展望泓格WinCon-8000 WinCE平台控制系统的应用

分类：技术教程日期：2008-01-15 00:00:00

一、前言：
自从Microsoft于数年前推出WinCE操作系统，首先应用于PDA设备上，其功能的表现与现有Windows系统不相上下。此时已经有人提出工控系统应用的构想，事实上Microsoft也以WinCE为踏入工控界的一项利器。对于要求系统稳定性大于新功能的工控系统来说，还是有不少人质疑WinCE的可靠性。但是经过多年的发展，Microsoft于2003年推出WinCE 4.2版后，已经大大提高系统的稳定性。而且WinCE已经具备信息系统许多功能，例如：Ethernet网络、SQL数据库、多媒体影像语音处理、Web联网等等，这些功能又是原有PLC、DCS等工控设备所欠缺的，可以预见一种新的应用趋势将要出现。近年来有些工控设备厂商也陆续推出WinCE＋I/O Module的产品，除了有PC系统的功能外，再加上PLC等级的处理控制信号能力，使得一台WinCE设备同时具备PC＋PLC的功能。目前泓格于2003年8月所推出的WinCon-8000控制器为其中的代表作。笔者从事工控整合应用系统数十年，由早期的Mini Computer、DOS、Windows等计算机系统都使用过，当看到此种WinCE工控设备的出现，而且价格远比以往PLC设备等更具竞争力时，可以想见的许多原先无法办到或者整合的系统将是有解，而且一些新的应用将会被创造出来。
本文将以WinCon-8000为例，说明WinCE系统的新功能，依据笔者的以往实务经验提出一些应用构想，希望能够抛砖引玉，触发有兴趣者一些新的应用方式，能够与工控业界同好互勉之。

二、WinCon-8000主要特点：
在此不做WinCE基本功能的说明，基本上此与Windows功能是相同的。WinCE加强Real Time功能、较小的操作系统、快速系统启动、中断处理等方面功能，以因应自动控制的最重要需求：「时间掌控、实时反应」。
我们重点要放在当WinCE作为工控系统时，必须重视的是相关软硬件系统搭配，毕竟此与一般的PC系统是不同的。
1.I/O模块：I/O Module分成三种类：串行式连接、Ethernet网络连接、Parallel Bus（Build in I/O）连接等。其中串行式速度最慢，Ethernet网络次之，Parallel Bus最快。此三种架构的I/O Module都有适用的场合，因应所规划的信号响应速度，选择所需的种类。但是在此必须提醒的一点是Parallel Bus I/O，具有非常快速的信号反应，又因为与主机在同一个设备上共享同一电源，所以没有串行式及Ethernet网络等两种I/O，可能发生网络断线或电源断线等故障。也就是Parallel Bus I/O的速度及稳定度远大于其它两种I/O，这是在规划一个控制系统架构时，必须考虑的要点。而不要迷信只有Ethernet I/O就可以取代一切信号点的做法。

另外网络I/O尚有CAN(Control Area Network) Bus与泓格自有的FRNet透过Modbus/RTU、CANOpen、DeviceNet等通信规约, 可以与泓格的I-7000、I-8000及其它厂牌的CAN I/O相连接，而且FRNet则是沿用了PLC架构的优点，采用Token Ring的方式，无须软件协议，在固定的时间内可以扫描所有的I/O点，再透过Dual-Port RAM的方式与主控制层做沟通。
2.Soft PLC：提供ISaGRAF、Micro Trace Mode等Soft Logic PLC的软件包，可以完全执行PLC的Ladder Diagram的程序功能。使用方式就是先于PC上编辑设计Ladder Diagram应用程序，然后下载至WinCon-8000执行。也就是可以当作一台PLC来使用，而且还有以下数点PLC所不能做到的功能，如此架构可以产生PLC Plus的效果。此Plus的功能就会激发出许多新的应用架构。
3.SCADA System：提供Indusoft Web Studio、AdAstrA Embedded HMI等套装监控系统。于WinCon-8000上提供的是执行版本。先于PC设计所要的监控画面，然后Download至WinCon-8000上执行。这些监控系统也具备各种PLC的通信模块以及OPC Client的Driver，所以除了与WinCon-8000本身的I/O Module通信外，还很容易地与其它PLC通信。我们可以发现以前一台某厂牌的PLC要与另一厂牌的通信是多么困难的一件事，现在可以藉由PLC与SCADA为一体的架构做到。又SCADA具有Web的功能，所以透过Internet做到Remote Control的功能。我们想象单独一台PLC要上Internet又是何等的困难，但是WinCon-8000可以轻易地办到，只不过WinCE是先进的操作系统，很简单地就可以融入现有信息系统的大架构中，此功能不过举手之劳，但是在实务应用上却是一大突破。可以想见地许多新的应用领域将会被开发出来。
4.OPC and Modbus支援：WinCon-8000提供OPC以及Modbus等两种数据通信方式，可以与外部系统做I/O信号值的数据交换。这些通信方式为工控业界的两大通信标准，所以系统整合也是标准化。举例来说：以前任何一个程序要与PLC相连以读写相关信号点，必须自行设计通信Driver，但是对于各种PLC不同的通信方式及信号安排都不熟悉，系统设计门坎非常的高。如今只要依据以上两种通信标准，市面上有许多组件可以使用。只要使用一台 WinCon-8000就搞定一切。
5.SQL数据库：此功能是非常重要的一点。此为标准的关系型数据库，与Windows SQL Server同一等级。一般控制系统因为受限于硬件的架构，只能专注于信号点的处理，而无法做大量数据的处理。但是PC软硬件系统的发展，使得此方面的基础系统健全，而且价格更便宜，因此大量资料的储存及处理变成可能，可以扩展许多新的应用领域。例如：配方表、生产工单、产品品质纪录、操作纪录、警报纪录、作业程序步骤、影像文件、语音文件、设备运转纪录、大量信号数据记录、….等等各种形式数据的运用。当数据越详细，活用数据的机会越多，就会创造许多新的功能，信息越透明就会使得控制更为精确，同时也降低人为的错误率，并且延伸出许多新的应用手法。
6.网络联机iPush：此功能打开一扇网络方便门，使得应用系统使用者不用知道背后复杂的网络处理程序。以往如果设计网络系统，就必须知道TCP/IP、Socket、网络通信规约7层架构、….等等技术知识，然后设计网络通信程序，又要考虑通信量、通信速度、Socket API使用、通信Timing的掌握…等等高级的程序设计技巧。同时通信的形式又有多种选择，例如：简讯、语音通知、影像传输、E-mail、Message、主动广播、多数或单独通知、通信频率、单向或双向通信、….等等不同方式。最后接收端的选择也是多样性，例如：监控系统、OPC Server、Excel、PDA、手机、Internet浏览器、….等等。如今以上的一切都交给iPush就可以了。如下图所示。

WinCon-8000已经配置有iPush Server，经过设定后就可以做到以上所有的事情。于接收端(iPush Client)则提供各种组件负责接收，例如：Excel或Internet浏览器安装相关组件，就可以开始与WinCon-8000通信，完全不用设计程序。当然如果想要自行设计程序，然后透过 iPush做网络通信也非常简单，无论于iPush Server端或者iPush Client端，只要运用相关组件API就可以达到目的，所使用的API也简化到connect、read、write、disconnect、…等少数功能即可。
我们要晓得使用WinCon-8000绝大部分为电机设计人员，可以想见当要这类使用者去设计复杂网络程序，如同缘木求渔一般的困难。但是工控设备要连上网络这又是必须经过的第一道关卡，如今见到WinCon-8000对这方面提出解决方案，这就是完全站在使用者立场所设计出来的产品。
7.开发工具应用：如果要自行开发程序有Visual Basic .NET、Visual C#、Embedded Visual C++等多种工具。同时也有多种接口API以作为整合设计用。例如：控制I/O的DLL、iPush组件、SCADA System API、SQL Server API、Modbus Protocol DLL、OPC接口等。也就是可以由各种功能层面得到所要的连接接口，如此形成一个完全的整合系统，无论从哪一方面切入都可以得到满意的整合性。所以使用者可以放心去设计特有功能的程序，然后整合至原有套装系统，变成一个新的应用系统。

三、应用趋势探讨：
以下的应用架构是依据我以前的实务经验所想象出来的，于系统上、技术上绝对可行，所缺少的是实际应用例。只要读者抓住各应用例的核心功能，寻找适当的应用场合，就可以发挥WinCon-8000的最大效能。
1.单一或远程控制盘：
1.1应用说明：
* 一般控制盘都是将现场信号配线至端子盘后，接至PLC的I/O Module内，设计Ladder Diagram程序做控制，再通信连接至PC的SCADA系统或者专用的监控系统接口设备，做各种人机画面操作。
* 如今可以将Ladder Diagram以及SCADA监控系统设计于同一台WinCon-8000内。而且还有先进的Web Internet远程监控功能，再加上iPush主动将信号送至所指定的系统上。
1.2主要功能：
* 一台设备即可组合成IPC＋PLC相同的功能。
* 远程监控功能，尤其适合于该控制盘配置于人员无法随时管理的地方，透过此功能达到遥控目的。
* 网络配置只要利用现有电讯设备，例如：ADSL等即可。
1.3系统组成：Soft PLC、SCADA、iPush等系统。
2.配方机器控制：
2.1应用说明：
* 有许多生产设备需要配方表的控制，例如：塑料成型设备、预拌混凝土生产系统、饲料生产设备…等等。
* 依据配方会连动不一样的I/O控制。而且以网络与中控室主计算机系统联机视需要随时更新配方规格。
* 目前系统大都使用PLC再加PC或者监控触控屏幕，采单机作业，无法网络整合。
2.2主要功能：
* 一台设备即可组合成IPC＋PLC相同的功能。
* SQL Server储存配方规格及操作步骤程序等，提供最人性化的接口操作。
* 与中控系统联网随时做数据交换及更新。
2.3系统组成：Soft PLC、SCADA、SQL Server等系统。
3.居家保全控制主机：
3.1应用说明：
* 以往保全系统是一个专属的封闭系统，除了居家的门窗、火警、门禁等信号外，都使用电讯专线以达到联机通信的功能。所以保全系统较难扩展至广泛应用领域。
* 使用WinCon-8000可以设计成保全主控机，搭配现有电讯网络系统，就是保全系统。
* 社区式的保全系统，将很容易构成，甚至老人居家服务系统都可以实践。
3.2主要功能：
* 使用标准PLC I/O信号连接门窗、火警、门禁等信号点，排除目前保全系统特殊的规格限制。
* 标准电讯网络系统，马上联网上线，还有Web Internet功能，屋主随时随地都可以上网查知目前状况。
* 有警报可以透过手机、简讯、E-mail等各种方式，实时通知相关人员。
* 可以发展成标准化产品，实践客户自行安装使用的可能性。
3.3系统组成：Soft PLC、SCADA、SQL Server、iPush等系统。如果再加上开发成保全套装系统，客户透过少许的设定就可以使用。
4.运输卡车控制器：
4.1应用说明：
* 有许多大宗物品（例如：水泥、谷物、石油、石化产品、砂石、预拌混凝土）装载、运送、卸货时都需要做管理。卡车行进时，还需要纪录里程数、油料管理、目前位置、纪录及预估到达及回厂时间等数据。
* 此大宗物质需要特殊的仓储设备，提发货时需要过磅作业。
* 目前尚无完美的运转数据控制器，但是WinCon-8000可以做到。
4.2主要功能：
* 连接GPS卫星定位系统，透过无线网络随时发出卡车位置，行控中心实时掌控各卡车目前位置，预测到达时间，作为调度车辆重要参考。
* 以I/O信号连接哩程、油料等信号，纪录每趟实际数，取代现有的纪录纸设备。依据实际值可以统计出各种有用信息，例如：行车路线改进、卡车运转状态、司机操作管理…等等。
* SQL Server也可以记录载运货品的送货、订货、提货…等各式资料。
* 至货物仓储设备提卸货时，可以与其控制设备联机，做自动控制操作，目前此方面国外已经有人做到无人化的管理。
4.3系统组成：Soft PLC、SCADA、iPush、SQL Server、外加GPS设备及无线上网等
5.多种通信规约转换设备：
5.1应用说明：
* 各种控制器的通信规约都不相同，如何将两者数据转换通信就是一个大问题。
* 使用WinCE基本系统，COM Port、Ethernet、Multi-Task等再加上开发相关程序，就可以变成一个Multi-Gateway新的产品。
5.2主要功能：
* 通信规约的转换。
5.3系统组成：Visual C#、Embedded Visual C++等开发工具，再使用WinCE系统API，依据不同通信规约开发相关程序。
6.远程警报传送设备：
6.1应用说明：
* 环保监测器、大型管线监测站、自来水加压站、河流水位监测、气象监测站、电讯基地台、…等等使用情形，都是单独将监控设备置于户外或者无人操作的场合。此应用最需要的两个功能：一为有必要时上网查看，另一为警报发生时主动通报。
* 以目前PLC的做法，无法单独完成，都必须再配置一台PC才能完成上述的两个功能。
6.2主要功能：
* 一台设备即可组合成IPC＋PLC相同的功能。
* 信号监视、纪录、警报处理等。
* Web Internet画面查询，警报时透过网络主动通知。
* 可以连接门禁设备、刷卡管制等相关设备。
6.3系统组成：Soft PLC、SCADA、iPush等。再加上Visual C#、Visual C++开发相关特殊功能。
7.MES系统区域控制器：
7.1应用说明：
* MES缩写为Manufactory Execution System，此为生产信息管理系统。与生产线的机台、设备信号、刷卡等各种实时信息相连接。
* 需要下载生产工单、配方、产品规格、原物料补充、生产操作程序…等等生产命令。也要上传实际生产数量、机台运转状态、产品品质、原物料情形、…等等各种信息。
* 必须有设备负责此方面数据联机、数据暂存、设备间接口通信等功能。目前大都以PC再加PLC做此工作，WinCE将来可能变成此种整合工作的标准产品。
7.2主要功能：
生产机台与中控系统的通信Gateway。
SQL Server储存生产相关数据
监控画面显示生产状况及操作画面
I/O信号与相关设备连接做必要的控制。
7.3系统组成：Soft PLC、SCADA、iPush、SQL Server等。再加上Visual C#、Visual C++开发相关特殊功能。
8.仓储检料系统：
8.1应用说明：
* 电子产品、化妆品、药品、食品饮料…等等具有各种型号及件数计算的产品发货时，会面临每一种发货单都是不一样的型号及数量。所以仓储人员检料配货常常出错。
* 目前检料系统大都以灯号、LED显示等方式提醒操作人员。
* WinCon-8000可以提供此功能还可以再加上许多新功能，防止出错。
8.2主要功能：
* 灯号及仓储设备开关都可以由I/O信号或者通信联机控制。
* CRT画面显示取代原有LED，可以得到更多的信息。例如：出货单数据、产品规格及影像等。
* 检料完成马上于画面操作，实时更新数据库。
8.3系统组成：Soft PLC、SCADA、SQL Server等。
四、结语：
由以上说明来看，我们已经发现WinCE可以做到PLC功能外，再加上许多Windows系统的功能。我们也发现许多好的应用架构，可能有人会质疑把所有的功能都放在一台设备上，会是一种正确的做法吗？大家不要忘记因为网络系统的发展，就是要做到分散控制的目的，一台WinCE应用于一种特定功能或者一段制程的控制，整合多台WinCE就形成一个完整系统，因为WinCE功能越完整就可以使用其中必要的功能完成一个所要的控制功能。当然以目前WinCE的架构，还谈不上取代PLC，但是WinCE所具备新的系统功能，可以延伸出许多PLC所做不到的系统，而且有许多以前因为种种的限制无法使用自动控制技术，现在都变成可能。我们再来看SQL数据库、Web Internet、网络联机、Multi-Task、Multi-Media….等等都是现有控制设备所缺少的。如何整合及发挥这些功能于应用系统上，就是一个重要的课题。谈WinCE系统不应该由取代PLC、DCS等现有控制系统的观点来看应用趋势，而是如何整合这些系统，研发新的功能以加强现有系统的不足，另一方面开发新的应用领域，例如：商业上、生活上等应用，而不只限于工业上。如此思考将会有许多意想不到的应用等着我们去开发。
我们再由系统整合设计者的角度来看，一向遇到的问题就是如何整合不同的软硬件系统，所以常常被迫设计低阶的系统程序，以作为系统间的接口。WinCon-8000是标准的信息架构，再加上驱动I/O信号的能力，已经提供大部分如何整合入信息系统的平台。系统整合者可以专注心力于应用系统的创新开发，而不用分心解决信息系统基础架构问题。如此WinCE Based控制器将会发挥关键性的角色，可以预见的WinCE将会成为工控系统中不可或缺的重要系统。