由PLC到PAC：該如何改進(jìn)您的系統？

　　在過(guò)去的幾十年里，可編程邏輯控制器(PLC)一直被廣泛用于自動(dòng)化領(lǐng)域，而在可預知的未來(lái)，PLC仍將長(cháng)盛不衰。面向離散控制而設計PLC的實(shí)際上已經(jīng)成為工業(yè)領(lǐng)域一個(gè)具有偉大意義的統治性工具。

　　然而，隨著(zhù)工業(yè)用機器和工廠(chǎng)系統的復雜性的增加，PLC已經(jīng)很難而且也不可能成為完成所有自動(dòng)化任務(wù)?，F在的自動(dòng)化系統已經(jīng)超越了PLC的功能范圍，使得工業(yè)機器領(lǐng)域的工程師必須在自動(dòng)化系統中集成更多更先進(jìn)的I/O、處理和控制策略。

　　新的可編程自動(dòng)化控制器(PAC)硬件系統就是這樣一個(gè)非凡的PLC系統擴展方案，能夠很容易整合到PLC系統中，給工業(yè)機器增加更多的先進(jìn)功能，并提高機器的效率。

　　1、需求：如何提高機器的效率

　　如何提高機器的效率?讓我們來(lái)看看IntegratedIndustrialSystems(I2S)公司是如何做的。I2S在現有的PLC系統上實(shí)現極大的改進(jìn)。這是一個(gè)來(lái)自美國的私有原始設備制造商，數十年以來(lái)一直致力于制造一流的軋制設備和控制系統，用于全世界的鐵和非鐵金屬行業(yè)。在這一領(lǐng)域的雄厚技術(shù)底蘊使之成為行業(yè)的領(lǐng)袖。

　　I2S也曾經(jīng)長(cháng)期使用PLC來(lái)自動(dòng)化和

　　控制生產(chǎn)的軋制設備。最近幾年他們一直在試圖更新軋制設備控制系統，以提高效率和質(zhì)量。為了提高煉鋼設備的效率和質(zhì)量，他們主要對其伽馬測量系統進(jìn)行了改進(jìn)，以便能更準確地控制金屬厚度。

　　數年以來(lái)，伽馬測量系統一直是I2S產(chǎn)品家族中的標志性產(chǎn)品，現在依然廣受歡迎，但是系統的很多硬件和軟件特征都已經(jīng)過(guò)時(shí)了。為了更新該系統并改進(jìn)其機器，I2S公司需要一個(gè)具有更精確的模擬輸入分辨率的方案，以連接伽馬測量傳感器和高級信號處理，從而從傳感器中獲取模擬信號，實(shí)現高度精確的厚度測量，再由PLC使用在軋制機器的控制系統中。

　　2、伽馬測量?jì)x技術(shù)

　　伽馬測量?jì)x使用“镅”作為恒發(fā)射源，這一發(fā)射源位于“C”框架組裝的較低部。結構的頂部是一個(gè)接收器和前置放大器。當通過(guò)發(fā)射源和接收器之間的間隔時(shí)，金屬帶會(huì )吸收一部分輻射，吸收量視其厚度和密度而定。剩下的一部分就由接收器進(jìn)行測量，并轉化成帶厚度測量。

　　實(shí)施改造第一步：現有設備試驗

　　為了節省時(shí)間和費用，I2S先試著(zhù)在已有的PLC系統中進(jìn)行高級模擬測量和處理。但是，PLC的模擬I/O和信號處理無(wú)法達到所需的精確度。I2S公司要確保運行于PLC中的控制系統不會(huì )因為額外I/O和處理的增加而減少。

　　因此，他們需要這么一個(gè)系統，這個(gè)系統能夠從伽馬傳感器中獲取模擬信號并進(jìn)行處理以計算精確的厚度測量值，并能將這個(gè)厚度測量插入到PLC控制系統中。但是，所用的PLC不適合高性能處理和高速模擬I/O。

　　第二步：如果現有設備無(wú)法奏效，就試試其它方法

　　在認識到PLC無(wú)法提供連接伽馬測量傳感器所需的I/O和處理后，I2S轉向了PAC技術(shù)。它選擇了國家儀器的CompactRIOPAC，以提供改進(jìn)軋制機器質(zhì)量所必須的附加功能。CompactRI/O是一個(gè)可重置嵌入式系統，既結合了傳統PLC的優(yōu)點(diǎn)和可靠性，又能提供更多高級I/O和處理。國家儀器的所有PAC都可以通過(guò)其LabVIEW圖形編程工具來(lái)編程，因此可以很容易進(jìn)行編程和配置。

　　第三步：添加高級I/O

　　CompactRIO有一個(gè)嵌入式現場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)芯片和實(shí)時(shí)處理器，可通過(guò)內置的LabVIEW功能塊來(lái)編程。另外，它還擁有超過(guò)30個(gè)模擬和數字I/O模塊，具有內置信號調節(反鋸齒、隔離、ADC、DAC等)、高速計時(shí)(模擬I/O速度達到800kHz，數字I/O速度達到30MHz)和高分辨率(24bADC)，可與任何工業(yè)傳感器或者觸發(fā)器連接。

　　圖1CompactRI/O架構

　　I2S使用CompactRIO模擬輸入模塊來(lái)連接伽馬級厚度傳感器，以提供精確測量所需的高速計時(shí)和分辨率。由于每個(gè)I/O模塊都是直接和FPGA相連的，工程師們于是能使用LabVIEWFPGA來(lái)輕松自定義CompactRIO的模擬I/O速率。

　　第四步：添加高級處理

　　從伽馬傳感器獲得模擬數據之后，CompactRIO使用內置的NILabVIEW實(shí)時(shí)浮點(diǎn)功能塊來(lái)在實(shí)時(shí)處理器中對數據進(jìn)行處理，并將之轉化成精確的厚度測量。

　　LabVIEW的實(shí)時(shí)功能塊對數據進(jìn)行確定的高級對數處理(如下面的等式1和等式2所示)，以進(jìn)行計算厚度測量值。由于LabVIEWReal-Time具有內置計算和分析功能，PAC能夠很容易進(jìn)行這一操作。

　　等式1：logI=(logI0)y/μ=(y/μ)logI0

　　等式2:y/μ=logI0/logI=log(I0-I)

　　CompactRIO系統在FPGA和實(shí)時(shí)處理器中進(jìn)行所有的I/O和信號處理，并將高精確度厚度測量傳輸到相連的PLC上，又不會(huì )降低現有PLC控制系統的速率。借助于CompactRIO的性能，I2S的工程師可以為伽馬級傳感器添加這一自定義測量和分析功能，而不需要犧牲軋制機器的控制速度。

　　第五步：整合PAC

　　每個(gè)軋制機器都帶有三個(gè)形成網(wǎng)絡(luò )的CompactRIO系統。這三個(gè)系統都是智能節點(diǎn)，能利用一個(gè)工業(yè)標準Modbus/TCP、TCP/IP或UDP協(xié)議進(jìn)行通信。其中有兩個(gè)系統與伽馬級傳感器連接，并進(jìn)行模擬輸入測量和高級處理，來(lái)計算精確厚度測量值。

　　圖2典型系統拓撲

　　第三個(gè)CompactRIO系統則從另外兩個(gè)系統中取得厚度值，并轉換成模擬輸出測量值，輸入到正在控制軋制機器的PLC上。所有三個(gè)系統都通過(guò)以太網(wǎng)連接實(shí)現了互連，并使用一個(gè)UDP以太網(wǎng)信息協(xié)議來(lái)傳輸厚度測量值計算。將PAC連接到現有PLC架構上有三個(gè)基本方法：

　　1.基本模擬和數字I/O。模擬/數字信號能夠從PAC輸出到PLC中。這是將PAC整合到PLC的一個(gè)最基本的方法。I2S公

　　司就是運用這種方法來(lái)將處理過(guò)的數據從CompactRIOPAC傳輸到運行軋制機器控制系統的PLC上的。

　　2.工業(yè)網(wǎng)絡(luò )。大多數PAC產(chǎn)品都支持工業(yè)協(xié)議，如DeviceNet、Profibus、CANopen以及基于以太網(wǎng)的協(xié)議如TCP/IP、UDP和ModbusTCP/IP。這使得工程師在連接PAC到PLC上時(shí)有很多網(wǎng)絡(luò )選擇。I2S公司運用的是以太網(wǎng)協(xié)議來(lái)在CompactRIOPAC之間傳輸數據，并將PAC和PLC連接到形成網(wǎng)絡(luò )的HMI。

　　3.OPCConnectivityPAC還可以作為OPC客戶(hù)端或者服務(wù)器，并通過(guò)OPC標簽來(lái)收發(fā)網(wǎng)絡(luò )數據到PLC或其它PAC上。OPC標準提供了一套標準的流程，讓不同廠(chǎng)商的自動(dòng)化系統之間可以很容易實(shí)現連接。

　　處理過(guò)的數據會(huì )以不到20毫秒的間隔在通過(guò)以太網(wǎng)互連的CompactRIO系統之間傳輸。CompactRIO測量值的獲得、處理和傳輸速度都很快，因此，將精確厚度測量值鍵入到PLC控制系統的過(guò)程絲毫不會(huì )降低整個(gè)系統的速度。

　　I2S公司可以很容易通過(guò)基于LAN的CompactRIO系統和10/100Mbps以太網(wǎng)接口將系統連接到形成網(wǎng)絡(luò )的AllenBradleyPLC，并利用一個(gè)標準的TCP/IP協(xié)議將之連接到人機接口(HMI)系統。軋制機器中的所有儀器都通過(guò)以太網(wǎng)實(shí)現了連接，因此不需要在一個(gè)電器噪音嘈雜的環(huán)境下長(cháng)距離地傳輸模擬信號了。

　　3、總結

　　在未來(lái)的幾年，PLC仍將繼續用于自動(dòng)化領(lǐng)域。但是隨著(zhù)機器的改進(jìn)和自動(dòng)化效率提高的需求，PLC不再是萬(wàn)能的。PAC技術(shù)給PLC提供了很好的補充，增加了傳統PLC所不能提供的高性能I/O和處理。將PAC連接到現有PLC架構中的方法有很多，所以工程師們將能夠很容易地改進(jìn)其基于PLC的自動(dòng)化系統。