新興的可編程自動控制器PAC特征與應用

新興的可編程自動控制器PAC特征與應用

當今，在設計與建立控制系統(tǒng)放時，工程師們總是希望能使用比較少的設備來實現(xiàn)更多的功能。尤為當今，他們需要的控制系統(tǒng)不僅能處理數(shù)字I/O和運動，而且還可以集成用于自動化監(jiān)控和測試的視覺功能和模塊化儀器，同時還必須能實時地處理控制算法和分析任務，并把數(shù)據(jù)傳送回企業(yè)。這就是說要求產(chǎn)品能結(jié)合高級的功能和可靠性對于這復雜的應用，僅單靠PLC或PC的不全面解決方案是困難的，這是什么原因？因基于PC的工業(yè)控制有以下弱點：

■穩(wěn)定性-通用的操作系統(tǒng)常常不夠穩(wěn)定并且生產(chǎn)線會受到系統(tǒng)崩潰和無法預料的重啟的影響。
■可靠性-由于磁性硬盤的旋轉(zhuǎn)和有像電源這樣的部件，其堅固程度達不到工業(yè)標準，PC容易發(fā)生故障。
■不熟悉的編程環(huán)境-當系統(tǒng)停止時，工廠的操作人員需要恢復系統(tǒng)。對于梯形邏輯，操作人員能知道采用人工方法啟動一個線圈或者補充代碼來快速恢復一個系統(tǒng)。但是使用PC系統(tǒng)，操作人員需要學習新工具。

圖1：為具有PC軟件功能和PLC可靠性功能的新興可編程自動控制器PAC 示意圖

使PLC增加視覺、運動、儀器和分析功能等全方位的自動化技術，顯而易見是望塵莫及。必須希望同時擁有PC的功能和PLC（可編程控制器）的可靠性的最佳方案，則可編程自動控制器（PAC-Programmable Automation Controller）就是這樣的平臺，它能最佳結(jié)合PC和PLC兩者的優(yōu)勢（見圖1所示），它提供了開放的工業(yè)標準，可擴展的領域功能，一個通用的開發(fā)平臺和一些高級性能。這是當今設計與建立控制系統(tǒng)發(fā)展的需要，屬工業(yè)自動化領域中比較完善的新興控制器。

那"PAC是什么？"PAC這一術語，它定義了一種新類型的控制器.該控制器結(jié)合了PC的處理器、RAM和軟件的優(yōu)勢，以及PLC固有的可靠性、堅固性和分布特性。PAC采用現(xiàn)有的商業(yè)化技術（COTS），非常適合于工業(yè)化環(huán)境，它具有可伸縮性，易于維護和具有較低的發(fā)生故障時間等特性。

關于PAC的平臺

快速增長的PAC平臺是基于PXI。由于PXI結(jié)合了PCI總線的電路特性和Compact PCI堅固的歐羅卡機械結(jié)構，這種結(jié)構已在工業(yè)環(huán)境中成功使用了許多年，當今NI，Chroma，LeCroy和JTAG等供應商現(xiàn)在可提供1，000多種獨特的I/O模塊，包括模擬I/O、數(shù)字I/O、視覺、運動和高精度數(shù)據(jù)采集。典型的可提供以下四種PAC硬件平臺。

■PXl對工業(yè)化PC做了改善，具有實時OS，標準的散熱，可選的不旋轉(zhuǎn)固態(tài)硬盤和內(nèi)置的模塊間同步。PXl標準要求所有的機箱能為每個模塊插槽提供25W的空氣流制冷，這樣甚至在使用高功率繼電器，高速PXl或CompactPCI卡時也不會使工作系統(tǒng)過熱或者縮短壽命。PXl也提供了能嚴格同步各個模塊的功能，因此工程師可以為高速控制應用設計運動，視覺和I/O系統(tǒng)，這些應用包括產(chǎn)品包裝和半導體器件處理。

■Compact FieldPoint使用工業(yè)級的部件來抗強沖擊和振動，其工作溫度范圍為-40℃到70℃。它也采用傳導式制冷來代替旋轉(zhuǎn)風扇，由于不使用活動部件而提高了可靠性。由于有運行實時OS的浮點處理器，Compact FieldPoint系統(tǒng)具有PC功能，用于記錄數(shù)據(jù)的CompactFlash驅(qū)動和用于通信的以太網(wǎng)口。

■Compact Vision系統(tǒng)是為機器視覺而專門設計的堅固的控制器。它使用，IEEE標準1394FireWire接口，可以在視覺應用中和16臺攝像機通信。Compact Vision系統(tǒng)也采用不活動的部件和傳導式制冷，因此您可以把系統(tǒng)固定在機器附近。它提供29個內(nèi)置的數(shù)字I/O通路，這些通路可由LabVlEWRT或使用LabVlEWFPGA的嵌入式FPGA來直接控制。

■CompactRIO是新型的可重復設置的嵌入式系統(tǒng)，它基于LabVlEWFPGA和LabVlEW。實時技術.CompactRIO系統(tǒng)采用具有3百萬門的FPGA芯片來控制模塊化的數(shù)字和模擬I/O。這些FPGA芯片可以運行嵌入在芯片里的代碼，它的數(shù)字循環(huán)的速率高達MHz，模擬循環(huán)的速率為150kHz。FPGA可以把信息傳回到運行LabVlEWRT的浮點處理器以進行高級計算和數(shù)據(jù)記錄和通信。由于有金屬外殼和傳導式制冷，該控制器非常適合用于嚴酷的環(huán)境。

PAC定義的幾種特征和性能（見圖2）。

圖2： 為PAC特征性能圖解示意

■供通用發(fā)展平臺和單一數(shù)據(jù)庫，以滿是多領域自動化系統(tǒng)設計和集成的的通用開發(fā)平臺；

■一個輕便的控制引擎，可以實現(xiàn)多領域的功能包括：邏輯控制、過程控制、運動控制和人機界面等，為統(tǒng)一平臺；

■允許用戶根據(jù)系統(tǒng)實施的要求在同一平臺上運多個不同功能的應用程序，井根據(jù)控制系統(tǒng)的設計要求，在各程序間進行系統(tǒng)資源的分配；

■采用開放的模塊化的硬件架構以實現(xiàn)不同功能的自由組合與搭配，減少系統(tǒng)升級帶來的開銷；

■支持IEC 611 58現(xiàn)場總線規(guī)范，可以實現(xiàn)基于場總線的高度分散性的工廠自動化環(huán)境；

■支持事實上的工業(yè)以太網(wǎng)標準，可以與工廠的EMS，ERP系統(tǒng)輕易集成；

■對于網(wǎng)絡協(xié)議、語言等，使用既定事實標準來保證多供應商網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)交換。

PAC可執(zhí)行較多的高級任務

■實時的振動分析、圖像處理．運動控制和CAN；

■執(zhí)行自動調(diào)節(jié)的PID控制，或可調(diào)增益的PID控制．模糊邏輯；

■使用內(nèi)置Web服務器、FTP服務器和e-mail功能進行通訊。

PAC應用舉例

用PAC結(jié)合NI PXI和圖形軟件LabVIEW RT（實時）實現(xiàn)鋼條高精度監(jiān)控和高可靠閉環(huán)控制系統(tǒng)-自動化處理設計方案。.

項目設計

由于金屬工業(yè)系統(tǒng)需要冷軋鋼廠生產(chǎn)出統(tǒng)一厚度的鋼條（以鋼卷的形式），為此這些軋鋼廠需要由對生產(chǎn)的鋼條規(guī)格進行監(jiān)控的高可靠閉環(huán)控制系統(tǒng).這就是本PAC應用的設計任務

系統(tǒng)技術要求

該系統(tǒng)能進行高精度監(jiān)測和控制并以更快的響應時間（比傳統(tǒng)PLC）；可保證每周七天、每天24小時連續(xù)的高可靠工作，并且最大限度地減少人工操作。

系統(tǒng)設計方案

鋼條規(guī)格的高精度監(jiān)測

由于NI基于PXI和實時的PAC平臺非常適合用于高精度監(jiān)測，故可利用NI 公司的圖形軟LabVlEW RT（實時）和PXI硬件開發(fā)出基于NI可編程自動控制器（PAC）的規(guī)格監(jiān)測和控制系統(tǒng).用PAC控制系統(tǒng)實時地監(jiān)測鋼片的厚度并以快速而確定的響應時間控制計量儀。

■先述該PAC控制系統(tǒng)的工作過程：

PAC控制系統(tǒng)有兩個軋輥，一個是固定的，另一個可移動，它們和液壓氣缸相連?？梢苿榆堓伕鶕?jù)輸入信號對鋼片加壓以保證鋼片有合適的厚度。

通過對各種可用于這種復雜應用的平臺比較，選擇了NI PAC平臺和圖形軟件LabVlEW RT（實時）及PXl硬件。利用N I的PAC產(chǎn)品，不僅縮短了開發(fā)時間，也為我們的客戶降低了成本。

■系統(tǒng)的信號撿測分別用厚度計量儀與位移傳感器

該控制系統(tǒng)采用厚度計量儀來測量鋼片的厚度，即，它以微米級的精度測量距定位點的偏差并形成模擬信號輸入到PXI硬件。然后根據(jù)液壓氣缸的壓力形成模擬電壓信號。

位移傳感器確定了液壓氣缸的位置并向控制器提供與金屬計量儀（或兩軋輥之間間距）相關聯(lián)的數(shù)字輸入信號。旋轉(zhuǎn)編碼器（TRD-K）固定在轉(zhuǎn)動的升降輥上，它顯示鋼條被軋出的速度，其示意見圖3所示。通過利用各種傳感器接收數(shù)據(jù)，運行于PXI控制器的LabVlEW RT對輸入做出響應并生成改變液壓壓力的輸出信號，從而控制鋼條的規(guī)格。無論是厚度計量儀與位移傳感器均可采用光纖傳感器來實施。

圖4為PAC用于鋼條（或扳材）規(guī)格進行監(jiān)控的高可靠閉環(huán)控制系統(tǒng)-自動化處理的設計方案框圖.從圖中看出該設計方案中選擇了氣壓、位移、厚度傳感器及編碼器等信號傳感撿測部分、圖形軟件LabVlEW RT（實時）、PXl/CompactPCI多功能高精度采集卡、可編程自動控制器（PAC）。

可靠控制系統(tǒng)的實現(xiàn)-多功能高精度采集、計數(shù)器收和數(shù)字I/O模塊的使用

利用運行LabVlEW RT（實時）的PXI控制來實現(xiàn)控制系統(tǒng)。該PXI系統(tǒng)采用三種不同的模塊（見圖4所示）。我們使用NI PXI-6070多功能高精度采集卡來完成模擬輸入或輸出厚度和壓力數(shù)據(jù)。此外，用NI PXI-6608計數(shù)器/定時器卡測量編碼器的信號并確定軋輥速度（示意與圖3相同）；使用NI PXI-6711模擬輸出模塊控制伺服閥來改變液壓氣缸的位置，從而控制鋼條的規(guī)格或厚度.又利用NI PXI-6527工業(yè)數(shù)字I/O模塊（含24條隔離光隔離輸入線和24條隔離固態(tài)繼電器輸出線）實現(xiàn)一個常備的按鈕式控制扳，來解決實時系統(tǒng)和主機發(fā)生連接中斷這樣意外事故的這一難題.這就是利用PXI和LabVIEW開發(fā)出了可靠的控制系統(tǒng)

響應時間的大大縮短

與傳統(tǒng)的儀器和PLC相比，我們利用NI PAC平臺提高了靈活性，降低了響應時間并改善了產(chǎn)品質(zhì)量。眾所周知對于基于PLC的典型系統(tǒng)，它的控制循環(huán)的速率為100到500ms，而使用基于PXI的控制系統(tǒng)，我們把該系統(tǒng)的循環(huán)時間降低到10ms，從而提高了我們輸出的質(zhì)量。也利用PXI背板對測量進行同步。最后，由于利用了單一的開發(fā)環(huán)境和靈活的硬件，我們把系統(tǒng)的響應時間降低為六分之一，從而減少了項目所有者的綜合成本。

需要說明的是該PAC應用的鋼條高精度監(jiān)控和高可靠閉環(huán)控制系統(tǒng)，同樣也可適用于板材行業(yè)（或建筑行業(yè)）。

結(jié)論

由于PAC能為您增加所需的PC功能以用于高級控制，實時分析或連接企業(yè)數(shù)據(jù)庫，而且同時保持了PLC的可靠性。如果您不只是需要集成數(shù)字I/O和運動控制，或者需要更快的計算機處理能力的話，PAC可能是非常好的選擇。為此，當今的工程師除了PLC控制外，其PAC不失為是一種最佳選擇，它正占領自動化領域. 而PAC概念將在當今和未來的工廠自功化中發(fā)揮重要的作用