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(dāng)Internet處于起步階段，基于PC的儀器還沒有出現(xiàn)，那時PLC占領(lǐng)了整個自動化領(lǐng)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(lǐng)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(lǐng)。這是當(dāng)今設(shè)計與建立控制系統(tǒng)發(fā)展的需要。

眾所周知，設(shè)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(shè)備來實現(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(wù)，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(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(biāo)準，可擴展的領(lǐng)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(lǐng)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(shù)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(shù)(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(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(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(biāo)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(biāo)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(dǎo)式制冷來代替旋轉(zhuǎn)風(fēng)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(shè)計的堅固的控制器。它使用IEEE標(biāo)準1394FireWire接口，可以在視覺應(yīng)用中和16臺攝像機通信。

*CompactRIO是新型的可重復(fù)設(shè)置的嵌入式系統(tǒng)，它基于LabVlEWFPGA和LabVlEW實時技術(shù)。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(dǎo)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(jié)構(gòu)，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(luò)等控制設(shè)計技術(shù)，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(fù)雜工作才能有效地檢測機器的狀況。然而對于這些應(yīng)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(luò)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(biāo)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(biāo)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(shè)計)和XML(可擴充描述語言)這樣的標(biāo)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(luò)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(luò)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(luò)，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(luò)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(yīng)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(shè)計的。但如今，復(fù)雜的控制系統(tǒng)中常需要多種速率的確定性應(yīng)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(jié)構(gòu)

*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(biāo)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(gòu)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(xué)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(biāo)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(xué)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(fù)雜而且不適合用于高分辨率和大數(shù)據(jù)量的應(yīng)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(shù)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(dāng)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(yīng)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(yīng)用的模擬、數(shù)字和FireWire攝像機。可以在控制程序中集成多種視覺算法，如模式匹配，光學(xué)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(shè)備，而且也可以作為從屬設(shè)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(wù)：

*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(wù)器、FTP服務(wù)器和e-mail功能進行通訊。

5、結(jié)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(biāo)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(shè)計，可以結(jié)合IEC 61131—3，用戶手冊和數(shù)據(jù)管理；
*開放的模塊化結(jié)構(gòu)，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(yīng)用；
*采用實際標(biāo)準的網(wǎng)絡(luò)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(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)自動化領(lǐng)域。而PAC概念將在當(dāng)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(shù)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