新興的可編程自動控制器PAC

新興的可編程自動控制器PAC

當(dāng)今面臨新的挑戰(zhàn)是，在設(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)。

這就是說要求產(chǎn)品能結(jié)合高級的功能和可靠性。對于復(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：

◎ 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)線會受到系統(tǒng)崩潰和無法預(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，其堅固程度達不到工業(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，工廠的操作人員需要恢復(fù)系統(tǒng)。對于梯形邏輯，操作人員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(fù)一個系統(tǒng)。但是使用PC系統(tǒng)，操作人員需要學(xué)習(xí)新工具。

而對PLC來說，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，顯而易見是望塵莫及。而同時擁有PC的功能和PLC(可編程控制器)的可靠性才是最佳方案，可編程自動控制器(PAC-Programmable Automation Controller)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)，提供了開放的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，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。這是當(dāng)今設(shè)計與建立控制系統(tǒng)發(fā)展的需要，屬工業(yè)自動化領(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
自動控制器pac示意圖

關(guān)于PAC的平臺

PAC平臺是基于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1000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。NI提供以下四種典型的PAC硬件平臺。

◆ PXI對工業(yè)化PC做了改善，具有實時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)過熱或縮短壽命。PXI也提供了能嚴(yán)格同步各個模塊的功能，因此工程師可以為高速控制應(yīng)用設(shè)計運動，視覺和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)級的部件來抗強沖擊和振動，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)式制冷來代替旋轉(zhuǎn)風(fēng)扇，由于不使用活動部件而提高了可靠性。因為有運行實時OS的浮點處理器，Compact FieldPoint系統(tǒng)具有PC功能，用于記錄數(shù)據(jù)的CompactFlash驅(qū)動和用于通信的以太網(wǎng)口。

◆ 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(zhǔn)1394FireWire接口，可以在視覺應(yīng)用中和16臺攝像機通信。Compact Vision系統(tǒng)也采用不活動的部件和傳導(dǎo)式制冷，因此可以將系統(tǒng)固定在機器附近。它提供29個內(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MHz，模擬循環(huán)的速率為150kHz。FPGA可以把信息傳回到運行LabVIEWRT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(yán)酷的環(huán)境。

PAC的特征和性能

● 供通用發(fā)展平臺和單一數(shù)據(jù)庫，以滿是多領(lǐng)域自動化系統(tǒng)設(shè)計和集成的的通用開發(fā)平臺；

● 一個輕便的控制引擎，可以實現(xiàn)多領(lǐng)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(tǒng)一平臺；

● 允許用戶根據(jù)系統(tǒng)實施的要求在同一平臺上運多個不同功能的應(yīng)用程序，井根據(jù)控制系統(tǒng)的設(shè)計要求，在各程序間進行系統(tǒng)資源的分配；

● 采用開放的模塊化的硬件架構(gòu)以實現(xiàn)不同功能的自由組合與搭配，減少系統(tǒng)升級帶來的開銷;

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

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

● 對于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、語言等，使用既定事實標(biāo)準(zhǔn)來保證多供應(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示意說明。

圖2：pac特征性能示意圖

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。

用PAC建立靈活的發(fā)電廠的維護和監(jiān)測控制系統(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，還會污染周圍環(huán)境。因此，垃圾焚燒發(fā)電廠的維護和監(jiān)測控制系統(tǒng)開發(fā)的好壞直接影響著人身安全與環(huán)境保護的大問題。

隨著PAC技術(shù)的突飛猛進，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)，以建立一個獨立、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，用來控制垃圾焚燒發(fā)電廠的多種不同監(jiān)測和維護工具。

▲ 解決方案

使用NI可編程自動控制器(PAC)硬件平臺、運動控制模塊、LabVIEW、LabVIEWRT和PXI 7344視覺模塊，開發(fā)設(shè)計一個用于5種工具的靈活控制系統(tǒng)，并將繼續(xù)開發(fā)以適用于更多工具。

★ 利用硬件設(shè)計一個靈活的控制站

該控制系統(tǒng)包含3個主要部分 ：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)測維護地點附近的工具終端連接中心(TECC)。而OS2000通過線路連接LCS，該線路能提供RS232通信、四個視頻連接和TELEX音頻連接。

LCS使用運行于嵌入式控制器的LabVIEWRT和18槽PXI機箱，機箱中包括一個用來控制攝像機選擇的RS232模塊，一個用于進一步擴展的視頻模塊(PXI-1411)，兩個運動控制模塊(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中的一個視頻多路復(fù)用器，它能在8個攝像機之間進行切換，而運動模塊控制結(jié)合了防衛(wèi)、方向和電流反饋的8個不同電機。多功能DAQ模塊測量來自位置接近、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)掉電報告。

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

由于具備可靠的LabVEIWRT(實時)、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)和配置的時間。

在使用過程中，其LabVlEW可以非常方便地處理來自PXI模塊的不同輸入數(shù)據(jù)。此外，利用LabVIEWRT還可以非常簡單的對LCS進行升級，只需一個以太網(wǎng)連接即可。單個PXI系統(tǒng)也可以減少管理費、培訓(xùn)費和運輸費。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)的擴展

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

應(yīng)該說，只要垃圾焚燒爐系統(tǒng)是采用國際上較先進的熱解—氧焚燒技術(shù)，按上述應(yīng)用PAC所建立的維護和監(jiān)測控制系統(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，并實現(xiàn)達標(biāo)排放。

結(jié)束語：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)今和未來的工廠自功化中發(fā)揮重要的作用。