变成网络它本身。因此，在访问现场数据时更为畅通，使用源头数据也不会存在问题，就像使用PLC系统