擁有PC功能和PLC可靠性的新興PAC

擁有PC功能和PLC可靠性的新興PAC

開發(fā)可編程自動控制器(PAC)是發(fā)展的必然

10多年前當Internet處于起步階段，基于PC的儀器還沒有出現(xiàn)，那時PLC占領了整個自動化領域。即使是今天，那些使用數(shù)字I/O進行簡單控制的工程師雖然感到PLC是他們最好的選擇。但如果考慮到要使PLC增加視覺、運動、儀器和分析功能等全方位的自動化領域，那只有新一代可編程自動控制器(PAC -Programmable Automation Controlle)才有可能會逐漸占領。這是當今設計與建立控制系統(tǒng)發(fā)展的需要。

眾所周知，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)。也就是說，工程師們希望同時擁有PC的功能和PLC(可編程控制器)的可靠性，而可編程自動控制器(PAC-Programmable Automation Controlle)就是這樣的平臺，它能最佳結合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。是工業(yè)自動化領域中比較完善的新興控制器。

那“PAC是什么？” 它有什么特征和優(yōu)勢， 值此本文將從PAC的多個方面特征與PLC對比中分折出優(yōu)勢。為此，先述PAC是什么。

PAC的含義

PAC這一術語，它定義了一種新類型的控制器。該控制器結合了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。

2、 PAC的平臺

快速增長的PAC平臺是基于PXI。由于PXI結合了PCI總線的電路特性和Compact PCI堅固的歐羅卡機械結構，這種結構已在工業(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。典型的有如下四種PAC硬件平臺。

*PXl對工業(yè)化PC做了改善，具有實時OS(操作系統(tǒng))，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。

*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-40oC到70oC，并且具有Class 1 Division 11部和Lloyd’s認證。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。

*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。

*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1MHz，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。

3、PAC優(yōu)于PLC的多種原因分析。

之所以PAC優(yōu)于PLC，將從成本，高級功能，外形結構，控制器，I／O和軟件等六個方面的特征作分析。

3.1 成本-最為經(jīng)濟的選擇

采用了單一的控制器節(jié)省了成本。它具有單一的控制器和機箱，可用于處理數(shù)字和模擬I/O，具有運動、視覺功能和模塊化儀器，因此不再需要花錢購買多個控制器。正因為如此，如果需要控制系統(tǒng)具有多種功能，如視覺或模塊化儀器，那么采用PAC將是最為經(jīng)濟的選擇。

3.2 有多功能實時控制的高級功能

*過程控制進行優(yōu)化的高級控制

由于能源或材料的成本很高的，對過程控制來說，工程師往往要對PID控制算法要進行優(yōu)化，以最大程度地減少浪費。這些算法常常采用如模糊邏輯或神經(jīng)網(wǎng)絡等控制設計技術，從而可以最大限度地降低過程控制的穩(wěn)定時間。傳統(tǒng)的PLC所能實現(xiàn)的PID控制算法并沒有為特定的過程控制進行優(yōu)化，若采用高級的控制算法不僅需要強大的浮點處理器，而且還要占用大量的內(nèi)存，但若使用PAC平臺則可以滿足過程控制進行優(yōu)化的要求。

*監(jiān)控的實時分析

對機器運行進行監(jiān)控的系統(tǒng)中，需要實時采集來自模擬或數(shù)字I/O通道的數(shù)據(jù)，從而能有效地檢測故障狀態(tài)。則可能需要進行實時的階次跟蹤和振動分析等復雜工作才能有效地檢測機器的狀況。然而對于這些應用，則可以使用PAC的高效平臺來進行實時地分析工作。

*控制系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡連接

利用來自廠房內(nèi)的實時數(shù)據(jù)，操作人員可以在控制室內(nèi)根據(jù)所得的信息制定決策。然而，要使控制系統(tǒng)具有輸出現(xiàn)場數(shù)據(jù)的功能是很困難的。企業(yè)系統(tǒng)一般采用標準的ODBC，ADO和XML以獲得來自自動化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)。PLC只能通過標準的OPC進行通信，這意味著需要增加一臺PC來采用OPC獲取數(shù)據(jù)并使用如ODBC(開放數(shù)據(jù)厙互連)、ADO(數(shù)據(jù)自動化設計)和XML(可擴充描述語言)這樣的標準把數(shù)據(jù)傳送給企業(yè)。為了能有效地把現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳送到ERP系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)必須能直接和外部數(shù)據(jù)庫通信，據(jù)此，完全可以使用PAC來完成這些工作。

*網(wǎng)絡傳送數(shù)據(jù)對數(shù)據(jù)加密

在把控制系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡連接時，是需要考慮安全問題的。出于安全的利益，許多廠商選擇不把自動化系統(tǒng)和企業(yè)數(shù)據(jù)庫相連，但是對于大多數(shù)廠商而言，連接所帶來的好處要遠大于安全方面的顧慮。盡管可以對PLC加鎖來防止他人入侵工廠的網(wǎng)絡，但是由于PLC通過以太網(wǎng)發(fā)送非加密包，所以它并不適合用于防止黑客入侵。PAC在通過網(wǎng)絡傳送數(shù)據(jù)時，可以對數(shù)據(jù)加密。盡管目前這還不是需要考慮的第一因素，但是在將來它將是廠房內(nèi)分布式系統(tǒng)采用PAC的主要原因。

*多種速度與多個循環(huán)的確定性應用

PLC只能以固定的速度運行，而且它并不是為能以不同循環(huán)速率獨立進行處理所設計的。但如今，復雜的控制系統(tǒng)中常需要多種速率的確定性應用，它需要有多個循環(huán)，每個循環(huán)以不同的速率運行。這就要求能進行并行處理，而只有在PAC上運行的操作系統(tǒng)才具有這樣的特性。

3.3 靈活堅固的結構

*適合于工廠環(huán)境

選擇PLC的一個常見原因是它能在工廠的環(huán)境下正常工作。然而，絕大部分PLC是安裝在向列箱內(nèi)。然而在這樣的環(huán)境里，PXI平臺附加的冷卻裝置，堅固的外表面和增強的抗沖擊和振動指標都使系統(tǒng)具有和PLC相同的可靠性。

*很強的擴展功能

工程師很希望使用柔性的自動化系統(tǒng)來滿足不斷更新的要求，所以他們需要控制系統(tǒng)具有模塊化、靈活性和伸縮性。PLC系統(tǒng)由于受到了I／O的限制，只能在數(shù)字和運動方面具有伸縮性，而PAC不僅具有PLC的伸縮性，而且您還可以在系統(tǒng)上增加視覺，模塊化儀器或高速模擬I／O。也可以通過以太網(wǎng)來使用多個PC并根據(jù)需要增加或減少PC的數(shù)目。

*更新或更換模塊方便

對于現(xiàn)場工程師而言，最大限度地減小故障時間是非常重要的。在對控制系統(tǒng)進行更新或更換I/O模塊時，需要能最大程度地減少更換或增加模塊的工作量。PAC的模塊化特性滿足這方面的要求。

3.4控制器

*具備Pentium4處理器與G字節(jié)容量的RAM

由于采用了現(xiàn)有的硬件來構建基于PAC的系統(tǒng)，所以PAC控制器可使用Pentium4處理器并具備G字節(jié)容量的RAM，這樣可滿足對機器高速狀態(tài)進行監(jiān)控時需要高速的處理器和大容量內(nèi)存的要求。

*信息存儲功能

PAC則可以根據(jù)指定的時間、方式和數(shù)據(jù)格式來記錄數(shù)據(jù)。如果無法保存和查看歷史信息，那么信息還有什么用呢？而PLC傳統(tǒng)上就缺乏數(shù)據(jù)記錄的功能。

*數(shù)字I/O可以提供24V的電壓，高達500mA的驅(qū)動電流和光學隔離

傳統(tǒng)上，PLC平臺的數(shù)字I/O只能為工業(yè)傳感器和激勵器提供標準的電壓驅(qū)動電流。然而，新的如N1 651x系列模塊的數(shù)字I/O則可以提供24V的電壓，高達500mA的驅(qū)動電流和光學隔離，并且它還具有看門狗定時器，可編程電源啟動狀態(tài)，用于提高安全性和可靠性的輸入濾波器等特性，而成本只有每通道5美元。

*模擬輸入速率可高達每秒200M

目前某些PLC也具有模擬I/O模塊，但是它們的編程十分復雜而且不適合用于高分辨率和大數(shù)據(jù)量的應用。而PAC所提供的模擬輸入速率可高達每秒200M并具有24位的分辨率，這主要由于PCI總線技術速度快的原因，故可采用基于PC平臺來提供模擬I/O。

*高達8軸的運動方式

在各種平臺中，特別是當您需要高于兩軸運動方式時，軟件起著主要的作用。在PXI平臺上的運動控制器可以提供高達8軸的運動方式，而且可以使用NI運動助手對系統(tǒng)進行輕松地配置。

*視覺應用

數(shù)據(jù)傳輸速率是在PLC平臺上提供視覺功能的最大障礙。目前，無論是要自動監(jiān)測零件還是檢驗藥品的包裝，都可以在PXI平臺上使用用于視覺應用的模擬、數(shù)字和FireWire攝像機?？梢栽诳刂瞥绦蛑屑啥喾N視覺算法，如模式匹配，光學字符識別，顏色匹配，規(guī)格和顏色檢測。

*通過各種工業(yè)化的現(xiàn)場總線提供互聯(lián)

和PLC類似，PAC可以通過各種工業(yè)化的現(xiàn)場總線提供互聯(lián)，如FOUNDATION Fietdbus，DeviceNet，CAN，Modbus，Ethernet，Profibus，串口等。PAC不僅能作為分布式I／O模塊的主控設備，而且也可以作為從屬設備添加到已有系統(tǒng)中。

3。5軟件

*實時操作系統(tǒng)

在PAC平臺上可以使用如RTLinux，PharlapETS，QNX和VxWorks這些實時的操作系統(tǒng)(RTOS)。一般來講，實時系統(tǒng)的編程很困難，但是使用如LabVIEW RT這樣的軟件可以改變工程師開發(fā)實時系統(tǒng)的方式。現(xiàn)在工程師可以把Windows上開發(fā)的程序下載到實時運載平臺上，如PXl控制器。

*HMI(人機接口)的圖像顯示

特別是在混雜和過程控制工業(yè)中，大多數(shù)控制系統(tǒng)需要一個能連接控制系統(tǒng)的人機界面。一個HMI(人機接口)由一個觸摸屏組成，它可以包含一個嵌入式控制器也可以沒有。由于基于PAC的系統(tǒng)考慮到了用于I/O的相同控制器的使用，所以也就不需要添加額外的嵌入式控制器來實現(xiàn)HMI的圖像顯示。

*容易的開發(fā)環(huán)境

雖然傳統(tǒng)的梯形邏輯編程非常適合于數(shù)字I/O的編程，然而對于處理模擬I/O、運動或視覺這種編程方式則十分麻煩。PAC可以用通用的語言編寫控制程序，為您提供了很大的靈活性，這些通用語言包括C，C++，VisuaI Basic，LabVIEW甚至是傳統(tǒng)的梯形邏輯。

4、從上看出PAC與PLC功能之差異，其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。

5、結束語

PAC是新一代PLC，其優(yōu)勢可概括PAC有五大特點：

*多種功能，在一個平臺上至少有兩個邏輯，運動，PID控制，驅(qū)動和處理功能；
*單一的多規(guī)程功能開發(fā)平臺，采用通用的標記和單個數(shù)據(jù)庫來訪問所有的參數(shù)和功能；
*軟件工具允許通過多臺機器或處理單元處理流程來進行設計，可以結合IEC 61131—3，用戶手冊和數(shù)據(jù)管理；
*開放的模塊化結構，反映了從工廠機器布置到加工車間中單元操作的工業(yè)應用；
*采用實際標準的網(wǎng)絡接口、語言等，如TOP／IP，OPC，XML和SQL查詢。

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動化中發(fā)揮重要的作用。

參考文獻：
1．ACs視頻技術指南 2005年
2. 牛文勇等 基于工業(yè)PC和PLC的中厚板扎機監(jiān)控系統(tǒng)冶金自動化2001年