基于NI PAC平臺(tái)擴(kuò)展傳統(tǒng)自動(dòng)化系統(tǒng)功能

長(zhǎng)的時(shí)間。現(xiàn)狀是，制造商面臨越來(lái)越多的對(duì)控制系統(tǒng)靈活性與多功能性的要求，卻又絕對(duì)不愿意失去傳統(tǒng)PLC的高可靠性以及簡(jiǎn)單的架構(gòu)。在這種背景下，2001年全球著名的自動(dòng)化研究機(jī)構(gòu)ARC提出了PAC（Programmable Automation Controller可編程自動(dòng)化控制器）概念，并相應(yīng)給出了PAC的五個(gè)主要特性定義，概括起來(lái)就是強(qiáng)調(diào)在統(tǒng)一開(kāi)放的軟件平臺(tái)以及模塊化的架構(gòu)下實(shí)現(xiàn)邏輯、運(yùn)動(dòng)、PID控制到驅(qū)動(dòng)與過(guò)程處理等多領(lǐng)域功能。隨后，包括Advantech，ICPDAS，GEFanuc，NI，Rockwell，OPTO22等在內(nèi)的多家自動(dòng)化廠商紛紛推出或定義了其相應(yīng)的PAC產(chǎn)品，而有關(guān)PAC平臺(tái)的技術(shù)與應(yīng)用逐漸成為了工控領(lǐng)域的熱點(diǎn)。

從最近幾年P(guān)AC 技術(shù)方展來(lái)看，各種廠商的系統(tǒng)無(wú)論是硬件架構(gòu)還是軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境，都存在著一定的差別。有些在嵌入式PC 技術(shù)基礎(chǔ)上結(jié)合了模塊化的I/O，也有在PLC 邏輯掃描式架構(gòu)上，通過(guò)提升處理器性能并增加控制和網(wǎng)絡(luò)通信等功能來(lái)實(shí)現(xiàn)其PAC 系統(tǒng)。顯然，技術(shù)的不同，提供的性能以及應(yīng)用領(lǐng)域也就有所不同。而其中，NI 以開(kāi)放靈活的軟件環(huán)境LabVIEW 為核心的PAC 平臺(tái)（如圖1），在兼?zhèn)淞薖LC 的可靠性與PC 的多功能性的基礎(chǔ)上，獨(dú)創(chuàng)性的引入了FPGA 技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)最可靠高速的控制回路以及自定義電路的靈活性。可以說(shuō)，NI PAC 平臺(tái)的推出為目前市場(chǎng)上較為寬泛的PAC 規(guī)范給出了更近一步的詮釋與事實(shí)參考標(biāo)準(zhǔn)。

圖1. NI PAC 平臺(tái)架構(gòu)

基于NI PAC 架構(gòu)，用戶可以通過(guò)LabVIEW 以圖形化的編程方式統(tǒng)一實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)PLC力所不及的高性能測(cè)量、信號(hào)處理、控制、機(jī)器視覺(jué)以及企業(yè)級(jí)信息系統(tǒng)連接功能，又可以將這些高級(jí)功能與傳統(tǒng)工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備無(wú)縫集成起來(lái)，并保證系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。隨著全球化市場(chǎng)的發(fā)展，對(duì)于制造商來(lái)說(shuō)，為了保持其競(jìng)爭(zhēng)力，就必須要不斷的在其產(chǎn)品性能、生產(chǎn)效率、新功能投入中的一項(xiàng)或者多項(xiàng)有所提高。

與之而來(lái)的就是，對(duì)已有產(chǎn)線或者裝備上的自動(dòng)化系統(tǒng)性能的擴(kuò)展要求以及在成本、系統(tǒng)集成的各種困難。應(yīng)對(duì)這種趨勢(shì)，發(fā)揮上述NI PAC 平臺(tái)的特性與優(yōu)勢(shì)，恰恰為當(dāng)前工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用擴(kuò)展需求與挑戰(zhàn)給出了解決辦法。也正得益于此，NIPAC 平臺(tái)在眾多工控供應(yīng)商中脫穎而出，在石油石化，電力能源，機(jī)械制造等各個(gè)行業(yè)與領(lǐng)域都獲得了眾多成功應(yīng)用。

下面，我們就通過(guò)具體的應(yīng)用實(shí)例分析，探討NI PAC 平臺(tái)如何幫助各行業(yè)的工程師們擴(kuò)展其傳統(tǒng)自動(dòng)化系統(tǒng)的性能，構(gòu)建領(lǐng)先可靠的工業(yè)測(cè)控應(yīng)用。

采礦業(yè)：重型電動(dòng)挖掘機(jī)在線狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)

這是一個(gè)非常具有代表性的案例，用來(lái)說(shuō)明如何利用NI PAC 平臺(tái)在已有自動(dòng)化控制系統(tǒng)中引入新的復(fù)雜功能，從而實(shí)現(xiàn)提高裝備的整體性能的提高。

在采礦業(yè)，一輛用于露天采礦的重型電動(dòng)挖掘機(jī)單次可完成12 輛卡車(chē)對(duì)應(yīng)的鐵礦（合計(jì)100 噸）裝載與運(yùn)輸工作。作為關(guān)鍵裝備，任何預(yù)料之外的故障或停機(jī)都會(huì)對(duì)生產(chǎn)造成直接的影響。但是，由于缺乏設(shè)備即能夠滿足惡劣環(huán)境下運(yùn)行的可靠性要求，又具備足夠的信號(hào)處理與控制能力，在線故障監(jiān)控技術(shù)一直很難成熟的應(yīng)用于這類(lèi)電動(dòng)挖掘機(jī)。直到智利CADETECH 公司構(gòu)建的SiAMFlex（靈活監(jiān)控的高級(jí)系統(tǒng)）的出現(xiàn)，這種狀況才得到了改變。SiAMFlex 系統(tǒng)的核心就是適用于大型機(jī)器嵌入式控制、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)以及惡劣環(huán)境下監(jiān)控應(yīng)用的NI CompactRIO PAC 平臺(tái)。

圖2. 基于NI PAC在線監(jiān)控的重型挖掘機(jī)

首先，Concepcion 大學(xué)的Pedro 教授基于NI LabVIEW 軟件環(huán)境開(kāi)發(fā)出一套專(zhuān)門(mén)針對(duì)挖掘機(jī)監(jiān)測(cè)的分析算法并發(fā)布到CompactRIO 平臺(tái)。利用其集成的FPGA 技術(shù)，系統(tǒng)能夠完成振動(dòng)、應(yīng)變以及編碼器這些關(guān)鍵信號(hào)的高速同步采集，并將實(shí)時(shí)的信號(hào)處理結(jié)果與參量做連續(xù)高速的閾值比較，據(jù)此判斷當(dāng)前運(yùn)行狀況并根據(jù)設(shè)定做出及時(shí)報(bào)警。另一方面CompactRIO 以模擬I/O 的通信方式與挖掘機(jī)的控制裝置連接，實(shí)現(xiàn)機(jī)器運(yùn)行信息的交互，從而實(shí)現(xiàn)一定的故障自校正的功能。對(duì)于進(jìn)一步健康預(yù)測(cè)所需的大量復(fù)雜數(shù)據(jù)分析，則是通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)上傳到主服務(wù)器的方式來(lái)的實(shí)現(xiàn)。而所有高速測(cè)量、信號(hào)處理與控制，以及通信功能包括觸摸屏應(yīng)用的開(kāi)發(fā)，都是基于LabVIEW 統(tǒng)一的平臺(tái)完成的，充分體現(xiàn)了NI PAC 軟硬件平臺(tái)的開(kāi)放性、靈活性。CompactRIO 所具備的-40 至70 攝氏度工作溫度范圍，50g抗振動(dòng)能力使其完全能勝任野外工作的可靠性要求。

石油天然氣: 墨西哥PEMEX 基于NI PAC 平臺(tái)實(shí)現(xiàn)原油配送統(tǒng)一管理

隨著原油價(jià)格突破每桶120 美元關(guān)口，以及可開(kāi)采資源的日益短缺，越來(lái)越多的石油天然氣供應(yīng)商，著手提高油田測(cè)量與控制的精度，并將底層或分散的自動(dòng)化控制與上層的企業(yè)級(jí)管理信息庫(kù)連接，從而精確了解生產(chǎn)到配送過(guò)程的每個(gè)細(xì)節(jié)，提高管理的效率。對(duì)于這種需求，如何在整合已有的設(shè)備及現(xiàn)場(chǎng)儀器儀表，并實(shí)現(xiàn)信息的透明，成為需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題之一。

圖3. PEMEX 使用NI LabVIEW 與PAC 提高原油配送系統(tǒng)效率

PEMEX 是全球第五大原油生產(chǎn)商，管理著墨西哥每天價(jià)值30 億美金約150 桶的原油輸送與分配系統(tǒng)。之前，其下屬12 個(gè)分站采用不同的設(shè)備以及內(nèi)網(wǎng)協(xié)議來(lái)監(jiān)測(cè)各自的配送情況，再以電話或Email 的方式與主系統(tǒng)協(xié)同。為加強(qiáng)對(duì)各分站的管理，提高系統(tǒng)整體協(xié)調(diào)性，PEMEX 選擇NI LabVIEW 平臺(tái)構(gòu)建一個(gè)集成、低成本的監(jiān)控系統(tǒng)。結(jié)合LabVIEW 數(shù)據(jù)記錄與監(jiān)控工具包以及NI OPC 服務(wù)，工程人員很方便的完成各站點(diǎn)不同設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)間的通信與互聯(lián)，并統(tǒng)一實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)記錄與報(bào)警，企業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)連接以及報(bào)表生成。此外，對(duì)于某些無(wú)法達(dá)到系統(tǒng)測(cè)量要求與實(shí)時(shí)性的環(huán)節(jié)，通過(guò)引入了NI Compact FieldPoint PAC 系統(tǒng)予以解決。其所提供的高級(jí)測(cè)量功能與整體系統(tǒng)可以無(wú)縫的集成，這部分成本也被降到了最低。

電力行業(yè)：使用NI PAC 確保核電站反應(yīng)堆安全

核電站每年都需要例行兩次檢查反應(yīng)堆可能存在的銹斑，以杜絕放射性污染以及廠站隱患。這種檢查一直以工作人員進(jìn)入核反應(yīng)堆區(qū)域的方式進(jìn)行，成本和危險(xiǎn)性都極高。而且由于防輻射服對(duì)行動(dòng)和視角的限制，實(shí)際效果也完全令人滿意。為此位于美國(guó)加州的Diablo 峽谷核電站找到Brooks 公司，希望后者能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)的監(jiān)測(cè)裝置。Brooks 根據(jù)功能需求，設(shè)計(jì)了一套基于機(jī)器人方式的解決方案：遠(yuǎn)程控制機(jī)器人進(jìn)入高輻射區(qū)，再通過(guò)多路機(jī)器視覺(jué)等多種傳感器將監(jiān)測(cè)圖像和信號(hào)傳回中央控制室進(jìn)行判斷處理。

由于，整個(gè)方案需要用到機(jī)器視覺(jué)、運(yùn)動(dòng)控制及多種混合信號(hào)的采集，控制器也必須具備在次級(jí)輻射區(qū)運(yùn)行的可靠性，Brooks 選擇了基于NI PAC 的解決方案。基于LabVIEW 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的PXI PAC 平臺(tái)，結(jié)合模塊化的I/O，可以靈活可靠的操控進(jìn)入反應(yīng)堆的機(jī)器人，并實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)的圖像、溫度、氣壓以及位置等信息。再進(jìn)一步通過(guò)以太網(wǎng)方式與位于安全區(qū)的操作員進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，完成檢測(cè)操作。該系統(tǒng)同時(shí)被用來(lái)監(jiān)控反應(yīng)堆總電源輸出，實(shí)現(xiàn)了能源損失情況記錄與報(bào)告的附加功能。

Brooks 公司總結(jié)這個(gè)項(xiàng)目時(shí)談到：“由于借助了LabVIEW 實(shí)時(shí)模塊的可靠性、PXI的模塊化特性以及多種可選擇的I/O，使得該解決方案能夠在惡劣的核電站環(huán)境中確保正常操作。”

機(jī)械制造：GE 中國(guó)研制新型高性能電火花加工過(guò)程控制器

用于精密機(jī)械加工的電火花加工過(guò)程控制器(EDM)通常有PC 或者微控制器（μC）兩種方式。PC 方式存在實(shí)時(shí)性能較弱, 穩(wěn)定性差等致命弱點(diǎn)；基于μC 方式的專(zhuān)用系統(tǒng)，存在開(kāi)放性較差、最終用戶沒(méi)法修改工藝、維護(hù)困難等缺點(diǎn)。GE（通用電氣）在對(duì)其飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)零件加工應(yīng)用中，為了克服上述兩種傳統(tǒng)方式的各自不足之，其中國(guó)研發(fā)中心決定開(kāi)發(fā)一個(gè)獨(dú)立的EDM 控制器，將復(fù)雜的伺服控制，實(shí)時(shí)放電過(guò)程監(jiān)控和高度穩(wěn)定、可靠性等特點(diǎn)都能集成于一體。對(duì)于該控制器，其核心要求在于精確的捕捉微秒級(jí)的電火花放電間隙信息，判斷當(dāng)前工藝所處的放電狀態(tài)，執(zhí)行高速伺服算法，調(diào)制控制加工電源電壓、電流和波形輸出。

為此，GE 公司采用NI CompactRIO 平臺(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)該控制器，電火花采樣速率達(dá)到800KS/s 及12 位精度，而伺服算法運(yùn)行于FPGA 芯片上，保證了微秒級(jí)的閉環(huán)周期以及最高的控制優(yōu)先級(jí)。而次優(yōu)先級(jí)的EDM 與CNC 系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作，運(yùn)行在自動(dòng)化控制器的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)層，通過(guò)模擬及數(shù)字I/O 通信，調(diào)整機(jī)床的運(yùn)動(dòng)速度及相應(yīng)措施，以保證穩(wěn)定高效的加工過(guò)程。這樣上層的監(jiān)控管理應(yīng)用程序，不會(huì)影響控制器的實(shí)時(shí)控制層和FPGA 硬件層的確定性工作，進(jìn)一步超越了傳統(tǒng)加工方式的限制。

整個(gè)三層應(yīng)用體系，從FPGA 自定義硬件功能、實(shí)時(shí)層任務(wù)協(xié)調(diào)以及管理層的人機(jī)界面與通信均采用統(tǒng)一的NI LabVIEW 圖形化開(kāi)發(fā)平臺(tái)，從而大大縮短了開(kāi)發(fā)周期，開(kāi)發(fā)人員僅用兩個(gè)多月的時(shí)間就構(gòu)建了整個(gè)系統(tǒng)。

總結(jié)：

上述的應(yīng)用，實(shí)際上只是NI PAC平臺(tái)在各個(gè)行業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域應(yīng)用逐中漸嶄露頭角的一部分。但從中，我們完全可以看出，NI PAC平臺(tái)的推出，前所未有的滿足了當(dāng)前工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)對(duì)多功能性、開(kāi)放性與可靠性、穩(wěn)定性的要求。用戶也得以從自身的研發(fā)或生產(chǎn)實(shí)際需求出發(fā)，靈活的增加PAC平臺(tái)所提供的高級(jí)的測(cè)量、分析與控制功能，擴(kuò)展其已有自動(dòng)化系統(tǒng)的性能，從而不斷提高生產(chǎn)效率以及品質(zhì)，從容應(yīng)對(duì)激烈市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)所帶來(lái)的挑戰(zhàn)。