如何看待控制器的操作系统

发布时间：2010-04-07 作者：Renee Robbins & Barb Axelson

　　从传统意义上讲，一台可编程逻辑控制器（PLC）就是一个单纯的黑匣子，其中包含了私有操作系统。PLC问世25年来，扮演的基本都是幕后角色。大多数PLC必须通过相连的键盘或手持编程器，然后通过私有的编程方式接入系统中。如今，控制器的选择余地更宽泛了，而且可编程自动化控制器（PAC）、基于PC的控制软件和嵌入式控制器的发展正受到信息技术（IT）领域开放式系统的大力推动。部分提供商极力推崇基于Microsoft Windows的产品，而另一些供应商则闭口不谈基础的操作系统，只谈论控制器的功能。当然，Linux开放系统以及一大批的实时操作系统在这一领域也占有一席之地。面对如此纷繁的选择，我们希望知道：操作系统真的很重要吗？
　　“控制器一旦到了客户手中，操作系统就远不及机器本身的适用性那么重要了。例如，用户能否便捷地获得保护、检测并排除故障等。”，Applied Motion Systems的系统集成工程师Dan Walser说，“工业用户往往倾向于从当地分销商手中采购专用控制器。这样做的好处是不需要经过大量培训就能够更换部件，将闲置的CPU加入到生产流程或是排查出逻辑故障。对拥有高技术的客户而言，一台由现成模块和简单的软件许可系统组成，并且基于Windows开放架构的产品可能是出色的解决方案；但是对技术能力稍弱的客户而言，可能意味着末日临头。”
　　Stephen Turner是Flexicell公司的系统集成工程师，他在包装行业拥有25年的从业经验。他认为，用户的想法可以分为两类：“一类是希望使用我们推荐的产品从而降低成本的，另一类是希望追加投资从而满足他们自身标准的。一般而言，能够为满足自身标准而追加投资的往往是一些规模较大的公司，他们拥有更充裕的资金可以用于投资。小公司在希望享受自动化所带来的优越性的同时，也希望控制前期投资，从而尽可能地缩短投资回报时间。”
　　作为一名系统集成工程师，Turner并不认为操作系统会对其公司采购设备的决策产生影响。“我们现在采用的是Rockwell Automation生产线标准，但我们试图迎合用户的一切需求，即使他们的需求与我们的标准存在差异。将来，只有当我们发现Window或Linux操作系统提供了更好的标准化编程方式而价格又有所下降时，我们才可能把它们采纳为内部标准的可行选择。”
　　Turner补充说：“我能够想象，有朝一日基于Window或Linux的机器控制器会成为一种功能异常强大的工具。但在目前，成本和效率是我们关注的首要问题。”
　　Arun Sinha是控制器制造商Opto 22的商务开发总监，他也认为控制器制造商和系统集成商（SI）的客户们并不关心他们选择的控制器采用了什么操作系统，而是更关心控制器整体的稳定性和可靠性。他说：“控制器操作系统通常是透明的。机器制造商和SI使用开发/编程软件建立并配置控制器的功能。在需要监测控制器的表现以及相连设备的性能时，他们和最终用户都会用到HMI（人机界面）软件。”
　　Sinha表示，当试图将控制器集成到现有的自动化环境中，或是实现与其他系统、数据库的通信功能时，操作系统私有化与否将会受到重点考虑。他补充道：“但是这还只是一个次要问题。大多数情况下，对控制器制造商而言，操作系统应该是一个不需要操心的问题，因为它必须是合适的、可靠的，让担忧成为多余。我们需要牢记，控制器是嵌入在更大型机器中的。或者从SI的角度看，它只是更大型的自动化系统中的一部分。相关人员最不愿意做的就是在操作系统上折腾一番。”
　　Axel Rodriguez是Rockwell Automation公司的逻辑产品经理。他表示，相对于控制器采用了何种系统这样的问题，他的客户更关心的是如何满足应用需求以及如何降低直接和间接成本。他说，Rockwell承诺会开放他们的标准和技术，例如标准的原始Ethernet和Web服务器资源。他还说：“我们还承诺会封闭系统的关键区域，用户不必担心他们的架构中存在由于集成性差异、没有经测试以及一些短寿命技术造成的隐患。”
　　Rodriguez补充说：“Rockwell Automation完全可以采用现成的操作系统提供小规模、低成本的开发方案，从而获取利益，但是我们确信，如果采用一套经过周密计划和精心设计的工业控制系统，那么我们的多数用户将会在应用中获益更多。”
　　这并不是说基于Windows的控制器没有经过周密的计划或者没有一席之地。相反，在需要连接到企业系统的时候以及对Windows接口较熟悉的场合，Windows系统被普遍采用。但是，总要有人对这些开放式的操作系统作一些复杂而快速的改变，这些人往往是控制系统提供商。因此，从用户以及集成商的角度看，控制系统仍然显得无关紧要。
　　Don Ulrich是Stone Technologies的系统集成工程师，他说：“我们的客户在控制器层所采用的系统中，私有系统占到80%。但是控制器层以上全部采用了Microsoft的产品。我们并不关心一台Siemens控制器中采用了何种操作系统，用户也不会为此询问产品提供商。大家都愿意采用PLC（尤其是在大型系统中），愿意采用来自GE、Schneider等厂家的产品，因为这些产品具备了长期可维护性。”
　　很显然，自动化系统有不同的对象。在讨论操作系统之前，你必须明确你是在谈论机械一级的嵌入式控制还是应用程序一级的操作控制。Steve Garbrecht是HMI SCADA软件提供商Wonderware的产品市场总监。他指出，围绕生产车间级计算机操作系统的这场纷争旷日持久。可以确切地说，虽然Linux拥有一些支持者，但是就总体而言，Microsoft是当今主流。他说，在控制器方面，PLC提供商正开始尽可能地将传统的HMI SCADA以及信息管理程序添加到他们的硬件中。但是，PLC编程人员需要什么呢？是更多的Windows应用程序吗？是一台私有的设备吗？还是更需要一台能够提供100%准确性、能够完成一切任务的理想控制器呢？
　　R.F.Jordan是Schneider Electric的研发专家。他表示大多数控制器提供商采用私有操作系统对他们的硬件作速度和效率方面的优化，从而与市场上的其他产品拉开差距。他说：“一般而言，操作系统对于编程人员是透明的，他们所能看到的是建立在操作系统之上的编程环境。这一环境（以及命令设置——数据对象和功能）对他们而言相当关键。”
　　Jordan说：“如果编程环境存在不兼容性，那么机器制造者和系统集成工程师就无法选择最合适的产品，这是他们面临的主要难题。对编程人员而言，从一家厂商的控制器转换到另一家的产品可能要经历一段学习掌握的过程，从而影响到他们的竞争力。PLCopen之类的组织在制定编程接口方面已经获得了相当大的进展。遵守这些标准的厂商的产品互相之间具有很强的可移植性。”Flexicell的Turner说，在过去的15到20年间，大多数PLC程序的编写工作已经转移到笔记本或台式电脑的Windows环境下。然后，程序经过编译后会被载入PLC。Windows的复制、粘贴功能以及其他一些特点能够为较大规模程序的编写节省大量时间。这种模式与梯形图逻辑结合，大大简化了程序编写的过程。

　　欧洲标准即将到来？
　　Adam Snyder是ControlFreek公司的集成工程师，他使用过的大多数PLC尽管都拥有一个Windows风格的界面，但却采用了私有编程软件。他说：“这些软件是私有的，但是不同的平台在功能和布局上都很相似。”Snyder已经看到了一些不同的编程风格从欧洲发展过来，但他说：“采用大量美国以外的标准对我们而言是一个绝好的机会。机会即将出现——尤其是在全球市场需求出现增长，而美国又很有希望出口更多基于控制器的系统时。”
　　Optimation Technology公司的集成工程师Don Kiser说，编程环境仍然是为PLC专门设计的。如果你希望对一台Allen-Bradley的PLC进行编程，那么你需要使用Allen-Bradley的软件；同样的，对于Siemens、Omron等公司的产品来说也是如此。而且，他们的软件只能运行在装有Windows的机器上。
　　Kiser补充道：“我唯一见过的例外是Modicon公司。他们选择将协议公开，并允许公众开发自己的工具。如果你以SCADA和Linux作为关键字搜索相关信息，那么你不会发现任何与Allen-Bradley PLC或Siemens PLC有关的内容；但是你会找到Modicon。在控制器操作系统中，我很少发现Linux，除非是在一些非常专业的应用中；99%的应用中，Microsoft操作系统都会受到垂青。”
　　Viewpoint Systems的集成工程师James A.Campbell则坚持认为，实际情况是，由于操作系统是系统设计中一个非常重要的方面，大多数自动化系统都在使用实时操作系统。他说：“Viewpoint采用了Windows CE平台。虽然它不是一个严格意义上的实时操作系统，而只是桌面Windows的简化版本，但是它在可重复性方面确实优于桌面Windows。”
　　Campbell强调，许多集成在系统中的控制器是专用的，因此它们不需要采用操作系统。但是，我们必须明白，PC可能只是所有采用实时操作系统的设备之中最显而易见的一类。仪表和控制器市场已经并且会持续向嵌入式、实时控制器倾斜。
　　AIA Automation公司的集成工程师Michel A.Levesque表示，他使用的大多数控制器（PLC或DCS）都采用了一些实时操作系统，例如QNX。“我们不会指定，也不关心控制器采用了何种操作系统。而且这个问题最好不要引起我们的关注。”

　　操作系统重要性日益下滑
　　Kline Process Systems的集成工程师Eric J.Milus作出了最精辟的总结。他说，如今大多数控制器都会采用一套固有指令集，这一般都是控制器提供商专用的。提供商为控制器提供了编程接口，保证硬件OEM厂商、集成工程师以及最终用户能够为控制器编写程序。这些编程接口一般都被安装在运行了Windows、Linux、Unix或其他操作系统的计算机上。开放的操作系统平台支持其他各种各样的软件，而且经过配置后能够与工厂级控制器连接，包括SCADA、MES、数据批量处理、SPC等等。
　　Kline说：“在选择产品时，操作系统往往不是决定性因素。我们主要关注的是产品特点和功能（当然还有价格）。5~10年前，设备提供商会大力鼓吹操作系统的兼容性。时至今日，大多数软件都能与主流操作系统兼容了，因此操作系统的地位也随之降低了。”

　　在自动化领域采用Linux？尚未普及
　　Linux诞生至今已经15年了，并且已经成功渗透到许多IT市场。Linux在服务器领域享有盛誉，在该领域得到了众多主流IT厂商的支持。但是在基于计算机的工业控制领域，它还没有令人信服的表现。对于将这款开源操作系统用于工业控制的尝试，毁誉参半。
　　Opto 22的商务开发总监Arun Sinha说：“在自动化行业，对于是否应该在PLC和PAC控制器上采用Linux操作系统的讨论已经由来已久。采用操作系统后，OEM/控制器制造商（甚至最终用户）就可以用诸如C++、Visual Basic之类的高级语言开发控制程序。这样的话，操作系统不再甘居幕后，而是能够在不牺牲可靠性的同时，支持那些开放的高级语言了。Opto目前已经能够提供这类基于Linux的I/O处理器/控制器了，并且正在开发更新、功能更强大的版本。”
　　Michael Babb是Control Engineering Europe主编，他说：“Linux在自动化领域表现平庸，原因是它必须依赖各家设备提供商之间的紧密协作。至少在欧洲，这种协作还只是处于起步阶段。”
　　据Babb报道，在德国，随着开源自动化开发实验室（OSADL）于两年前正式成立，开源操作系统开始获得支持。OSADL部门经理Carsten Emde博士说，OSADL以OSDL（开源开发试验室）为模板，试图与Free Standard 组织合并，成立Linux基金会（LF）。OSDL和Linux基金会为Linux做的是大体上的工作，而OSADL的目标是在自动化领域推广Linux。
　　I&C Design LLC的系统集成工程师Joe Simcik从用户角度发表了他的观点。他的经验之谈是，“大多数最终用户可能并不熟悉Linux。因此，它往往被用在对技术要求较高的大型系统中。”他还补充说，Linux那种可供选择的、具有针对性的图形用户界面GUI（与Windows的基本GUI相比）大大增加了服务器的速度、效率以及可靠性。
　　按照Simcik的说法，使用Linux的缺点在于：用户通常会将计算机用在其它方面（即使我们不希望他们这么做）。而且，由于Linux具有开放的、针对性的用户界面，新用户可能会在几台同是基于Linux系统的计算机上看到不同的东西。
　　Kalki Communication Technologies的Prasanth Gopalakrishnan说：“我们正为客户提供越来越多的装有Linux的控制器。而且，我们看到大多数系统芯片/处理器都开始支持Linux/WinCE。这些产品在存储器寻址能力和处理能力方面增速飞快。在做新的设计时，控制器设计师都倾向于采用这些产品，因为它们具有高度的灵活性且易于控制成本。随着处理器、总线、高速缓存等器件速度的提高，性能已经不再是一个严重的问题了。”
　　Mauro Arigossi是Alfamation公司的控制器设计师，他说：“使用Windows和Linux是一件十分有趣的事，但不是每一个人都有足够的硬件条件、足够的知识、正确的概念甚至是充分的时间来用好这些系统。”他坚持认为，只有在相关功能得到很好支持的情况下，Linux才能够更好地为应用程序开发工程师管理系统程序、开发配置以及安全驱动证书。
　　在将开放式系统用于控制时，Arigossi给出的最后一条建议是：“我希望大家不要把这些系统作为一台计算机或个人电脑看待，也不要使用‘Windows/Linux’之类的醒目字眼。这样做对IT规则制定者造成的影响就如同把反人类的头衔扣在细菌头上一般。”

　　翻译：翁思健