新興的可編程自動(dòng)控制器PAC

新興的可編程自動(dòng)控制器PAC

當(dāng)今面臨新的挑戰(zhàn)是，在設(shè)計(jì)與建立控制系統(tǒng)放時(shí)，工程師們總是希望能使用比較少的設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)更多的功能。尤為當(dāng)今，他們需要的控制系統(tǒng)不僅能處理數(shù)字I/O和運(yùn)動(dòng)，而且還可以集成用于自動(dòng)化監(jiān)控和測(cè)試的視覺(jué)功能和模塊化儀器，同時(shí)還必須能實(shí)時(shí)地處理控制算法和分析任務(wù)，并把數(shù)據(jù)傳送回企業(yè)。

這就是說(shuō)要求產(chǎn)品能結(jié)合高級(jí)的功能和可靠性。對(duì)于復(fù)雜的應(yīng)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(diǎn)：

◎ 不穩(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(huì)受到系統(tǒng)崩潰和無(wú)法預(yù)料的重啟的影響。
◎ 不可靠性：由于磁性硬盤的旋轉(zhuǎn)和有像電源這樣的部件，其堅(jiān)固程度達(dá)不到工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，PC容易發(fā)生故障。
◎ 不熟悉的編程環(huán)境：當(dāng)系統(tǒng)停止時(shí)，工廠的操作人員需要恢復(fù)系統(tǒng)。對(duì)于梯形邏輯，操作人員能知道采用人工方法啟動(dòng)一個(gè)線圈或者補(bǔ)充代碼來(lái)快速恢復(fù)一個(gè)系統(tǒng)。但是使用PC系統(tǒng)，操作人員需要學(xué)習(xí)新工具。

而對(duì)PLC來(lái)說(shuō)，要使PLC增加視覺(jué)、運(yùn)動(dòng)、儀器和分析功能等全方位的自動(dòng)化領(lǐng)域，顯而易見(jiàn)是望塵莫及。而同時(shí)擁有PC的功能和PLC(可編程控制器)的可靠性才是最佳方案，可編程自動(dòng)控制器(PAC-Programmable Automation Controller)就是這樣的平臺(tái)，它能最佳結(jié)合PC和PLC兩者的優(yōu)勢(shì)(見(jiàn)圖1所示)，提供了開(kāi)放的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，可擴(kuò)展的領(lǐng)域功能，一個(gè)通用的開(kāi)發(fā)平臺(tái)和一些高級(jí)性能。這是當(dāng)今設(shè)計(jì)與建立控制系統(tǒng)發(fā)展的需要，屬工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中比較完善的新興控制器。PAC采用現(xiàn)有的商業(yè)化技術(shù)(COTS)，非常適合于工業(yè)化環(huán)境，具有可伸縮性，易于維護(hù)和具有較低的發(fā)生故障幾率等特性。

圖1：具有pc軟件功能和plc可靠性功能的新興可編程
自動(dòng)控制器pac示意圖

關(guān)于PAC的平臺(tái)

PAC平臺(tái)是基于PXI的結(jié)構(gòu)。由于PXI結(jié)合了PCI總線的電路特性和Compact PCI堅(jiān)固的歐羅卡機(jī)械結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)已在工業(yè)環(huán)境中成功使用了許多年，當(dāng)今NI、Chroma、LeCroy和JTAG等供應(yīng)商現(xiàn)在可提供1000多種獨(dú)特的I/O模塊，包括模擬I/O、數(shù)字I/O、視覺(jué)、運(yùn)動(dòng)和高精度數(shù)據(jù)采集。NI提供以下四種典型的PAC硬件平臺(tái)。

◆ PXI對(duì)工業(yè)化PC做了改善，具有實(shí)時(shí)OS，標(biāo)準(zhǔn)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。PXI標(biāo)準(zhǔn)要求所有的機(jī)箱能為每個(gè)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(shí)也不會(huì)使工作系統(tǒng)過(guò)熱或縮短壽命。PXI也提供了能嚴(yán)格同步各個(gè)模塊的功能，因此工程師可以為高速控制應(yīng)用設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)，視覺(jué)和I/O系統(tǒng)，這些應(yīng)用包括產(chǎn)品包裝和半導(dǎo)體器件處理。

◆ Compact FieldPoint使用工業(yè)級(jí)的部件來(lái)抗強(qiáng)沖擊和振動(dòng)，其工作溫度范圍為－40℃～＋70℃，并且具有Class 1 Division 11部和Lloyd's認(rèn)證。它采用傳導(dǎo)式制冷來(lái)代替旋轉(zhuǎn)風(fēng)扇，由于不使用活動(dòng)部件而提高了可靠性。因?yàn)橛羞\(yùn)行實(shí)時(shí)OS的浮點(diǎn)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(dòng)和用于通信的以太網(wǎng)口。

◆ Compact Vision系統(tǒng)是為機(jī)器視覺(jué)而專門設(shè)計(jì)的堅(jiān)固的控制器。它使用IEEE標(biāo)準(zhǔn)1394FireWire接口，可以在視覺(jué)應(yīng)用中和16臺(tái)攝像機(jī)通信。Compact Vision系統(tǒng)也采用不活動(dòng)的部件和傳導(dǎo)式制冷，因此可以將系統(tǒng)固定在機(jī)器附近。它提供29個(gè)內(nèi)置的數(shù)字I/O通路，這些通路可由LabVIEWRT或使用LabVIEWFPGA的嵌入式FPGA來(lái)直接控制。

◆ CompactRIO是新型的可重復(fù)設(shè)置的嵌入式系統(tǒng)，它基于LabVIEWFPGA和LabVIEW實(shí)時(shí)技術(shù)。CompactRIO系統(tǒng)采用具有3百萬(wàn)門的FPGA芯片來(lái)控制模塊化的數(shù)字和模擬I/O。這些FPGA芯片可以運(yùn)行嵌入在芯片里的代碼，它的數(shù)字循環(huán)的速率高達(dá)MHz，模擬循環(huán)的速率為150kHz。FPGA可以把信息傳回到運(yùn)行LabVIEWRT的浮點(diǎn)處理器以進(jìn)行高級(jí)計(jì)算和數(shù)據(jù)記錄和通信。由于有金屬外殼和傳導(dǎo)式制冷，該控制器非常適合用于嚴(yán)酷的環(huán)境。

PAC的特征和性能

● 供通用發(fā)展平臺(tái)和單一數(shù)據(jù)庫(kù)，以滿是多領(lǐng)域自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)和集成的的通用開(kāi)發(fā)平臺(tái)；

● 一個(gè)輕便的控制引擎，可以實(shí)現(xiàn)多領(lǐng)域的功能包括：邏輯控制、過(guò)程控制、運(yùn)動(dòng)控制和人機(jī)界面等，為統(tǒng)一平臺(tái)；

● 允許用戶根據(jù)系統(tǒng)實(shí)施的要求在同一平臺(tái)上運(yùn)多個(gè)不同功能的應(yīng)用程序，井根據(jù)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，在各程序間進(jìn)行系統(tǒng)資源的分配；

● 采用開(kāi)放的模塊化的硬件架構(gòu)以實(shí)現(xiàn)不同功能的自由組合與搭配，減少系統(tǒng)升級(jí)帶來(lái)的開(kāi)銷;

● 支持IEC 611 58現(xiàn)場(chǎng)總線規(guī)范，可以實(shí)現(xiàn)基于場(chǎng)總線的高度分散性的工廠自動(dòng)化環(huán)境；

● 支持事實(shí)上的工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，可與工廠的EMS，ERP系統(tǒng)輕易集成；

● 對(duì)于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、語(yǔ)言等，使用既定事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)保證多供應(yīng)商網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交換。

上述PAC定義的幾種特征和性能可用圖2示意說(shuō)明。

圖2：pac特征性能示意圖

PAC可執(zhí)行較多的高級(jí)任務(wù)

■ 實(shí)時(shí)的振動(dòng)分析、圖像處理．運(yùn)動(dòng)控制和CAN;
■ 執(zhí)行自動(dòng)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(wù)器、FTP服務(wù)器和e-mail功能進(jìn)行通訊。

用PAC建立靈活的發(fā)電廠的維護(hù)和監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)

▲ 垃圾焚燒發(fā)電廠所伴隨的環(huán)境污染

城市生活垃圾、工業(yè)垃圾、醫(yī)院衛(wèi)生廢棄物、淤泥和廢橡膠輪胎等垃圾焚燒處理技術(shù)，利用垃圾焚燒的余熱發(fā)電，將是今后環(huán)保技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向。這種垃圾焚燒日處理廢物能力為1～350t，余熱鍋爐(或回轉(zhuǎn)式爐窯)的熱容量小，發(fā)電機(jī)組小，一般為20兆瓦以內(nèi)。因此，垃圾焚燒發(fā)電廠的控制系統(tǒng)比大型電廠簡(jiǎn)單得多。

然而余熱鍋爐(或回轉(zhuǎn)式爐窯)垃圾焚燒爐(余熱鍋爐或回轉(zhuǎn)式爐窯)，主要用于焚燒醫(yī)院垃圾、特殊固體廢料、危險(xiǎn)品廢棄物等物質(zhì)。這些物質(zhì)嚴(yán)重污染環(huán)境，其燃燒分解物中含有二惡英等毒性物質(zhì)，如果人工現(xiàn)場(chǎng)操作回轉(zhuǎn)爐，則工作環(huán)境非常惡劣，且垃圾焚燒燃燒分解物中毒性物質(zhì)產(chǎn)生泄漏幅射，還會(huì)污染周圍環(huán)境。因此，垃圾焚燒發(fā)電廠的維護(hù)和監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的好壞直接影響著人身安全與環(huán)境保護(hù)的大問(wèn)題。

隨著PAC技術(shù)的突飛猛進(jìn)，高檔PAC系統(tǒng)可投較好的應(yīng)用在中型及較復(fù)雜的控制領(lǐng)域中，其垃圾焚燒發(fā)電廠就可以使用PAC控制系統(tǒng)，以建立一個(gè)獨(dú)立、靈活的系統(tǒng)，在工作域有限的空間和嚴(yán)酷的化學(xué)反應(yīng)環(huán)境下，用來(lái)控制垃圾焚燒發(fā)電廠的多種不同監(jiān)測(cè)和維護(hù)工具。

▲ 解決方案

使用NI可編程自動(dòng)控制器(PAC)硬件平臺(tái)、運(yùn)動(dòng)控制模塊、LabVIEW、LabVIEWRT和PXI 7344視覺(jué)模塊，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)一個(gè)用于5種工具的靈活控制系統(tǒng)，并將繼續(xù)開(kāi)發(fā)以適用于更多工具。

★ 利用硬件設(shè)計(jì)一個(gè)靈活的控制站

該控制系統(tǒng)包含3個(gè)主要部分 ：安置在泄漏幅射區(qū)外的操作站2000(OS2000) ；位于泄漏幅射區(qū)內(nèi)低泄漏幅射區(qū)域的PAC，即本地控制站(LCS) ；以及靠近監(jiān)測(cè)維護(hù)地點(diǎn)附近的工具終端連接中心(TECC)。而OS2000通過(guò)線路連接LCS，該線路能提供RS232通信、四個(gè)視頻連接和TELEX音頻連接。

LCS使用運(yùn)行于嵌入式控制器的LabVIEWRT和18槽PXI機(jī)箱，機(jī)箱中包括一個(gè)用來(lái)控制攝像機(jī)選擇的RS232模塊，一個(gè)用于進(jìn)一步擴(kuò)展的視頻模塊(PXI-1411)，兩個(gè)運(yùn)動(dòng)控制模塊(NI-7344)，多功能數(shù)據(jù)采集模塊(NI-6052E)，以及用于控制和反饋的數(shù)字I/O模塊(NI-6534)。RS 232模塊控制LCS中的一個(gè)視頻多路復(fù)用器，它能在8個(gè)攝像機(jī)之間進(jìn)行切換，而運(yùn)動(dòng)模塊控制結(jié)合了防衛(wèi)、方向和電流反饋的8個(gè)不同電機(jī)。多功能DAQ模塊測(cè)量來(lái)自位置接近、壓力、溫度和傾角傳感器的數(shù)據(jù)。數(shù)字I/O控制照明、調(diào)光器、螺絲管和其它部件。最后，該系統(tǒng)還能監(jiān)控全體電源并為操作人員提供系統(tǒng)掉電報(bào)告。

★ 利用LabVIEWRT和PXI構(gòu)建靈活的自動(dòng)化控制系統(tǒng)

由于具備可靠的LabVEIWRT(實(shí)時(shí))、模塊化的PXI、以及范圍寬廣的I/O通道，這一解決方案可以確保在嚴(yán)酷的垃圾焚燒發(fā)電廠環(huán)境中執(zhí)行操作。該系統(tǒng)的靈活性使得工程師得以順利設(shè)計(jì)新的工具并重復(fù)使用同樣的控制系統(tǒng)，從而節(jié)省了培訓(xùn)和配置的時(shí)間。

在使用過(guò)程中，其LabVlEW可以非常方便地處理來(lái)自PXI模塊的不同輸入數(shù)據(jù)。此外，利用LabVIEWRT還可以非常簡(jiǎn)單的對(duì)LCS進(jìn)行升級(jí)，只需一個(gè)以太網(wǎng)連接即可。單個(gè)PXI系統(tǒng)也可以減少管理費(fèi)、培訓(xùn)費(fèi)和運(yùn)輸費(fèi)。利用靈活的PXI解決方案，可以比在傳統(tǒng)控制系統(tǒng)中更快地部署系統(tǒng)和更換工具。

★ 關(guān)于系統(tǒng)的擴(kuò)展

就如絕大多數(shù)基于PAC系統(tǒng)一樣，將來(lái)的擴(kuò)展可以有許多方式。目前的系統(tǒng)包含一個(gè)PXI-7344視覺(jué)模塊，可將RS-232通信系統(tǒng)升級(jí)為以太網(wǎng)，并使用PXI視覺(jué)模塊和其它視覺(jué)產(chǎn)品，以采集來(lái)自IEEE-1394接口攝像機(jī)的圖像。

應(yīng)該說(shuō)，只要垃圾焚燒爐系統(tǒng)是采用國(guó)際上較先進(jìn)的熱解—氧焚燒技術(shù)，按上述應(yīng)用PAC所建立的維護(hù)和監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)，其在線控制系統(tǒng)將具有高可靠性，又能確保生產(chǎn)安全，嚴(yán)格控制二次污染，并實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放。

結(jié)束語(yǔ)：由于PAC能為您增加所需的PC功能以用于高級(jí)控制，實(shí)時(shí)分析或連接企業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)，而且同時(shí)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(yùn)動(dòng)控制，或者需要更快的計(jì)算機(jī)處理能力的話，PAC可能是非常好的選擇。為此，當(dāng)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(lǐng)自動(dòng)化領(lǐng)域。而PAC概念將在當(dāng)今和未來(lái)的工廠自功化中發(fā)揮重要的作用。