新興的可編程自動控制器PAC特征與應用

PAC（可編程自動控制器）應運行而生 　
當今，在設計與建立控制系統放時，工程師們總是希望能使用比較少的設備來實現更多的功能。尤為當今，他們需要的控制系統不僅能處理數字I/O和運動，而且還可以集成用于自動化監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，并把數據傳送回企業。這就是說要求產品能結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的工業控制有以下弱點：
　　■穩定性-通用的操作系統常常不夠穩定并且生產線會受到系統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和有像電源這樣的部件，其堅固程度達不到工業標準，PC容易發生故障。
　　■不熟悉的編程環境-當系統停止時，工廠的操作人員需要恢復系統。對于梯形邏輯，操作人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。但是使用PC系統，操作人員需要學習新工具。
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，它能最佳結合PC和PLC兩者的優勢（見圖1所示），它提供了開放的工業標準，可擴展的領域功能，一個通用的開發平臺和一些高級性能。這是當今設計與建立控制系統發展的需要，屬工業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.該控制器結合了PC的處理器、RAM和軟件的優勢，以及PLC固有的可靠性、堅固性和分布特性。PAC采用現有的商業化技術（COTS），非常適合于工業化環境，它具有可伸縮性，易于維護和具有較低的發生故障時間等特性。 　　
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，這種結構已在工業環境中成功使用了許多年，當今NI，Chroma，LeCroy和JTAG等供應商現在可提供1，000多種獨特的I/O模塊，包括模擬I/O、數字I/O、視覺、運動和高精度數據采集。典型的可提供以下四種PAC硬件平臺。
　　■PXl對工業化PC做了改善，具有實時OS，標準的散熱，可選的不旋轉固態硬盤和內置的模塊間同步。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，這些應用包括產品包裝和半導體器件處理。
　　■Compact FieldPoint使用工業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系統具有PC功能，用于記錄數據的CompactFlash驅動和用于通信的以太網口。
　　■Compact Vision系統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系統也采用不活動的部件和傳導式制冷，因此您可以把系統固定在機器附近。它提供29個內置的數字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，它基于LabVlEWFPGA和LabVlEW。實時技術.CompactRIO系統采用具有3百萬門的FPGA芯片來控制模塊化的數字和模擬I/O。這些FPGA芯片可以運行嵌入在芯片里的代碼，它的數字循環的速率高達MHz，模擬循環的速率為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據記錄和通信。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境。
PAC定義的幾種特征和性能（見圖2）。
　　■供通用發展平臺和單一數據庫，以滿是多領域自動化系統設計和集成的的通用開發平臺；
　　■一個輕便的控制引擎，可以實現多領域的功能包括：邏輯控制、過程控制、運動控制和人機界面等，為統一平臺；
　　■允許用戶根據系統實施的要求在同一平臺上運多個不同功能的應用程序，井根據控制系統的設計要求，在各程序間進行系統資源的分配；
　　■采用開放的模塊化的硬件架構以實現不同功能的自由組合與搭配，減少系統升級帶來的開銷；
　　■支持IEC 611 58現場總線規范，可以實現基于場總線的高度分散性的工廠自動化環境；
　　■支持事實上的工業以太網標準，可以與工廠的EMS，ERP系統輕易集成；
　　■對于網絡協議、語言等，使用既定事實標準來保證多供應商網絡的數據交換。 　　
PAC可執行較多的高級任務
　　■實時的振動分析、圖像處理．運動控制和CAN；
　　■執行自動調節的PID控制，或可調增益的PID控制．模糊邏輯；
　　■使用內置Web服務器、FTP服務器和e-mail功能進行通訊。 　
PAC應用舉例 　　
用PAC結合NI PXI和圖形軟件LabVIEW RT（實時）實現鋼條高精度監控和高可靠閉環控制系統-自動化處理設計方案。. 　　
項目設計 　　
由于金屬工業系統需要冷軋鋼廠生產出統一厚度的鋼條（以鋼卷的形式），為此這些軋鋼廠需要由對生產的鋼條規格進行監控的高可靠閉環控制系統.這就是本PAC應用的設計任務 　　
系統技術要求 　　
該系統能進行高精度監測和控制并以更快的響應時間（比傳統PLC）；可保證每周七天、每天24小時連續的高可靠工作，并且最大限度地減少人工操作。
系統設計方案 　　
鋼條規格的高精度監測 　　
由于NI基于PXI和實時的PAC平臺非常適合用于高精度監測，故可利用NI 公司的圖形軟LabVlEW RT（實時）和PXI硬件開發出基于NI可編程自動控制器（PAC）的規格監測和控制系統.用PAC控制系統實時地監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控制系統的工作過程： 　　
PAC控制系統有兩個軋輥，一個是固定的，另一個可移動，它們和液壓氣缸相連。可移動軋輥根據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產品，不僅縮短了開發時間，也為我們的客戶降低了成本。
　　■系統的信號撿測分別用厚度計量儀與位移傳感器 　
該控制系統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）相關聯的數字輸入信號。旋轉編碼器（TRD-K）固定在轉動的升降輥上，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據，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。
　　 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）。 　
可靠控制系統的實現-多功能高精度采集、計數器收和數字I/O模塊的使用
　　
利用運行LabVlEW RT（實時）的PXI控制來實現控制系統。該PXI系統采用三種不同的模塊我們使用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據。此外，用NI PXI-6608計數器/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，從而控制鋼條的規格或厚度.又利用NI PXI-6527工業數字I/O模塊（含24條隔離光隔離輸入線和24條隔離固態繼電器輸出線）實現一個常備的按鈕式控制扳，來解決實時系統和主機發生連接中斷這樣意外事故的這一難題.這就是利用PXI和LabVIEW開發出了可靠的控制系統
響應時間的大大縮短 　
與傳統的儀器和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品質量。眾所周知對于基于PLC的典型系統，它的控制循環的速率為100到500ms，而使用基于PXI的控制系統，我們把該系統的循環時間降低到10ms，從而提高了我們輸出的質量。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環境和靈活的硬件，我們把系統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控和高可靠閉環控制系統，同樣也可適用于板材行業（或建筑行業）。 　　
結論 　　
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數據庫，而且同時保持了PLC的可靠性。如果您不只是需要集成數字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<