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當(dāng)今,在設(shè)計(jì)與建立控制系統(tǒng)時(shí)，工程師們總是希望能使用比較少的設(shè)備來實(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。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)線會(huì)受到系統(tǒng)崩潰和無法預(yù)料的重啟的影響。 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(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)線圈或者補(bǔ)充代碼來快速恢復(fù)一個(gè)系統(tǒng)。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、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(PAC-Programmable 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)(見圖1所示)，它提供了開放的工業(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,是工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中比較完善的新興控制器。 PAC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(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。 PAC平臺(tái) 快速增長的PAC平臺(tái)是基于PXI。由于PXI結(jié)合了PCI總線的電路特性和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、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)。 PXl對(duì)工業(yè)化PC做了改善，具有實(shí)時(shí)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。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)過熱或者縮短壽命。PXl也提供也提供了能嚴(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)的部件來抗強(qiáng)沖擊和振動(dòng)，其工作溫度范圍為-40℃到70℃。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(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 FieldPoint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)器視覺而專門設(shè)計(jì)的堅(jiān)固的控制器。它使用IEEE標(biāo)準(zhǔn)1394 FireWire接口，可以在視覺應(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LabVlEWRT或使用LabVlEWFPGA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LabVlEWFPGA和LabVlEW實(shí)時(shí)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(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LabVlEWRT的浮點(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特征性能 PAC特征性能(圖2)如下： 供通用發(fā)展平臺(tái)和單一數(shù)據(jù)庫，以滿足多領(lǐng)域自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)和集成的的通用開發(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：邏輯控制、過程控制、運(yùn)動(dòng)控制和人機(jī)界面等,為統(tǒng)一平臺(tái)； 允許用戶根據(jù)系統(tǒng)實(shí)施的要求在同一平臺(tái)上運(yùn)行多個(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)帶來的開銷； 支持IEC 61158現(xiàn)場(chǎng)總線規(guī)范，可以實(shí)現(xiàn)基于場(chǎng)總線的高度分散性的工廠自動(dòng)化環(huán)境； 支持事實(shí)上的工業(yè)以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，可以與工廠的EMS，ERP系統(tǒng)輕易集成； 對(duì)于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、語言等，使用既定事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)來保證多供應(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PAC結(jié)合NIPXI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。 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 公司的圖形軟件LabVlEW RT(實(shí)時(shí))和PXI硬件開發(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)量儀。 PAC控制系統(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。可移動(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LabVlEW RT(實(shí)時(shí))及PXl硬件。利用N I的PAC產(chǎn)品，不僅縮短了開發(fā)時(shí)間，也為我們的客戶降低了成本。 該控制糸統(tǒng)采用厚度計(jì)量儀來測(cè)量鋼片的厚度。它以微米級(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)量儀(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,其示意圖示于圖3。通過利用各種傳感器接收數(shù)據(jù)，運(yùn)行于PXI控制器的LabVlEW 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。無論是厚度計(jì)量儀與位移傳感器均可采用光纖傳感器來實(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LabVlEW RT(實(shí)時(shí))、PXl／CompactPCI多功能高精度采集卡、可編程自動(dòng)控制器(PAC)。 利用運(yùn)行LabVlEW RT(實(shí)時(shí))的PXI控制來實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)。該P(yáng)XI系統(tǒng)采用三種不同的模塊(見圖4所示)。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(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(示意圖與圖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(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和24條隔離固態(tài)繼電器輸出線)實(shí)現(xiàn)一個(gè)常備的按鈕式控制扳,來解決實(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開發(fā)出了可靠的控制系統(tǒng)。 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。 需要說明的是該P(yáng)AC應(yīng)用的鋼條 高精度監(jiān)控和高可靠閉環(huán)控制糸統(tǒng),同樣也可適用于板材行業(yè)(或建筑行業(yè))。 結(jié)語 由于PAC能增加所需的PC功能以用于高級(jí)控制，實(shí)時(shí)分析或連接企業(yè)數(shù)據(jù)庫，而且同時(shí)保持了PLC的可靠性。如果不只是需要集成數(shù)字I/O和運(yùn)動(dòng)控制，或者需要更快的計(jì)算機(jī)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(dòng)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。 |
