可編程自動控制器(PAC)講座---新一代PLC

在二十世紀六十年代，工程師已使用大型的機械繼電器模塊進行工業控制。這些系統非常復雜、難于修理并容易出現故障。到了六十年代末期，Bedford Associates推出了被稱為模塊化數字控制器(MODICON)的新系統，它使用一個CPU來執行數字邏輯并有數字輸入和輸出接口。我們可以把這個系統當作工業應用的第一個“虛擬儀器”。MODICON 084是第一個PLC。這種新的PLC能有效地執行數字操作和數字控制，并且在二十世紀七十年代中期得到了普遍的應用。早期的PLC使用薄片式CPU，如AMD2901，只限于進行數字控制。為了使PLC更可靠和易于編程，它采用嚴格的控制架構和簡單的指令集。工程師對大多數PLC采用梯形邏輯編程，這種編程語言模仿了二十世紀六十年代的原始繼電器框圖。

  

     滿足應用需要的“80-20”原則

     PLC演變到了可以使用模擬I?蛐O、網絡通信和新的編程標準如IEC 61131-3的階段。然而，工程師所開發的工業應用的80%是使用數字I?蛐O，少量模擬I/O和簡單的編程技巧。來自ARC、VDC和PLCS.net的專家估計：

     * 80%的PLC用于小型應用（1到128 I/O ）

     * 78%的PLC I?蛐O是數字的

     * 80%的PLC應用問題可由20條梯形邏輯指令集來解決

     這就是為什么PLC還使用原始的AMD 2901 CPU以及為什么像Keyence這樣的公司只提供梯形邏輯編程方式。

     盡管80%的應用使用簡單的數字和模擬控制，但是如果工程師要開發其它20%的應用就必須突破PLC的限制。在二十世紀八十年代和九十年代，這些20%的用戶考慮使用PC來進行工業控制，這樣能得到無比的靈活性和使用高效的軟件和高級硬件。然而，基于PC的工業控制有以下弱點：

     * 穩定性--通用的操作系統常常不夠穩定并且生產線會受到系統崩潰和無法預料的重啟的影響。

     * 可靠性--由于磁性硬盤的旋轉和有電源這樣的堅固程度不到工業標準的部件，PC容易發生故障。

     * 不熟悉的編程環境--當系統停止時，工廠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一個線圈或者補充代碼來快速恢復一個系統。但是使用PC系統，操作人員需要學習新工具。

  

     開發出更好的控制器

     由于PC或PLC解決方案不是很全面，對于復雜的應用工程師常常要和控制廠商密切合作來開發出新產品。這些重要的用戶要求產品能結合高級的功能和可靠性，并且他們為PLC和PC控制公司如Rockwell、Siemens、GE Fanuc、Beckhoff和NI提供開發產品的指導。由此而開發出的新控制器是為解決20%應用而設計的，它把PLC和PC的特性最佳地結合在一起。工業分析家ARC稱這些設備為可編程自動控制器或PAC。在他們的“可編程邏輯控制器世界概覽”研究中，ARC提出了PAC的5個重要特點：

     * 多種功能，在一個平臺上至少有兩個邏輯，運動，PID控制，驅動和處理功能

     * 單一的多功能開發平臺采用通用的標記和單個數據庫來訪問所有的參數和功能

     * 軟件工具允許通過多臺機器或處理單元處理流程來進行設計，可以結合IEC 61131-3，用戶手冊和數據管理

     * 開放的，模塊化結構反映了從工廠機器布置到加工車間中單元操作的工業應用

     * 采用實際標準的網絡接口、語言等，如TCP/IP、OPC、XML和SQL查詢

                  

      NI PAC


     NI的PAC平臺基于NI LabVIEW 技術，包括LabVIEW實時和LabVIEW FPGA。通過LabVIEW RT和LabVIEW FPGA，工程師可以使用LabVIEW 開發定制的測控系統并把它們部署到可靠的運行實時操作系統的嵌入式平臺或嵌入到芯片中。PAC被設計用來滿足：

     * 圖形化--由于LabVIEW 的程序開發人員能熟練地開發用戶界面，所以您可以很容易使控制系統具有圖形和HMI。

     * 測量（高速數據采集、視覺和運動）-NI有包括視覺采集的豐富的高速I/O開發歷史，因此您可以在標準控制系統中結合如振動或機器視覺這樣的測量功能。

     * 處理能力--在某些應用中，您需要有專門的控制算法、高級的信號處理或數據記錄功能。使用LabVIEW，您可以使用NI或第三方工具來開發定制的控制代碼，實現如聯合時頻域分析這樣的信號處理功能以及本地或遠程記錄數據的功能。

     * 平臺--使用LabVIEW，您可以建立可運行于各種平臺的代碼，這些平臺包括PC、嵌入式控制器、FPGA芯片或手持式PDA。

     * 通信--使用LabVIEW，您利用如OPC和SQL這樣的工具來把數據傳送給企業將變得很容易

     * NI提供四種PAC硬件平臺：

     * PXI對工業化PC做了改善，具有實時OS、標準的散熱、可選的不旋轉固態硬盤和內置的模塊間同步。PXI標準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PXI或CompactPCI卡時不會使工作系統過熱或者縮短壽命。PXI也提供了能嚴格同步各個模塊的功能，因此工程師可以為高速控制應用設計運動，視覺和I/O系統，這些應用包括產品包裝和半導體器件處理。 

     * Compact FieldPoint 使用工業級的部件來抗強沖擊和振動，其工作溫度范圍為-40℃到 70℃，并且具有Class 1 Division II和Lloyd"s認證。它也采用傳導式制冷來代替旋轉風扇，由于不使用活動部件而提高了可靠性。由于有運行實時OS的浮點處理器，Compact FieldPoint系統具有PC功能，如用于記錄數據的CompactFlash驅動和用于通信的以太網口。

     * Compact Vision系統是為機器視覺而專門設計的堅固的控制器。它使用IEEE標準1394 FireWire接口，可以在視覺應用中和16臺攝像機通信。Compact Vision系統也采用不活動的部件和傳導式制冷，因此您可以把系統固定在機器附近。它提供29個內置數字I/O通路，這些通路可由LabVIEW RT或使用LabVIEW FPGA的嵌入式FPGA來直接控制。

     * CompactRIO是新型的可重設置的嵌入式系統，它基于LabVIEW FPGA和LabVIEW 實時技術。CompactRIO系統采用具有300萬門的FPGA芯片來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，它的數字循環的速率高達1MHz，模擬循環速率為150 kHz。FPGA可以把信息傳回到運行LabVIEW RT的浮點處理器以進行高級計算、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境。

     那些需要開發“20%”應用的工程師現在可以突破工業控制器技術的限制，PAC生產商提供了能最好地結合PC功能和PLC可靠性的一組硬件平臺。新的工具，如LabVIEW RT，可以使OS、FPGA和DSP編程變得更容易，為工業工程師提供了新選擇。