新兴的可编程自动控制器PAC

新兴的可编程自动控制器PAC

当今面临新的挑战是，在设计与建立控制系统放时，工程师们总是希望能使用比较少的设备来实现更多的功能。尤为当今，他们需要的控制系统不仅能处理数字I/O和运动，而且还可以集成用于自动化监控和测试的视觉功能和模块化仪器，同时还必须能实时地处理控制算法和分析任务，并把数据传送回企业。

这就是说要求产品能结合高级的功能和可靠性。对于复杂的应用，仅单靠PLC或PC的不全面解决方案是困难的，这是什么原因？因基于PC的工业控制有以下弱点：

◎ 不稳定性：通用的操作系统常常不够稳定并且生产线会受到系统崩溃和无法预料的重启的影响。
◎ 不可靠性：由于磁性硬盘的旋转和有像电源这样的部件，其坚固程度达不到工业标准，PC容易发生故障。
◎ 不熟悉的编程环境：当系统停止时，工厂的操作人员需要恢复系统。对于梯形逻辑，操作人员能知道采用人工方法启动一个线圈或者补充代码来快速恢复一个系统。但是使用PC系统，操作人员需要学习新工具。

而对PLC来说，要使PLC增加视觉、运动、仪器和分析功能等全方位的自动化领域，显而易见是望尘莫及。而同时拥有PC的功能和PLC(可编程控制器)的可靠性才是最佳方案，可编程自动控制器(PAC-Programmable Automation Controller)就是这样的平台，它能最佳结合PC和PLC两者的优势(见图1所示)，提供了开放的工业标准，可扩展的领域功能，一个通用的开发平台和一些高级性能。这是当今设计与建立控制系统发展的需要，属工业自动化领域中比较完善的新兴控制器。PAC采用现有的商业化技术(COTS)，非常适合于工业化环境，具有可伸缩性，易于维护和具有较低的发生故障几率等特性。

图1：具有pc软件功能和plc可靠性功能的新兴可编程
自动控制器pac示意图

关于PAC的平台

PAC平台是基于PXI的结构。由于PXI结合了PCI总线的电路特性和Compact PCI坚固的欧罗卡机械结构，这种结构已在工业环境中成功使用了许多年，当今NI、Chroma、LeCroy和JTAG等供应商现在可提供1000多种独特的I/O模块，包括模拟I/O、数字I/O、视觉、运动和高精度数据采集。NI提供以下四种典型的PAC硬件平台。

◆ PXI对工业化PC做了改善，具有实时OS，标准的散热，可选的不旋转固态硬盘和内置的模块间同步。PXI标准要求所有的机箱能为每个模块插槽提供25W的空气流制冷，这样甚至在使用高功率继电器，高速PXl或CompactPCI卡时也不会使工作系统过热或缩短寿命。PXI也提供了能严格同步各个模块的功能，因此工程师可以为高速控制应用设计运动，视觉和I/O系统，这些应用包括产品包装和半导体器件处理。

◆ Compact FieldPoint使用工业级的部件来抗强冲击和振动，其工作温度范围为－40℃～＋70℃，并且具有Class 1 Division 11部和Lloyd's认证。它采用传导式制冷来代替旋转风扇，由于不使用活动部件而提高了可靠性。因为有运行实时OS的浮点处理器，Compact FieldPoint系统具有PC功能，用于记录数据的CompactFlash驱动和用于通信的以太网口。

◆ Compact Vision系统是为机器视觉而专门设计的坚固的控制器。它使用IEEE标准1394FireWire接口，可以在视觉应用中和16台摄像机通信。Compact Vision系统也采用不活动的部件和传导式制冷，因此可以将系统固定在机器附近。它提供29个内置的数字I/O通路，这些通路可由LabVIEWRT或使用LabVIEWFPGA的嵌入式FPGA来直接控制。

◆ CompactRIO是新型的可重复设置的嵌入式系统，它基于LabVIEWFPGA和LabVIEW实时技术。CompactRIO系统采用具有3百万门的FPGA芯片来控制模块化的数字和模拟I/O。这些FPGA芯片可以运行嵌入在芯片里的代码，它的数字循环的速率高达MHz，模拟循环的速率为150kHz。FPGA可以把信息传回到运行LabVIEWRT的浮点处理器以进行高级计算和数据记录和通信。由于有金属外壳和传导式制冷，该控制器非常适合用于严酷的环境。

PAC的特征和性能

● 供通用发展平台和单一数据库，以满是多领域自动化系统设计和集成的的通用开发平台；

● 一个轻便的控制引擎，可以实现多领域的功能包括：逻辑控制、过程控制、运动控制和人机界面等，为统一平台；

● 允许用户根据系统实施的要求在同一平台上运多个不同功能的应用程序，井根据控制系统的设计要求，在各程序间进行系统资源的分配；

● 采用开放的模块化的硬件架构以实现不同功能的自由组合与搭配，减少系统升级带来的开销;

● 支持IEC 611 58现场总线规范，可以实现基于场总线的高度分散性的工厂自动化环境；

● 支持事实上的工业以太网标准，可与工厂的EMS，ERP系统轻易集成；

● 对于网络协议、语言等，使用既定事实标准来保证多供应商网络的数据交换。

上述PAC定义的几种特征和性能可用图2示意说明。

图2：pac特征性能示意图

PAC可执行较多的高级任务

■ 实时的振动分析、图像处理．运动控制和CAN;
■ 执行自动调节的PID控制，或可调增益的PID控制．模糊逻辑;
■ 使用内置Web服务器、FTP服务器和e-mail功能进行通讯。

用PAC建立灵活的发电厂的维护和监测控制系统

▲ 垃圾焚烧发电厂所伴随的环境污染

城市生活垃圾、工业垃圾、医院卫生废弃物、淤泥和废橡胶轮胎等垃圾焚烧处理技术，利用垃圾焚烧的余热发电，将是今后环保技术的一个重要发展方向。这种垃圾焚烧日处理废物能力为1～350t，余热锅炉(或回转式炉窑)的热容量小，发电机组小，一般为20兆瓦以内。因此，垃圾焚烧发电厂的控制系统比大型电厂简单得多。

然而余热锅炉(或回转式炉窑)垃圾焚烧炉(余热锅炉或回转式炉窑)，主要用于焚烧医院垃圾、特殊固体废料、危险品废弃物等物质。这些物质严重污染环境，其燃烧分解物中含有二恶英等毒性物质，如果人工现场操作回转炉，则工作环境非常恶劣，且垃圾焚烧燃烧分解物中毒性物质产生泄漏幅射，还会污染周围环境。因此，垃圾焚烧发电厂的维护和监测控制系统开发的好坏直接影响着人身安全与环境保护的大问题。

随着PAC技术的突飞猛进，高档PAC系统可投较好的应用在中型及较复杂的控制领域中，其垃圾焚烧发电厂就可以使用PAC控制系统，以建立一个独立、灵活的系统，在工作域有限的空间和严酷的化学反应环境下，用来控制垃圾焚烧发电厂的多种不同监测和维护工具。

▲ 解决方案

使用NI可编程自动控制器(PAC)硬件平台、运动控制模块、LabVIEW、LabVIEWRT和PXI 7344视觉模块，开发设计一个用于5种工具的灵活控制系统，并将继续开发以适用于更多工具。

★ 利用硬件设计一个灵活的控制站

该控制系统包含3个主要部分 ：安置在泄漏幅射区外的操作站2000(OS2000) ；位于泄漏幅射区内低泄漏幅射区域的PAC，即本地控制站(LCS) ；以及靠近监测维护地点附近的工具终端连接中心(TECC)。而OS2000通过线路连接LCS，该线路能提供RS232通信、四个视频连接和TELEX音频连接。

LCS使用运行于嵌入式控制器的LabVIEWRT和18槽PXI机箱，机箱中包括一个用来控制摄像机选择的RS232模块，一个用于进一步扩展的视频模块(PXI-1411)，两个运动控制模块(NI-7344)，多功能数据采集模块(NI-6052E)，以及用于控制和反馈的数字I/O模块(NI-6534)。RS 232模块控制LCS中的一个视频多路复用器，它能在8个摄像机之间进行切换，而运动模块控制结合了防卫、方向和电流反馈的8个不同电机。多功能DAQ模块测量来自位置接近、压力、温度和倾角传感器的数据。数字I/O控制照明、调光器、螺丝管和其它部件。最后，该系统还能监控全体电源并为操作人员提供系统掉电报告。

★ 利用LabVIEWRT和PXI构建灵活的自动化控制系统

由于具备可靠的LabVEIWRT(实时)、模块化的PXI、以及范围宽广的I/O通道，这一解决方案可以确保在严酷的垃圾焚烧发电厂环境中执行操作。该系统的灵活性使得工程师得以顺利设计新的工具并重复使用同样的控制系统，从而节省了培训和配置的时间。

在使用过程中，其LabVlEW可以非常方便地处理来自PXI模块的不同输入数据。此外，利用LabVIEWRT还可以非常简单的对LCS进行升级，只需一个以太网连接即可。单个PXI系统也可以减少管理费、培训费和运输费。利用灵活的PXI解决方案，可以比在传统控制系统中更快地部署系统和更换工具。

★ 关于系统的扩展

就如绝大多数基于PAC系统一样，将来的扩展可以有许多方式。目前的系统包含一个PXI-7344视觉模块，可将RS-232通信系统升级为以太网，并使用PXI视觉模块和其它视觉产品，以采集来自IEEE-1394接口摄像机的图像。

应该说，只要垃圾焚烧炉系统是采用国际上较先进的热解—氧焚烧技术，按上述应用PAC所建立的维护和监测控制系统，其在线控制系统将具有高可靠性，又能确保生产安全，严格控制二次污染，并实现达标排放。

结束语：由于PAC能为您增加所需的PC功能以用于高级控制，实时分析或连接企业数据库，而且同时保持了PLC的可靠性。如果您不只是需要集成数字I/O和运动控制，或者需要更快的计算机处理能力的话，PAC可能是非常好的选择。为此，当今的工程师除了PLC控制外，其PAC不失为是一种最佳选择，它正占领自动化领域。而PAC概念将在当今和未来的工厂自功化中发挥重要的作用。