新興的可編程自動(dòng)控制器PAC特征與應(yīng)用

1、新興的可編程自動(dòng)控制器 PAC特征與應(yīng)用當(dāng)今，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)于這復(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)： 當(dāng)今，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)

2、，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)于這復(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)：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(xiàn)會(huì)受到系統(tǒng)崩潰和 無(wú)法預(yù)料的重啟的影響。可靠性-由于磁性硬盤(pán)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(chǎng)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(xiàn)圈或者補(bǔ)充代碼來(lái)快 速恢復(fù)一個(gè)系統(tǒng)。

3、但是使用PC系統(tǒng)，操作人員需要學(xué)習(xí)新工具。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)化技術(shù)，顯 而易見(jiàn)是望塵莫及。必須希望同時(shí)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(dòng)控制器（PAGProgrammable 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），它提供了開(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。那PAC是什么？ PAC這一術(shù)語(yǔ)，它定義了一種新類(lèi)型的控制器該控 制器結(jié)合了 P

4、C的處理器、RAM和軟件的優(yōu)勢(shì)，以及PLC固有的可靠性、堅(jiān)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(hù)和具有較低的發(fā)生故障時(shí)間等特性。關(guān)于PAC的平臺(tái)快速增長(zhǎng)的PAC平臺(tái)是基于PXI。由于PXI結(jié)合了 PCI總線(xiàn)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1，000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。典 型的可提供以下四種PAC硬件平臺(tái)。 pxi對(duì)工業(yè)化pc做了改善，具有實(shí)

5、時(shí)os標(biāo)準(zhǔn)的散熱，可選的不旋 轉(zhuǎn)固態(tài)硬盤(pán)和內(nèi)置的模塊間同步。PXl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)熱或者縮短壽命。PXl也提供了能?chē)?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-40C到70C。它也采用傳導(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。由于有運(yùn)行實(shí)時(shí) OS的浮點(diǎn)處理器，Compact F

6、ieldPoint 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(zhuān)門(mén)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，因此您可以把 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 LabVIEWR或使用LabVIEWFPG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LabVlEWFPG和 LabVlEW 實(shí)時(shí)技術(shù).Co

7、mpactRIO系統(tǒng)采用具有3百萬(wàn)門(mén)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勺浮點(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定義的幾種特征和性能（見(jiàn)圖2）。供通用發(fā)展平臺(tái)和單一數(shù)據(jù)庫(kù)，以滿(mǎn)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(hù)根據(jù)系統(tǒng)實(shí)施的要求在同一平臺(tái)

8、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(xiāo)；支持IEC 61158現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)規(guī)范，可以實(shí)現(xiàn)基于場(chǎng)總線(xiàn)的高度分散性的工廠(chǎng)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)，可以與工廠(chǎng)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。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。PAC應(yīng)用舉例用P

9、AC結(jié)合Nl PXI和圖形軟件LabVIEW RT （實(shí)時(shí)）實(shí)現(xiàn)鋼條高精 度監(jiān)控和高可靠閉環(huán)控制系統(tǒng)-自動(dòng)化處理設(shè)計(jì)方案。.項(xiàng)目設(shè)計(jì)由于金屬工業(yè)系統(tǒng)需要冷軋鋼廠(chǎng)生產(chǎn)出統(tǒng)一厚度的鋼條（以鋼卷的形 式）,為此這些軋鋼廠(chǎng)需要由對(duì)生產(chǎn)的鋼條規(guī)格進(jìn)行監(jiān)控的高可靠閉環(huán)控制系 統(tǒng).這就是本PAC應(yīng)用的設(shè)計(jì)任務(wù)系統(tǒng)技術(shù)要求該系統(tǒng)能進(jìn)行高精度監(jiān)測(cè)和控制并以更快的響應(yīng)時(shí)間（比傳統(tǒng)PLC ;可保證每周七天、每天24小時(shí)連續(xù)的高可靠工作，并且最大限度地減 少人工操作。系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案鋼條規(guī)格的高精度監(jiān)測(cè)由于NI基于PXI和實(shí)時(shí)的PAC平臺(tái)非常適合用于高精度監(jiān)測(cè)，故可利 用NI公司的圖形軟LabVlEW RT （實(shí)時(shí)）和P

10、XI硬件開(kāi)發(fā)出基于NI可編程自 動(dòng)控制器（PAC的規(guī)格監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng).用PAC控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)鋼片的厚 度并以快速而確定的響應(yīng)時(shí)間控制計(jì)量?jī)x。先述該P(yáng)AC控制系統(tǒng)的工作過(guò)程:PAC空制系統(tǒng)有兩個(gè)軋輥，一個(gè)是固定的，另一個(gè)可移動(dòng)，它們和液 壓氣缸相連?？梢苿?dòng)軋輥根據(jù)輸入信號(hào)對(duì)鋼片加壓以保證鋼片有合適的厚 度。通過(guò)對(duì)各種可用于這種復(fù)雜應(yīng)用的平臺(tái)比較，選擇了 NI PAC平臺(tái)和 圖形軟件LabVIEW RT （實(shí)時(shí)）及PXl硬件。利用N I的PACT品，不僅縮短 了開(kāi)發(fā)時(shí)間，也為我們的客戶(hù)降低了成本。系統(tǒng)的信號(hào)撿測(cè)分別用厚度計(jì)量?jī)x與位移 傳感器該控制系統(tǒng)采用厚度計(jì)量?jī)x來(lái)測(cè)量鋼片的厚度，即，它以微米

11、級(jí)的精 度測(cè)量距定位點(diǎn)的偏差并形成模擬信號(hào)輸入到 PXI 硬件。然后根據(jù)液壓氣缸的 壓力形成模擬電壓信號(hào)。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(jì)量?jī)x（或 兩軋輥之間間距）相關(guān)聯(lián)的數(shù)字輸入信號(hào)。旋轉(zhuǎn) 編碼器（TRD-K固定在轉(zhuǎn)動(dòng)的 升降輥上，它顯示鋼條被軋出的速度，其示意見(jiàn)圖 3 所示。通過(guò)利用各種傳感 器接收數(shù)據(jù)，運(yùn)行于PXI控制器的LabVIEW RT對(duì)輸入做出響應(yīng)并生成改變液 壓壓力的輸出信號(hào)，從而控制鋼條的規(guī)格。無(wú)論是厚度計(jì)量?jī)x與位移傳感器均 可采用 光纖 傳感器來(lái)實(shí)施。圖4為PAC用于鋼條（或扳材）規(guī)格進(jìn)行監(jiān)控的高可靠閉環(huán)控制系統(tǒng) - 自動(dòng)化處理的設(shè)計(jì)方案框圖 . 從圖中

12、看出該設(shè)計(jì)方案中選擇了氣壓、位移、厚度 傳感器及編碼器等信號(hào)傳感撿測(cè)部分、圖形軟件 LabVIEW RT （實(shí)時(shí)）、 PXI/CompactPCI 多功能高精度采集卡、可編程自動(dòng)控制器（ PAC）?？煽靠刂葡到y(tǒng)的實(shí)現(xiàn) -多功能高精度采集、 計(jì)數(shù)器收和數(shù)字 I/O 模塊的 使用利用運(yùn)行LabVIEW RT （實(shí)時(shí)）的PXI控制來(lái)實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)。該 PXI 系統(tǒng)采用三種不同的模塊（見(jiàn)圖 4所示）。我們使用 NI PXI-6070 多功能高精 度采集卡來(lái)完成模擬輸入或輸出厚度和壓力數(shù)據(jù)。此外，用 NI PXI-6608 計(jì)數(shù) 器/定時(shí)器卡測(cè)量編碼器的信號(hào)并確定軋輥速度（示意與圖 3相同）；使用 NI

13、PXI-6711 模擬輸出模塊控制伺服閥來(lái)改變液壓氣缸的位置，從而控制鋼條 的規(guī)格或厚度 . 又利用 NI PXI-6527 工業(yè)數(shù)字 I/O 模塊（含 24條隔離光隔離輸 入線(xiàn)和 24條隔離固態(tài)繼電器輸出線(xiàn)）實(shí)現(xiàn)一個(gè)常備的按鈕式控制扳，來(lái)解決實(shí) 時(shí)系統(tǒng)和主機(jī)發(fā)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(kāi)發(fā)出了可靠的控制系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間的大大縮短與傳統(tǒng)的儀器和PLC相比，我們利用NI PAC平臺(tái)提高了靈活性，降 低了響應(yīng)時(shí)間并改善了產(chǎn)品質(zhì)量。眾所周知對(duì)于基于PLC的典型系統(tǒng)，它的控制循環(huán)的速率為100到500ms而使用基于PXI的控制系統(tǒng)，我們把該系統(tǒng)的 循環(huán)時(shí)間降低到10ms從而提高了我們輸出的質(zhì)量。也利用PXI背板對(duì)測(cè)量進(jìn) 行同步。最后，由于利用了單一的開(kāi)發(fā)環(huán)境和靈活的硬件，我們把系統(tǒng)的響應(yīng) 時(shí)間降低為六分之一，從而減少了項(xiàng)目所有者的綜合成本。需要說(shuō)明的是該P(yáng)AC應(yīng)用的鋼條高精度監(jiān)控和高可靠