PAC——新一代工業(yè)控制系統(tǒng), 可編程自動(dòng)化控制發(fā)展的未來
Todd Walter
2008-01-14
作者:NI工業(yè)測(cè)量和控制產(chǎn)品經(jīng)理
隨著許多廠商已生產(chǎn)出能結(jié)合PC功能和PLC可靠性的可編程" title="可編程">可編程自動(dòng)化控制器(PAC),,目前控制系統(tǒng)" title="控制系統(tǒng)">控制系統(tǒng)已逐漸開始采用PAC。本白皮書介紹PAC的起源以及它與PLC和PC的區(qū)別,并指出了使用PAC的工業(yè)控制未來發(fā)展方向,。
PAC將成為未來的工業(yè)控制方式
和基于PC控制系統(tǒng)相比,有關(guān)PLC(可編程邏輯控制器)優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)的激烈爭(zhēng)論已經(jīng)持續(xù)了十年,。由于PC和PLC在技術(shù)上的差別越來越小,,并且隨著PLC采用了商業(yè)化(COTS)硬件以及PC能采用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),從而出現(xiàn)了一種新類型的控制器——PAC,。PAC的概念是由自動(dòng)化研究機(jī)構(gòu) (ARC) 提出的,,它表示可編程自動(dòng)化控制器,用于描述結(jié)合了PLC和PC功能的新一代工業(yè)控制器,。傳統(tǒng)的PLC廠商使用PAC的概念來描述他們的高端系統(tǒng),,而PC控制廠商則用來描述他們的工業(yè)化控制平臺(tái)。
“80-20” 法則
在PLC被開發(fā)出來的三十年里,,它經(jīng)過不斷地發(fā)展,,已經(jīng)能結(jié)合模擬I/O" title="I/O">I/O,,網(wǎng)絡(luò)通信以及采用新的編程標(biāo)準(zhǔn)如IEC 61131-3。然而,,工程師們只需利用數(shù)字I/O和少量的模擬I/O數(shù)以及簡(jiǎn)單的編程技巧就可開發(fā)出80%的工業(yè)應(yīng)用" title="工業(yè)應(yīng)用">工業(yè)應(yīng)用 ,。來自ARC、聯(lián)合開發(fā)公司(VDC)以及網(wǎng)上PLC培訓(xùn)資源PLC.net的專家估計(jì):
由于采用傳統(tǒng)的工具可以解決80%的工業(yè)應(yīng)用,,這樣就強(qiáng)烈地需要有低成本簡(jiǎn)單的PLC,;從而促進(jìn)了低成本微型PLC的增長(zhǎng),它帶有用梯形邏輯編程的數(shù)字I/O,。然而,,這也在控制技術(shù)上造成了不連續(xù)性,一方面80%的應(yīng)用需要使用簡(jiǎn)單的低成本控制器,,而另一方面其它的20%應(yīng)用則超出了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)所能提供的功能,。工程師在開發(fā)這些20%的應(yīng)用需要有更高的循環(huán)速率,高級(jí)控制算法" title="控制算法">控制算法,,更多模擬功能以及能更好地和企業(yè)網(wǎng)絡(luò)集成,。
在八十和九十年代,那些要開發(fā)“20%應(yīng)用”的工程師們已考慮在工業(yè)控制中使用PC,。PC所提供的軟件功能可以執(zhí)行高級(jí)任務(wù),,提供豐富的圖形化編程和用戶環(huán)境,并且PC的COTS部件使控制工程師能把不斷發(fā)展的技術(shù)用于其它應(yīng)用,。這些技術(shù)包括浮點(diǎn)處理器,;高速I/O總線,如PCI和以太網(wǎng),;固定數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,;圖形化軟件開發(fā)工具。而且PC還能提供無比的靈活性,,高效的軟件以及高級(jí)的低成本硬件,。
然而,PC還不是非常適合用于控制應(yīng)用,。盡管許多工程師在集成高級(jí)功能時(shí)使用PC,,這些功能包括模擬控制和仿真、連接數(shù)據(jù)庫(kù),、網(wǎng)絡(luò)功能以及和第三方設(shè)備通信,,但是PLC仍然在控制領(lǐng)域中處于統(tǒng)治地位?;赑C控制的主要問題是標(biāo)準(zhǔn)PC并不是為嚴(yán)格的工業(yè)環(huán)境而設(shè)計(jì)的,。
因此那些要開發(fā)“20%應(yīng)用”的工程師們要么使用一個(gè)PLC無法輕松實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所需的功能,,要么采用既包含PLC又包含PC的混合系統(tǒng),他們利用PLC來執(zhí)行代碼的控制部分,,用PC來實(shí)現(xiàn)更高級(jí)的功能,。因而現(xiàn)在許多工廠車間使用PLC和PC相結(jié)合的系統(tǒng),利用系統(tǒng)中的PC進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄,,連接條碼掃描儀,,在數(shù)據(jù)庫(kù)中插入信息以及把數(shù)據(jù)發(fā)布到網(wǎng)上。采用這種方式建立系統(tǒng)的主要問題是該系統(tǒng)常常難以構(gòu)建,,排除故障和維護(hù),。系統(tǒng)工程師常常被要結(jié)合來自多個(gè)廠商軟硬件的工作所困擾,這是因?yàn)檫@些設(shè)備并不是為了能協(xié)同工作而設(shè)計(jì)的,。
構(gòu)建更好的控制器
由于沒有適合的PC或PLC解決方案,,那些需要開發(fā)復(fù)雜應(yīng)用的工程師就和控制廠商密切合作開發(fā)新的產(chǎn)品。他們需要新產(chǎn)品能結(jié)合PC的高級(jí)軟件功能和PLC的可靠性,。這些重要用戶為PLC和基于PC控制的公司提供了產(chǎn)品開發(fā)指導(dǎo)。
實(shí)現(xiàn)軟件的功能不僅需要有高級(jí)的軟件,,而且控制器的硬件功能也需要有所提高,。由于世界范圍內(nèi)對(duì)PC部件的需求在下降,所以許多半導(dǎo)體廠商開始為工業(yè)應(yīng)用重新設(shè)計(jì)他們的產(chǎn)品,。目前控制領(lǐng)域的廠商已開始在工業(yè)控制產(chǎn)品中使用工業(yè)化浮點(diǎn)處理器,、DRAM、固態(tài)存儲(chǔ)器如CompactFlash以及快速Ethernet芯片。這使得廠商能利用基于PC控制系統(tǒng)的靈活性和可用性來開發(fā)更為強(qiáng)大的軟件,,而且該P(yáng)C控制系統(tǒng)還可運(yùn)行實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)以保證可靠性,。
這種新的控制器是為解決“20%”的應(yīng)用問題而設(shè)計(jì)的,它結(jié)合了PLC和PC兩者的優(yōu)點(diǎn),。ARC的工業(yè)分析家把這種設(shè)備稱為可編程自動(dòng)化控制器,,即PAC。在ARC的“可編程邏輯控制器世界概覽”研究中,,他們給出了PAC的五個(gè)主要特性,。這些控制器特性是通過定義軟件的能力來實(shí)現(xiàn)其功能的。
兩種不同的軟件解決方案
一方面軟件是PAC和PLC主要的區(qū)別,,而另一方面廠商在提供高級(jí)軟件的方式上也有所不同,。通常他們以目前已有的控制軟件作為起點(diǎn),不斷增加PAC編程所需的功能,、可靠性和易用性,。一般說來,有兩種提供PAC軟件的方式:基于PLC控制的軟件和基于PC控制的軟件
基于PLC概念的軟件方案
傳統(tǒng)的PLC軟件廠商以可靠且易用的掃描式架構(gòu)軟件為起點(diǎn),,并逐漸增加新的功能,。PLC軟件根據(jù)通用模型而建立:輸入掃描,控制代碼運(yùn)行,,輸入更新,,以及常規(guī)功能執(zhí)行。由于輸入循環(huán),,輸出循環(huán)和常規(guī)循環(huán)都是隱藏的,,所以控制工程師只需關(guān)注控制代碼的設(shè)計(jì)。由于廠商已完成了大部分工作,,這種嚴(yán)格的控制架構(gòu)使得建立控制系統(tǒng)更為容易和快速,。這些系統(tǒng)的嚴(yán)格性也能讓控制工程師在開發(fā)可靠的程序時(shí)無需深入了解PLC的底層操作。然而,,作為PLC主要優(yōu)勢(shì)的這種嚴(yán)格的掃描式構(gòu)架也導(dǎo)致其靈活性的欠缺,。絕大多數(shù)PLC廠商通過在已有的掃描式架構(gòu)中增加新的功能來建立PAC軟件,這些新功能包括以太網(wǎng)通信,,運(yùn)動(dòng)控制和高級(jí)算法,。然而,通常他們會(huì)保留PLC熟悉的編程方式以及其在邏輯和控制方面固有的特點(diǎn),。因此這種PAC軟件通常是為了適合特殊類型應(yīng)用而設(shè)計(jì)的,如邏輯,運(yùn)動(dòng)和PID,,但是對(duì)于定制的應(yīng)用則缺乏靈活性,,如通信、數(shù)據(jù)記錄或定制的控制算法,。
基于PC概念的軟件方案
傳統(tǒng)PC軟件廠商以非常靈活的通用編程語(yǔ)言為起點(diǎn),,能提供對(duì)硬件的深層次訪問。該種軟件也具有可靠性,、確定性以及預(yù)設(shè)的控制架構(gòu),。盡管工程師能為PLC編程人員建立起掃描式構(gòu)架,但是它并不是基于PC的軟件所固有的,。這些使得PC軟件極為靈活,,非常適合那些需要高級(jí)的架構(gòu)、編程技巧或者系統(tǒng)級(jí)控制的復(fù)雜應(yīng)用,,但卻使本應(yīng)簡(jiǎn)單的應(yīng)用復(fù)雜化,。
這些廠商首先要能提供通用操作系統(tǒng)如Windows所不具備的可靠性和確定性。它們可以通過采用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)如來自Ardence的Phar Lap或Wind River的VxWorks來實(shí)現(xiàn),。這些RTOS能控制系統(tǒng)的各個(gè)層面,,從I/O讀寫速率到控制器上各個(gè)線程的優(yōu)先級(jí)。然后為了使工程師能更為容易地開發(fā)出可靠的控制程序,,廠商增加了抽象層和I/O讀寫架構(gòu),。因而這種靈活軟件非常適合于定制控制,數(shù)據(jù)記錄和通信,,但舍棄PLC編程架構(gòu)的代價(jià)是使程序的開發(fā)難度增加,。
NI已開發(fā)出能運(yùn)行LabVIEW程序的一系列PAC運(yùn)載平臺(tái)。LabVIEW已成為測(cè)試和測(cè)量軟件的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn),。它具有直觀的類似于流程圖的圖形化編程方式,,并通過易用的界面來提供高級(jí)編程語(yǔ)言所具備的所有功能。利用LabVIEW RT和LabVIEW FPGA,,我們能結(jié)合LabVIEW和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)并直接下載到FPGA(現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列)平臺(tái)來提供可靠性和確定性,。
基于PAC的視覺和測(cè)量應(yīng)用
NI具有測(cè)量的行業(yè)背景,它通過引入高速測(cè)量和機(jī)器視覺使PAC超越了簡(jiǎn)單的I/O,。在許多工業(yè)應(yīng)用中需要高速采集測(cè)量結(jié)果以用于振動(dòng)或功率品質(zhì)分析,。采集到的數(shù)據(jù)用來監(jiān)測(cè)旋轉(zhuǎn)機(jī)械的狀態(tài),確定維護(hù)時(shí)間表,,識(shí)別電機(jī)的磨損程度以及調(diào)整控制算法,。工程師們通常使用專門的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)或獨(dú)立儀器來采集這些數(shù)據(jù)并利用通信總線把數(shù)據(jù)輸入到控制系統(tǒng)。而NI的PAC正可以以每秒百萬個(gè)采樣點(diǎn)的速率直接進(jìn)行高精度的測(cè)量,,并把數(shù)據(jù)直接傳送到控制系統(tǒng)來立即處理,。
工程師們也可以在他們的控制系統(tǒng)中使用視覺功能,。過去十年中視覺在自動(dòng)化領(lǐng)域已得到了迅猛地發(fā)展。在生產(chǎn)環(huán)境中,,有許多產(chǎn)品缺陷或錯(cuò)誤使用傳統(tǒng)的測(cè)量方法是很難識(shí)別出來的,,而通過視覺方式則能檢測(cè)。常見的應(yīng)用包括用于生產(chǎn)或裝配檢驗(yàn)的零件檢測(cè),,如檢查電路板上器件的位置是否正確,,識(shí)別光學(xué)字符(OCR)來檢查日期條碼或?qū)Ξa(chǎn)品進(jìn)行分類,以及進(jìn)行光學(xué)測(cè)量來找出產(chǎn)品的瑕疵或?qū)Ξa(chǎn)品按質(zhì)量等級(jí)進(jìn)行分類,。目前許多工廠采用獨(dú)立的智能攝像頭,,它要和生產(chǎn)處理控制器進(jìn)行通信。NI的PAC引入帶有邏輯和運(yùn)動(dòng)控制的視覺或是高速測(cè)量功能,,從而使得工程師們無需集成其他的硬件和軟件平臺(tái),。
PAC免除了對(duì)于專門硬件的需要
PAC代表著可編程控制器的最新技術(shù),它未來發(fā)展的關(guān)鍵取決于嵌入式技術(shù)的引入,。比如要能通過軟件來定義硬件,。電子廠商常使用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)這樣的電子器件來開發(fā)定制的芯片,它可以讓新設(shè)備智能化,。這些設(shè)備包含有能執(zhí)行多種功能的可配置邏輯塊,,連接這些功能塊的可編程交聯(lián)點(diǎn)以及為芯片輸入輸出數(shù)據(jù)的I/O塊。通過定義這些可配置邏輯塊的功能,,其彼此連接以及相應(yīng)的I/O,,電子設(shè)計(jì)人員即可以開發(fā)出定制的芯片,而不需要花錢來生產(chǎn)專門的ASIC,。FPGA如同有一個(gè)計(jì)算機(jī),,其內(nèi)部電路能被重新連接來運(yùn)行特定的應(yīng)用程序。
以前只有那些熟悉底層編程語(yǔ)言如VHDL的硬件設(shè)計(jì)人員才能利用FPGA技術(shù),。然而,,現(xiàn)在工程師們已可以用LabVIEW FPGA來開發(fā)出定制的控制算法并把它下載到FPGA芯片上。通過該特性工程師們可以使硬件具備實(shí)時(shí)的功能,,如限度和接近傳感器檢測(cè)和傳感器狀態(tài)監(jiān)控,。由于控制代碼直接在芯片上運(yùn)行,所以工程師們能快速開發(fā)采用定制的通信協(xié)議或高速循環(huán)的程序:數(shù)字控制循環(huán)速度可高達(dá)1 MHz,,模擬控制循環(huán)的速度可為200kHz,。
LabVIEW用于自動(dòng)化控制
由于LabVIEW (ni.com/china/labview)具有強(qiáng)大的功能和圖形化編程的易用性,基于LabVIEW的PAC 非常適合有如下要求的應(yīng)用:
NI PAC系統(tǒng)
NI提供五種基于LabVIEW的PAC平臺(tái),。
PXI是由多個(gè)廠商制定的基于CompactPCI架構(gòu)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化PAC硬件平臺(tái),,它能提供模塊化、緊湊而堅(jiān)固的工業(yè)化系統(tǒng),。PXI系統(tǒng)的嵌入式控制器內(nèi)置上GHz的高性能處理器,。您可以選用來自NI或第三方廠商的PXI和CompactPCI模塊。PXI能提供最為廣泛的I/O,,包括有1000 V的隔離式模擬輸入,,高容量數(shù)字I/O,用于機(jī)器視覺的模擬/數(shù)字幀抓取器,,聯(lián)合多軸運(yùn)動(dòng)模塊,。PXI模塊的前端都配置有方便電纜連接的接口。PXI平臺(tái)提供全面的測(cè)量模塊,,以及包括CAN,,DeviceNET,RS-232,,RS-485,,Modbus和Foundation Fieldbus的廣泛連接性。
Compact FieldPoint產(chǎn)品系列包括有可熱抽換的模擬和數(shù)字I/O模塊和控制器,,并帶有以太網(wǎng)和串行總線接口,。其中I/O模塊能直接連接熱電偶、RTD,、應(yīng)力計(jì),、4-20 mA傳感器,、5-30 V的直流信號(hào)以及0-250 V的交流信號(hào)。Compact FieldPoint網(wǎng)絡(luò)通信接口能自動(dòng)通過以太網(wǎng)絡(luò)傳送數(shù)據(jù),。您也可以以讀寫本地I/O的方式來讀寫經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膸子⒗镏獾腎/O,。由于軟件的接口非常簡(jiǎn)單,您可以快速地建立和編寫Compact FieldPoint應(yīng)用程序,,但又不失復(fù)雜控制,,數(shù)據(jù)記錄和通信的強(qiáng)大功能。
Compact Vision System整合了高性能Intel處理器,、FPGA,,數(shù)字I/O和三個(gè)1394端口。這種PAC天生就可以通過FireWire(IEEE1394)技術(shù)在控制應(yīng)用中使用視覺功能,,并兼容80多種工業(yè)攝像頭,。利用CVS上的可重復(fù)配置FPGA和數(shù)字I/O通路,您也可以進(jìn)行低通道數(shù)的數(shù)字和步進(jìn)電機(jī)控制,。當(dāng)使用LabVIEW編程時(shí),,您還能配置該系統(tǒng)以得到高性能的視覺以及高速的數(shù)字控制和步進(jìn)電機(jī)控制。
CompactRIO是基于FPGA的可重復(fù)配置控制和采集系統(tǒng),,它是為需要高度定制和高速控制的應(yīng)用而設(shè)計(jì)的,。該架構(gòu)采用實(shí)時(shí)嵌入式處理器,并結(jié)合可重復(fù)配置I/O(RIO)的FPGA內(nèi)核來實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的算法和定制的計(jì)算,。CompactRIO平臺(tái)可使用多達(dá)八個(gè)模擬或數(shù)字I/O模塊,。這些模塊可由NI或其它廠商提供。CompactRIO平臺(tái)非常適合如機(jī)器控制這樣的復(fù)雜和高速應(yīng)用,,并且,,對(duì)于那些通常需要開發(fā)專門的硬件的應(yīng)用,結(jié)合了FPGA的這種系統(tǒng)也是非常好的選擇,。
標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)計(jì)算機(jī)也可以使用NI所提供的廣泛的PCI模塊,。這些插入式板卡包含有為模擬和數(shù)字I/O,運(yùn)動(dòng)控制和機(jī)器視覺而設(shè)計(jì)的硬件,。要得到確定性,、實(shí)時(shí)的性能,可結(jié)合PCI硬件和運(yùn)行于基于PC的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)上的LabVIEW來實(shí)現(xiàn),。LabVIEW RT可被加載到絕大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)PC上,,從而能提供用于工業(yè)測(cè)量和控制的低成本平臺(tái)。
由于NI能提供廣泛的測(cè)量和控制平臺(tái),,這使得PAC可用于幾乎所有的應(yīng)用,。您可以使用網(wǎng)上的評(píng)估版進(jìn)行編程以了解有關(guān)LabVIEW的更多信息,或致電 (800) 820-3622或021-65557838向NI工程師了解更多有關(guān)PAC產(chǎn)品與技術(shù)信息。
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PAC將成為未來的工業(yè)控制方式
和基于PC控制系統(tǒng)相比,有關(guān)PLC(可編程邏輯控制器)優(yōu)勢(shì)和劣勢(shì)的激烈爭(zhēng)論已經(jīng)持續(xù)了十年,。由于PC和PLC在技術(shù)上的差別越來越小,,并且隨著PLC采用了商業(yè)化(COTS)硬件以及PC能采用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng),從而出現(xiàn)了一種新類型的控制器——PAC,。PAC的概念是由自動(dòng)化研究機(jī)構(gòu) (ARC) 提出的,,它表示可編程自動(dòng)化控制器,用于描述結(jié)合了PLC和PC功能的新一代工業(yè)控制器,。傳統(tǒng)的PLC廠商使用PAC的概念來描述他們的高端系統(tǒng),,而PC控制廠商則用來描述他們的工業(yè)化控制平臺(tái)。
“80-20” 法則
在PLC被開發(fā)出來的三十年里,,它經(jīng)過不斷地發(fā)展,,已經(jīng)能結(jié)合模擬I/O" title="I/O">I/O,,網(wǎng)絡(luò)通信以及采用新的編程標(biāo)準(zhǔn)如IEC 61131-3。然而,,工程師們只需利用數(shù)字I/O和少量的模擬I/O數(shù)以及簡(jiǎn)單的編程技巧就可開發(fā)出80%的工業(yè)應(yīng)用" title="工業(yè)應(yīng)用">工業(yè)應(yīng)用 ,。來自ARC、聯(lián)合開發(fā)公司(VDC)以及網(wǎng)上PLC培訓(xùn)資源PLC.net的專家估計(jì):
- 77%的PLC被用于小型應(yīng)用(低于128 I/O)
- 72%的PLC I/O是數(shù)字的
- 80%的PLC應(yīng)用可利用20條的梯形邏輯指令集來解決
由于采用傳統(tǒng)的工具可以解決80%的工業(yè)應(yīng)用,,這樣就強(qiáng)烈地需要有低成本簡(jiǎn)單的PLC,;從而促進(jìn)了低成本微型PLC的增長(zhǎng),它帶有用梯形邏輯編程的數(shù)字I/O,。然而,,這也在控制技術(shù)上造成了不連續(xù)性,一方面80%的應(yīng)用需要使用簡(jiǎn)單的低成本控制器,,而另一方面其它的20%應(yīng)用則超出了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)所能提供的功能,。工程師在開發(fā)這些20%的應(yīng)用需要有更高的循環(huán)速率,高級(jí)控制算法" title="控制算法">控制算法,,更多模擬功能以及能更好地和企業(yè)網(wǎng)絡(luò)集成,。
在八十和九十年代,那些要開發(fā)“20%應(yīng)用”的工程師們已考慮在工業(yè)控制中使用PC,。PC所提供的軟件功能可以執(zhí)行高級(jí)任務(wù),,提供豐富的圖形化編程和用戶環(huán)境,并且PC的COTS部件使控制工程師能把不斷發(fā)展的技術(shù)用于其它應(yīng)用,。這些技術(shù)包括浮點(diǎn)處理器,;高速I/O總線,如PCI和以太網(wǎng),;固定數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,;圖形化軟件開發(fā)工具。而且PC還能提供無比的靈活性,,高效的軟件以及高級(jí)的低成本硬件,。
然而,PC還不是非常適合用于控制應(yīng)用,。盡管許多工程師在集成高級(jí)功能時(shí)使用PC,,這些功能包括模擬控制和仿真、連接數(shù)據(jù)庫(kù),、網(wǎng)絡(luò)功能以及和第三方設(shè)備通信,,但是PLC仍然在控制領(lǐng)域中處于統(tǒng)治地位?;赑C控制的主要問題是標(biāo)準(zhǔn)PC并不是為嚴(yán)格的工業(yè)環(huán)境而設(shè)計(jì)的,。
PC主要面臨三大問題:
- 穩(wěn)定性:通常PC的通用操作系統(tǒng)不能提供用于控制足夠的穩(wěn)定性。安裝基于PC控制的設(shè)備會(huì)迫使處理系統(tǒng)崩潰和未預(yù)料到的重啟。
- 可靠性:由于PC帶有旋轉(zhuǎn)的磁性硬盤和非工業(yè)性牢固的部件,,如電源,,這使得它更容易出現(xiàn)故障。
- 不熟悉的編程環(huán)境:工廠操作人員需要具備在維護(hù)和排除故障時(shí)恢復(fù)系統(tǒng)的能力,。使用梯形邏輯,,他們可以手動(dòng)迫使線圈恢復(fù)到理想狀態(tài),并能快速修補(bǔ)受影響的代碼以快速恢復(fù)系統(tǒng),。然而,,PC系統(tǒng)需要操作人員學(xué)習(xí)新的更高級(jí)的工具。
因此那些要開發(fā)“20%應(yīng)用”的工程師們要么使用一個(gè)PLC無法輕松實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所需的功能,,要么采用既包含PLC又包含PC的混合系統(tǒng),他們利用PLC來執(zhí)行代碼的控制部分,,用PC來實(shí)現(xiàn)更高級(jí)的功能,。因而現(xiàn)在許多工廠車間使用PLC和PC相結(jié)合的系統(tǒng),利用系統(tǒng)中的PC進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄,,連接條碼掃描儀,,在數(shù)據(jù)庫(kù)中插入信息以及把數(shù)據(jù)發(fā)布到網(wǎng)上。采用這種方式建立系統(tǒng)的主要問題是該系統(tǒng)常常難以構(gòu)建,,排除故障和維護(hù),。系統(tǒng)工程師常常被要結(jié)合來自多個(gè)廠商軟硬件的工作所困擾,這是因?yàn)檫@些設(shè)備并不是為了能協(xié)同工作而設(shè)計(jì)的,。
構(gòu)建更好的控制器
由于沒有適合的PC或PLC解決方案,,那些需要開發(fā)復(fù)雜應(yīng)用的工程師就和控制廠商密切合作開發(fā)新的產(chǎn)品。他們需要新產(chǎn)品能結(jié)合PC的高級(jí)軟件功能和PLC的可靠性,。這些重要用戶為PLC和基于PC控制的公司提供了產(chǎn)品開發(fā)指導(dǎo)。
實(shí)現(xiàn)軟件的功能不僅需要有高級(jí)的軟件,,而且控制器的硬件功能也需要有所提高,。由于世界范圍內(nèi)對(duì)PC部件的需求在下降,所以許多半導(dǎo)體廠商開始為工業(yè)應(yīng)用重新設(shè)計(jì)他們的產(chǎn)品,。目前控制領(lǐng)域的廠商已開始在工業(yè)控制產(chǎn)品中使用工業(yè)化浮點(diǎn)處理器,、DRAM、固態(tài)存儲(chǔ)器如CompactFlash以及快速Ethernet芯片。這使得廠商能利用基于PC控制系統(tǒng)的靈活性和可用性來開發(fā)更為強(qiáng)大的軟件,,而且該P(yáng)C控制系統(tǒng)還可運(yùn)行實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)以保證可靠性,。
這種新的控制器是為解決“20%”的應(yīng)用問題而設(shè)計(jì)的,它結(jié)合了PLC和PC兩者的優(yōu)點(diǎn),。ARC的工業(yè)分析家把這種設(shè)備稱為可編程自動(dòng)化控制器,,即PAC。在ARC的“可編程邏輯控制器世界概覽”研究中,,他們給出了PAC的五個(gè)主要特性,。這些控制器特性是通過定義軟件的能力來實(shí)現(xiàn)其功能的。
- “多功能性,,在一個(gè)平臺(tái)上有邏輯,、運(yùn)動(dòng)、PID控制,、驅(qū)動(dòng)和處理中的至少兩種以上功能,。”除了為了實(shí)現(xiàn)特殊的協(xié)議如SERCOS要對(duì)I/O做一些改進(jìn),;而且軟件還能提供邏輯,、運(yùn)動(dòng)、處理和PID的功能,。例如,,運(yùn)動(dòng)控制作為軟件控制循環(huán),它能從正交編碼器上讀取數(shù)字輸入,,執(zhí)行模擬控制循環(huán)并輸出控制設(shè)備的模擬信號(hào),。
- “單一的多規(guī)程開發(fā)平臺(tái)使用通用標(biāo)簽和單一的數(shù)據(jù)庫(kù)來訪問所有的參數(shù)和功能?!庇捎赑AC是為更為高級(jí)的應(yīng)用如多功能而設(shè)計(jì)的,,他們需要更為高級(jí)的軟件。為了能高效地設(shè)計(jì)系統(tǒng),,軟件必須是單一的集成化軟件包,,而不是多種分離的軟件工具,這些軟件工具在工程上不能無縫地協(xié)同工作,。
- “通過結(jié)合IEC61131-3,,用戶向?qū)Ш蛿?shù)據(jù)管理,軟件工具能設(shè)計(jì)出在跨越多個(gè)機(jī)器和處理單元的處理流程,?!焙?jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的另一方面是具有高級(jí)的圖形化開發(fā)工具,利用該工具可以使工程師很輕松地把處理的概念轉(zhuǎn)變?yōu)槟軐?shí)際控制機(jī)器的代碼,。
- “開放的模塊化構(gòu)架能解決的工業(yè)應(yīng)用可從控制分布于工廠機(jī)器到加工車間的操作單元,?!庇捎谒械墓I(yè)應(yīng)用都需要有高度的定制特性,所以硬件必須是模塊化的以便工程師們可以選擇合適的部件,。而且,,軟件也必須能讓工程師增加和拆除模塊以設(shè)計(jì)出所需的系統(tǒng)。
- “采用已有的網(wǎng)絡(luò)接口標(biāo)準(zhǔn),,語(yǔ)言等,,如TCPIP,OPC&XML和SQL查詢語(yǔ)言,?!蹦芎推髽I(yè)的網(wǎng)絡(luò)通信對(duì)于現(xiàn)代化控制系統(tǒng)是非常關(guān)鍵的。盡管PAC包含有以太網(wǎng)接口,,但是為了要把設(shè)備和工廠其它系統(tǒng)無問題地集成在一起,,通信軟件是至關(guān)重要的。
兩種不同的軟件解決方案
一方面軟件是PAC和PLC主要的區(qū)別,,而另一方面廠商在提供高級(jí)軟件的方式上也有所不同,。通常他們以目前已有的控制軟件作為起點(diǎn),不斷增加PAC編程所需的功能,、可靠性和易用性,。一般說來,有兩種提供PAC軟件的方式:基于PLC控制的軟件和基于PC控制的軟件
基于PLC概念的軟件方案
傳統(tǒng)的PLC軟件廠商以可靠且易用的掃描式架構(gòu)軟件為起點(diǎn),,并逐漸增加新的功能,。PLC軟件根據(jù)通用模型而建立:輸入掃描,控制代碼運(yùn)行,,輸入更新,,以及常規(guī)功能執(zhí)行。由于輸入循環(huán),,輸出循環(huán)和常規(guī)循環(huán)都是隱藏的,,所以控制工程師只需關(guān)注控制代碼的設(shè)計(jì)。由于廠商已完成了大部分工作,,這種嚴(yán)格的控制架構(gòu)使得建立控制系統(tǒng)更為容易和快速,。這些系統(tǒng)的嚴(yán)格性也能讓控制工程師在開發(fā)可靠的程序時(shí)無需深入了解PLC的底層操作。然而,,作為PLC主要優(yōu)勢(shì)的這種嚴(yán)格的掃描式構(gòu)架也導(dǎo)致其靈活性的欠缺,。絕大多數(shù)PLC廠商通過在已有的掃描式架構(gòu)中增加新的功能來建立PAC軟件,這些新功能包括以太網(wǎng)通信,,運(yùn)動(dòng)控制和高級(jí)算法,。然而,通常他們會(huì)保留PLC熟悉的編程方式以及其在邏輯和控制方面固有的特點(diǎn),。因此這種PAC軟件通常是為了適合特殊類型應(yīng)用而設(shè)計(jì)的,如邏輯,運(yùn)動(dòng)和PID,,但是對(duì)于定制的應(yīng)用則缺乏靈活性,,如通信、數(shù)據(jù)記錄或定制的控制算法,。
基于PC概念的軟件方案
傳統(tǒng)PC軟件廠商以非常靈活的通用編程語(yǔ)言為起點(diǎn),,能提供對(duì)硬件的深層次訪問。該種軟件也具有可靠性,、確定性以及預(yù)設(shè)的控制架構(gòu),。盡管工程師能為PLC編程人員建立起掃描式構(gòu)架,但是它并不是基于PC的軟件所固有的,。這些使得PC軟件極為靈活,,非常適合那些需要高級(jí)的架構(gòu)、編程技巧或者系統(tǒng)級(jí)控制的復(fù)雜應(yīng)用,,但卻使本應(yīng)簡(jiǎn)單的應(yīng)用復(fù)雜化,。
這些廠商首先要能提供通用操作系統(tǒng)如Windows所不具備的可靠性和確定性。它們可以通過采用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)如來自Ardence的Phar Lap或Wind River的VxWorks來實(shí)現(xiàn),。這些RTOS能控制系統(tǒng)的各個(gè)層面,,從I/O讀寫速率到控制器上各個(gè)線程的優(yōu)先級(jí)。然后為了使工程師能更為容易地開發(fā)出可靠的控制程序,,廠商增加了抽象層和I/O讀寫架構(gòu),。因而這種靈活軟件非常適合于定制控制,數(shù)據(jù)記錄和通信,,但舍棄PLC編程架構(gòu)的代價(jià)是使程序的開發(fā)難度增加,。
NI已開發(fā)出能運(yùn)行LabVIEW程序的一系列PAC運(yùn)載平臺(tái)。LabVIEW已成為測(cè)試和測(cè)量軟件的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn),。它具有直觀的類似于流程圖的圖形化編程方式,,并通過易用的界面來提供高級(jí)編程語(yǔ)言所具備的所有功能。利用LabVIEW RT和LabVIEW FPGA,,我們能結(jié)合LabVIEW和實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)并直接下載到FPGA(現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列)平臺(tái)來提供可靠性和確定性,。
基于PAC的視覺和測(cè)量應(yīng)用
NI具有測(cè)量的行業(yè)背景,它通過引入高速測(cè)量和機(jī)器視覺使PAC超越了簡(jiǎn)單的I/O,。在許多工業(yè)應(yīng)用中需要高速采集測(cè)量結(jié)果以用于振動(dòng)或功率品質(zhì)分析,。采集到的數(shù)據(jù)用來監(jiān)測(cè)旋轉(zhuǎn)機(jī)械的狀態(tài),確定維護(hù)時(shí)間表,,識(shí)別電機(jī)的磨損程度以及調(diào)整控制算法,。工程師們通常使用專門的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)或獨(dú)立儀器來采集這些數(shù)據(jù)并利用通信總線把數(shù)據(jù)輸入到控制系統(tǒng)。而NI的PAC正可以以每秒百萬個(gè)采樣點(diǎn)的速率直接進(jìn)行高精度的測(cè)量,,并把數(shù)據(jù)直接傳送到控制系統(tǒng)來立即處理,。
工程師們也可以在他們的控制系統(tǒng)中使用視覺功能,。過去十年中視覺在自動(dòng)化領(lǐng)域已得到了迅猛地發(fā)展。在生產(chǎn)環(huán)境中,,有許多產(chǎn)品缺陷或錯(cuò)誤使用傳統(tǒng)的測(cè)量方法是很難識(shí)別出來的,,而通過視覺方式則能檢測(cè)。常見的應(yīng)用包括用于生產(chǎn)或裝配檢驗(yàn)的零件檢測(cè),,如檢查電路板上器件的位置是否正確,,識(shí)別光學(xué)字符(OCR)來檢查日期條碼或?qū)Ξa(chǎn)品進(jìn)行分類,以及進(jìn)行光學(xué)測(cè)量來找出產(chǎn)品的瑕疵或?qū)Ξa(chǎn)品按質(zhì)量等級(jí)進(jìn)行分類,。目前許多工廠采用獨(dú)立的智能攝像頭,,它要和生產(chǎn)處理控制器進(jìn)行通信。NI的PAC引入帶有邏輯和運(yùn)動(dòng)控制的視覺或是高速測(cè)量功能,,從而使得工程師們無需集成其他的硬件和軟件平臺(tái),。
PAC免除了對(duì)于專門硬件的需要
PAC代表著可編程控制器的最新技術(shù),它未來發(fā)展的關(guān)鍵取決于嵌入式技術(shù)的引入,。比如要能通過軟件來定義硬件,。電子廠商常使用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)這樣的電子器件來開發(fā)定制的芯片,它可以讓新設(shè)備智能化,。這些設(shè)備包含有能執(zhí)行多種功能的可配置邏輯塊,,連接這些功能塊的可編程交聯(lián)點(diǎn)以及為芯片輸入輸出數(shù)據(jù)的I/O塊。通過定義這些可配置邏輯塊的功能,,其彼此連接以及相應(yīng)的I/O,,電子設(shè)計(jì)人員即可以開發(fā)出定制的芯片,而不需要花錢來生產(chǎn)專門的ASIC,。FPGA如同有一個(gè)計(jì)算機(jī),,其內(nèi)部電路能被重新連接來運(yùn)行特定的應(yīng)用程序。
以前只有那些熟悉底層編程語(yǔ)言如VHDL的硬件設(shè)計(jì)人員才能利用FPGA技術(shù),。然而,,現(xiàn)在工程師們已可以用LabVIEW FPGA來開發(fā)出定制的控制算法并把它下載到FPGA芯片上。通過該特性工程師們可以使硬件具備實(shí)時(shí)的功能,,如限度和接近傳感器檢測(cè)和傳感器狀態(tài)監(jiān)控,。由于控制代碼直接在芯片上運(yùn)行,所以工程師們能快速開發(fā)采用定制的通信協(xié)議或高速循環(huán)的程序:數(shù)字控制循環(huán)速度可高達(dá)1 MHz,,模擬控制循環(huán)的速度可為200kHz,。
LabVIEW用于自動(dòng)化控制
由于LabVIEW (ni.com/china/labview)具有強(qiáng)大的功能和圖形化編程的易用性,基于LabVIEW的PAC 非常適合有如下要求的應(yīng)用:
- 圖形化 由于LabVIEW 編程天生引入圖形用戶界面,,您可以為控制系統(tǒng)提供圖形化人機(jī)界面,。
- 測(cè)量(高速數(shù)據(jù)采集,視覺和運(yùn)動(dòng)),。NI在包括視覺采集的高速I/O方面有著長(zhǎng)期經(jīng)驗(yàn),,因此您可以在您的標(biāo)準(zhǔn)控制系統(tǒng)中使用振動(dòng)或機(jī)器視覺等功能,。
- 處理能力: 在某些應(yīng)用中,您需要有專門的控制算法,、高級(jí)的信號(hào)處理或數(shù)據(jù)記錄,。使用LabVIEW,您可以用NI或第三方的工具來建立定制的控制代碼,,實(shí)現(xiàn)如JTFA的信號(hào)處理,或本地及遠(yuǎn)程記錄數(shù)據(jù),。
- 平臺(tái): 利用 LabVIEW,,您能開發(fā)出用于各種平臺(tái)的代碼,這些平臺(tái)包括PC,,嵌入式控制器,,F(xiàn)PGA芯片或手持式PDA。
- 通信 :利用LabVIEW的數(shù)據(jù)庫(kù)連接,,OPC和基于網(wǎng)絡(luò)瀏覽器的操作界面,,您能很容易地把數(shù)據(jù)傳送到企業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)中。
NI PAC系統(tǒng)
NI提供五種基于LabVIEW的PAC平臺(tái),。
PXI是由多個(gè)廠商制定的基于CompactPCI架構(gòu)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化PAC硬件平臺(tái),,它能提供模塊化、緊湊而堅(jiān)固的工業(yè)化系統(tǒng),。PXI系統(tǒng)的嵌入式控制器內(nèi)置上GHz的高性能處理器,。您可以選用來自NI或第三方廠商的PXI和CompactPCI模塊。PXI能提供最為廣泛的I/O,,包括有1000 V的隔離式模擬輸入,,高容量數(shù)字I/O,用于機(jī)器視覺的模擬/數(shù)字幀抓取器,,聯(lián)合多軸運(yùn)動(dòng)模塊,。PXI模塊的前端都配置有方便電纜連接的接口。PXI平臺(tái)提供全面的測(cè)量模塊,,以及包括CAN,,DeviceNET,RS-232,,RS-485,,Modbus和Foundation Fieldbus的廣泛連接性。
Compact FieldPoint產(chǎn)品系列包括有可熱抽換的模擬和數(shù)字I/O模塊和控制器,,并帶有以太網(wǎng)和串行總線接口,。其中I/O模塊能直接連接熱電偶、RTD,、應(yīng)力計(jì),、4-20 mA傳感器,、5-30 V的直流信號(hào)以及0-250 V的交流信號(hào)。Compact FieldPoint網(wǎng)絡(luò)通信接口能自動(dòng)通過以太網(wǎng)絡(luò)傳送數(shù)據(jù),。您也可以以讀寫本地I/O的方式來讀寫經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膸子⒗镏獾腎/O,。由于軟件的接口非常簡(jiǎn)單,您可以快速地建立和編寫Compact FieldPoint應(yīng)用程序,,但又不失復(fù)雜控制,,數(shù)據(jù)記錄和通信的強(qiáng)大功能。
Compact Vision System整合了高性能Intel處理器,、FPGA,,數(shù)字I/O和三個(gè)1394端口。這種PAC天生就可以通過FireWire(IEEE1394)技術(shù)在控制應(yīng)用中使用視覺功能,,并兼容80多種工業(yè)攝像頭,。利用CVS上的可重復(fù)配置FPGA和數(shù)字I/O通路,您也可以進(jìn)行低通道數(shù)的數(shù)字和步進(jìn)電機(jī)控制,。當(dāng)使用LabVIEW編程時(shí),,您還能配置該系統(tǒng)以得到高性能的視覺以及高速的數(shù)字控制和步進(jìn)電機(jī)控制。
CompactRIO是基于FPGA的可重復(fù)配置控制和采集系統(tǒng),,它是為需要高度定制和高速控制的應(yīng)用而設(shè)計(jì)的,。該架構(gòu)采用實(shí)時(shí)嵌入式處理器,并結(jié)合可重復(fù)配置I/O(RIO)的FPGA內(nèi)核來實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的算法和定制的計(jì)算,。CompactRIO平臺(tái)可使用多達(dá)八個(gè)模擬或數(shù)字I/O模塊,。這些模塊可由NI或其它廠商提供。CompactRIO平臺(tái)非常適合如機(jī)器控制這樣的復(fù)雜和高速應(yīng)用,,并且,,對(duì)于那些通常需要開發(fā)專門的硬件的應(yīng)用,結(jié)合了FPGA的這種系統(tǒng)也是非常好的選擇,。
標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)計(jì)算機(jī)也可以使用NI所提供的廣泛的PCI模塊,。這些插入式板卡包含有為模擬和數(shù)字I/O,運(yùn)動(dòng)控制和機(jī)器視覺而設(shè)計(jì)的硬件,。要得到確定性,、實(shí)時(shí)的性能,可結(jié)合PCI硬件和運(yùn)行于基于PC的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)上的LabVIEW來實(shí)現(xiàn),。LabVIEW RT可被加載到絕大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)PC上,,從而能提供用于工業(yè)測(cè)量和控制的低成本平臺(tái)。
由于NI能提供廣泛的測(cè)量和控制平臺(tái),,這使得PAC可用于幾乎所有的應(yīng)用,。您可以使用網(wǎng)上的評(píng)估版進(jìn)行編程以了解有關(guān)LabVIEW的更多信息,或致電 (800) 820-3622或021-65557838向NI工程師了解更多有關(guān)PAC產(chǎn)品與技術(shù)信息。
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