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當今,在設計與建立控制系統時(shí)，工程師們總是希望能使用比較少的設備來(lái)實(shí)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(dòng)，而且還可以集成用于自動(dòng)化監控和測試的視覺(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),并把數據傳送回企業(yè)。這就是說(shuō)要求產(chǎn)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。因基于PC的工業(yè)控制有以下弱點(diǎn)： 穩定性-通用的操作系統常常不夠穩定并且生產(chǎn)線(xiàn)會(huì )受到系統崩潰和無(wú)法預料的重啟的影響。 可靠性-由于磁性硬盤(pán)的旋轉和有像電源這樣的部件，其堅固程度達不到工業(yè)標準，PC容易發(fā)生故障。 不熟悉的編程環(huán)境-當系統停止時(shí)，工廠(chǎng)的操作人員需要恢復系統。對于梯形邏輯，操作人員能知道采用人工方法啟動(dòng)一個(gè)線(xiàn)圈或者補充代碼來(lái)快速恢復一個(gè)系統。但是使用PC系統，操作人員需要學(xué)習新工具。 使PLC增加視覺(jué)、運動(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(PAC-Programmable Automation Controller)就是這樣的平臺，它能最佳結合PC和PLC兩者的優(yōu)勢(見(jiàn)圖1所示)，它提供了開(kāi)放的工業(yè)標準,可擴展的領(lǐng)域功能,一個(gè)通用的開(kāi)發(fā)平臺和一些高級性能。這是當今設計與建立控制系統發(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(lèi)型的控制器，該控制器結合了PC的處理器、RAM和軟件的優(yōu)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(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，易于維護和具有較低的發(fā)生故障時(shí)間等特性。 PAC平臺 快速增長(cháng)的PAC平臺是基于PXI。由于PXI結合了PCI總線(xiàn)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(yè)環(huán)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(jué)、運動(dòng)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(yè)化PC做了改善，具有實(shí)時(shí)OS，標準的散熱，可選的不旋轉固態(tài)硬盤(pán)和內置的模塊間同步。PXl標準要求所有的機箱能為每個(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 )使工作系統過(guò)熱或者縮短壽命。PXl也提供也提供了能?chē)栏裢礁鱾�(gè)模塊的功能，因此工程師可以為高速控制應用設計運動(dòng)，視覺(jué)和I/O系統，這些應用包括產(chǎn)品包裝和半導體器件處理。 Compact FieldPoint使用工業(yè)級的部件來(lái)抗強沖擊和振動(dòng)，其工作溫度范圍為-40℃到70℃。它也采用傳導式制冷來(lái)代替旋轉風(fēng)扇，由于不使用活動(dòng)部件而提高了可靠性。由于有運行實(shí)時(shí)OS的浮點(diǎn)處理器，Compact FieldPoint系統具有PC功能，用于記錄數據的CompactFlash驅動(dòng)和用于通信的以太網(wǎng)口。 Compact Vision系統是為機器視覺(jué)而專(zhuān)門(mén)設計的堅固的控制器。它使用IEEE標準1394 FireWire接口，可以在視覺(jué)應用中和16臺攝像機通信。Compact Vision系統也采用不活動(dòng)的部件和傳導式制冷，因此可以把系統固定在機器附近。它提供29個(gè)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(lái)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(shí)時(shí)技術(shù)。CompactRIO系統采用具有3百萬(wàn)門(mén)的FPGA芯片來(lái)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(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LabVlEWRT的浮點(diǎn)處理器以進(jìn)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(huán)境。 PAC特征性能 PAC特征性能(圖2)如下： 供通用發(fā)展平臺和單一數據庫，以滿(mǎn)足多領(lǐng)域自動(dòng)化系統設計和集成的的通用開(kāi)發(fā)平臺； 一個(gè)輕便的控制引擎，可以實(shí)現多領(lǐng)域的功能：邏輯控制、過(guò)程控制、運動(dòng)控制和人機界面等,為統一平臺； 允許用戶(hù)根據系統實(shí)施的要求在同一平臺上運行多個(gè)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(jìn)行系統資源的分配； 采用開(kāi)放的模塊化的硬件架構以實(shí)現不同功能的自由組合與搭配，減少系統升級帶來(lái)的開(kāi)銷(xiāo)； 支持IEC 61158現場(chǎng)總線(xiàn)規范，可以實(shí)現基于場(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)標準，可以與工廠(chǎng)的EMS，ERP系統輕易集成； 對于網(wǎng)絡(luò )協(xié)議、語(yǔ)言等，使用既定事實(shí)標準來(lái)保證多供應商網(wǎng)絡(luò )的數據交換。 PAC可執行較多的高級任務(wù)： 實(shí)時(shí)的振動(dòng)分析、圖像處理、運動(dòng)控制和CAN; 執行自動(dòng)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(wù)器、FTP服務(wù)器和e-mail功能進(jìn)行通訊。 PAC應用舉例 用PAC結合NIPXI和圖形軟件LabVIEW RT(實(shí)時(shí))實(shí)現鋼條 高精度監控和高可靠閉環(huán)控制系統-自動(dòng)化處理設計方案。 項目設計 由于金屬工業(yè)系統需要冷軋鋼廠(chǎng)生產(chǎn)出統一厚度的鋼條(以鋼卷的形式),為此這些軋鋼廠(chǎng)需要由對生產(chǎn)的鋼條規格進(jìn)行監控的高可靠閉環(huán)控制系統。這就是本PAC應用的設計任務(wù)。 系統技術(shù)要求 該系統能進(jìn)行高精度監測和控制并以更快的響應時(shí)間(比傳統PLC)；可保證每周七天、每天24小時(shí)連續的高可靠工作，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平臺非常適合用于高精度監測,故可利用NI 公司的圖形軟件LabVlEW RT(實(shí)時(shí))和PXI硬件開(kāi)發(fā)出基于NI可編程自動(dòng)控制器(PAC)的規格監測和控制系統。用PAC控制系統實(shí)時(shí)地監測鋼片的厚度并以快速而確定的響應時(shí)間控制計量?jì)x。 PAC控制系統有兩個(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)軋輥根據輸入信號對鋼片加壓以保證鋼片有合適的厚度。 通過(guò)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(shí)時(shí))及PXl硬件。利用N I的PAC產(chǎn)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。 該控制糸統采用厚度計量?jì)x來(lái)測量鋼片的厚度。它以微米級的精度測量距定位點(diǎn)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?jì)x(或兩軋輥之間間距)相關(guān)聯(lián)的數字輸入信號。旋轉編碼器(TRD-K)固定在轉動(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(guò)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(wú)論是厚度計量?jì)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)規格進(jìn)行監控的高可靠閉環(huán)控制系統-自動(dòng)化處理的設計方案框圖。從圖中看出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(shí)時(shí))、PXl／CompactPCI多功能高精度采集卡、可編程自動(dòng)控制器(PAC)。 利用運行LabVlEW RT(實(shí)時(shí))的PXI控制來(lái)實(shí)現控制系統。該PXI系統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據。此外，用NI PXI-6608計數器/定時(shí)器卡測量編碼器的信號并確定軋輥速度(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(lái)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(yè)數字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)現一個(gè)常備的按鈕式控制扳,來(lái)解決實(shí)時(shí)系統和主機發(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。 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(shí)間并改善了產(chǎn)品質(zhì)量。眾所周知，對于基于PLC的典型系統，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，我們把該系統的循環(huán)時(shí)間降低到10ms，從而提高了輸出的質(zhì)量。也利用PXI背板對測量進(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，我們把系統的響應時(shí)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(shuō)明的是該PAC應用的鋼條 高精度監控和高可靠閉環(huán)控制糸統,同樣也可適用于板材行業(yè)(或建筑行業(yè))。 結語(yǔ) 由于PAC能增加所需的PC功能以用于高級控制，實(shí)時(shí)分析或連接企業(yè)數據庫，而且同時(shí)保持了PLC的可靠性。如果不只是需要集成數字I/O和運動(dòng)控制，或者需要更快的計算機處理能力的話(huà)，PAC可能是非常好的選擇。為此,當今的工程師除了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概念將在當今和未來(lái)的工廠(chǎng)自功化中發(fā)揮重要的作用。 |
