PLC到PAC：該如何改進(jìn)工控系統(tǒng)？

在過去的幾十年里，可編程邏輯控制器（PLC）一直被廣泛用于自動化領(lǐng)域，而在可預(yù)知的未來，PLC仍將長盛不衰。面向離散控制而設(shè)計PLC的實際上已經(jīng)成為工業(yè)領(lǐng)域一個具有偉大意義的統(tǒng)治性工具。

然而，隨著工業(yè)用機器和工廠系統(tǒng)的復(fù)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化任務(wù)。現(xiàn)在的自動化系統(tǒng)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化系統(tǒng)中集成更多更先進(jìn)的I/O、處理和控制策略。

新的可編程自動化控制器（PAC）硬件系統(tǒng)就是這樣一個非凡的PLC系統(tǒng)擴展方案，能夠很容易整合到PLC系統(tǒng)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。

如何提高機器的效率？讓我們來看看IntegratedIndustrialSystems（I2S）公司是如何做的？

I2S在現(xiàn)有的PLC系統(tǒng)上實現(xiàn)極大的改進(jìn)。這是一個來自美國的私有原始設(shè)備制造商，數(shù)十年以來一直致力于制造一流的軋制設(shè)備和控制系統(tǒng)，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)長期使用PLC來自動化和控制生產(chǎn)的軋制設(shè)備。最近幾年他們一直在試圖更新軋制設(shè)備控制系統(tǒng)，以提高效率和質(zhì)量。為了提高煉鋼設(shè)備的效率和質(zhì)量，他們主要對其伽馬測量系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，以便能更準(zhǔn)確地控制金屬厚度。

數(shù)年以來，伽馬測量系統(tǒng)一直是I2S產(chǎn)品家族中的標(biāo)志性產(chǎn)品，現(xiàn)在依然廣受歡迎，但是系統(tǒng)的很多硬件和軟件特征都已經(jīng)過時了。為了更新該系統(tǒng)并改進(jìn)其機器，I2S公司需要一個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，實現(xiàn)高度精確的厚度測量，再由PLC使用在軋制機器的控制系統(tǒng)中。

伽馬測量儀使用“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(jié)構(gòu)的頂部是一個接收器和前置放大器。當(dāng)通過發(fā)射源和接收器之間的間隔時，金屬帶會吸收一部分輻射，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(zhuǎn)化成帶厚度測量。

實施改造第一步：現(xiàn)有設(shè)備試驗

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

因此，他們需要這么一個系統(tǒng)，這個系統(tǒng)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，并能將這個厚度測量插入到PLC控制系統(tǒng)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(xiàn)有設(shè)備無法奏效，就試試其它方法

在認(rèn)識到PLC無法提供連接伽馬測量傳感器所需的I/O和處理后，轉(zhuǎn)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是一個可重置嵌入式系統(tǒng)，既結(jié)合了傳統(tǒng)PLC的優(yōu)點和可靠性，又能提供更多高級I/O和處理。國家儀器的所有PAC都可以通過其LabVIEW圖形編程工具來編程，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有一個嵌入式現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）芯片和實時處理器，可通過內(nèi)置的LabVIEW功能塊來編程。另外，它還擁有超過30個模擬和數(shù)字I/O模塊，具有內(nèi)置信號調(diào)節(jié)（反鋸齒、隔離、ADC、DAC等）、高速計時（模擬I/O速度達(dá)到800kHz，數(shù)字I/O速度達(dá)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(gòu)

使用CompactRIO模擬輸入模塊來連接伽馬級厚度傳感器，以提供精確測量所需的高速計時和分辨率。由于每個I/O模塊都是直接和FPGA相連的，工程師們于是能使用LabVIEWFPGA來輕松自定義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(shù)據(jù)之后，CompactRIO使用內(nèi)置的NILabVIEW實時浮點功能塊來在實時處理器中對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將之轉(zhuǎn)化成精確的厚度測量。

LabVIEW的實時功能塊對數(shù)據(jù)進(jìn)行確定的高級對數(shù)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(nèi)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(tǒng)在FPGA和實時處理器中進(jìn)行所有的I/O和信號處理，并將高精確度厚度測量傳輸?shù)较噙B的PLC上，又不會降低現(xiàn)有PLC控制系統(tǒng)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

每個軋制機器都帶有三個形成網(wǎng)絡(luò)的CompactRIO系統(tǒng)。這三個系統(tǒng)都是智能節(jié)點，能利用一個工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Modbus/TCP、TCP/IP或UDP協(xié)議進(jìn)行通信。其中有兩個系統(tǒng)與伽馬級傳感器連接，并進(jìn)行模擬輸入測量和高級處理，來計算精確厚度測量值。

▲圖2典型系統(tǒng)拓?fù)?/p>

第三個CompactRIO系統(tǒng)則從另外兩個系統(tǒng)中取得厚度值，并轉(zhuǎn)換成模擬輸出測量值，輸入到正在控制軋制機器的PLC上。所有三個系統(tǒng)都通過以太網(wǎng)連接實現(xiàn)了互連，并使用一個UDP以太網(wǎng)信息協(xié)議來傳輸厚度測量值計算。

將PAC連接到現(xiàn)有PLC架構(gòu)上有三個基本方法：

1.基本模擬和數(shù)字I/O.模擬/數(shù)字信號能夠從PAC輸出到PLC中。這是將PAC整合到PLC的一個最基本的方法。I2S公司就是運用這種方法來將處理過的數(shù)據(jù)從CompactRIOPAC傳輸?shù)竭\行軋制機器控制系統(tǒng)的PLC上的。

2.工業(yè)網(wǎng)絡(luò)。大多數(shù)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上時有很多網(wǎng)絡(luò)選擇。I2S公司運用的是以太網(wǎng)協(xié)議來在CompactRIOPAC之間傳輸數(shù)據(jù)，并將PAC和PLC連接到形成網(wǎng)絡(luò)的HMI.

3.OPCConnectivityPAC還可以作為OPC客戶端或者服務(wù)器，并通過OPC標(biāo)簽來收發(fā)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)到PLC或其它PAC上。OPC標(biāo)準(zhǔn)提供了一套標(biāo)準(zhǔn)的流程，讓不同廠商的自動化系統(tǒng)之間可以很容易實現(xiàn)連接。

處理過的數(shù)據(jù)會以不到20毫秒的間隔在通過以太網(wǎng)互連的CompactRIO系統(tǒng)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(tǒng)的過程絲毫不會降低整個系統(tǒng)的速度。

通過基于LAN的CompactRIO系統(tǒng)和10/100Mbps以太網(wǎng)接口將系統(tǒng)連接到形成網(wǎng)絡(luò)的AllenBradleyPLC，并利用一個標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP協(xié)議將之連接到人機接口（HMI）系統(tǒng)。軋制機器中的所有儀器都通過以太網(wǎng)實現(xiàn)了連接，因此不需要在一個電器噪音嘈雜的環(huán)境下長距離地傳輸模擬信號了。

在未來的幾年，PLC仍將繼續(xù)用于自動化領(lǐng)域。但是隨著機器的改進(jìn)和自動化效率提高的需求，PLC不再是萬能的。PAC技術(shù)給PLC提供了很好的補充，增加了傳統(tǒng)PLC所不能提供的高性能I/O和處理。將PAC連接到現(xiàn)有PLC架構(gòu)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的自動化系統(tǒng)。