拥有PC功能和PLC可靠性的新兴PAC

1、 开发可编程自动控制器(PAC)是发展的必然
    10多年前当Internet处于起步阶段，基于PC的仪器还没有出现，那时PLC

占领了整个自动化领域。即使是今天，那些使用数字I/O进行简单控制的工程师虽然感到PLC是他们最好的选择。但如果考虑到要使PLC增加视觉、运动、仪器和分析功能等全方位的自动化领域，那只有新一代可编程自动控制器(PAC -Programmable Automation Controlle)才有可能会逐渐占领。这是当今设计与建立控制系统发展的需要。

    那“PAC是什么？” 它有什么特征和优势， 值此本文将从PAC的多个方面特征与PLC对比中分折出优势。为此，先述PAC是什么。

    PAC的含义

    PAC这一术语，它定义了一种新类型的控制器。该控制器结合了PC的处理器、RAM和软件的优势，以及PLC固有的可靠性、坚固性和分布特性。PAC采用现有的商业化技术(COTS)，非常适合于工业化环境，它具有可伸缩性，易于维护和具有较低的发生故障时间等特性。

    2、 PAC的平台

    快速增长的PAC平台是基于PXI。由于PXI结合了PCI总线的电路特性和Compact PCI坚固的欧罗卡机械结构，这种结构已在工业环境中成功使用了许多年，当今NI，Chroma，LeCroy和JTAG等供应商现在可提供1，000多种独特的I/O模块，包括模拟I/O、数字I/O、视觉、运动和高精度数据采集。典型的有如下四种PAC硬件平台。
 
    *PXl对工业化PC做了改善，具有实时OS(操作系统)，标准的散热，可选的不旋转固态硬盘和内置的模块间同步。PXl标准要求所有的机箱能为每个模块插槽提供25W的空气流制冷，这样甚至在使用高功率继电器，高速PXl或CompactPCI卡时也不会使工作系统过热或者缩短寿命。

    *Compact FieldPoint使用工业级的部件来抗强冲击和振动，其工作温度范围为-40ºC到70ºC，并且具有Class 1 Division 11部和Lloyd's认证。它也采用传导式制冷来代替旋转风扇，由于不使用活动部件而提高了可靠性。

    *Compact Vision系统是为机器视觉而专门设计的坚固的控制器。它使用IEEE标准1394FireWire接口，可以在视觉应用中和16台摄像机通信。

    *CompactRIO是新型的可重复设置的嵌入式系统，它基于LabVlEWFPGA和LabVlEW实时技术。CompactRIO系统采用具有3百万门的FPGA芯片来控制模块化的数字和模拟I/O。这些FPGA芯片可以运行嵌入在芯片里的代码，它的数字循环的速率高达1MHz，模拟循环的速率为150kHz。FPGA可以把信息传回到运行LabVlEWRT的浮点处理器以进行高级计算和数据记录和通信。由于有金属外壳和传导式制冷，该控制器非常适合用于严酷的环境。
 
    3、PAC优于PLC的多种原因分析。
    之所以PAC优于PLC，将从成本，高级功能，外形结构，控制器，I／O和软件等六个方面的特征作分析。
 
    3.1成本-最为经济的选择
    采用了单一的控制器节省了成本。它具有单一的控制器和机箱，可用于处理数字和模拟I/O，具有运动、视觉功能和模块化仪器，因此不再需要花钱购买多个控制器。正因为如此，如果需要控制系统具有多种功能，如视觉或模块化仪器，那么采用PAC将是最为经济的选择。

    3。2有多功能实时控制的高级功能
    *过程控制进行优化的高级控制

    由于能源或材料的成本很高的，对过程控制来说，工程师往往要对PID控制算法要进行优化，以最大程度地减少浪费。这些算法常常采用如模糊逻辑或神经网络等控制设计技术，从而可以最大限度地降低过程控制的稳定时间。传统的PLC所能实现的PID控制算法并没有为特定的过程控制进行优化，若采用高级的控制算法不仅需要强大的浮点处理器，而且还要占用大量的内存，但若使用PAC平台则可以满足过程控制进行优化的要求。

    *监控的实时分析
    对机器运行进行监控的系统中，需要实时采集来自模拟或数字I/O通道的数据，从而能有效地检测故障状态。则可能需要进行实时的阶次跟踪和振动分析等复杂工作才能有效地检测机器的状况。然而对于这些应用，则可以使用PAC的高效平台来进行实时地分析工作。

    *控制系统与数据库和网络连接

    利用来自厂房内的实时数据，操作人员可以在控制室内根据所得的信息制定决策。然而，要使控制系统具有输出现场数据的功能是很困难的。企业系统一般采用标准的ODBC，ADO和XML以获得来自自动化系统的数据。PLC

只能通过标准的OPC进行通信，这意味着需要增加一台PC来采用OPC获取数据并使用如ODBC(开放数据厍互连)、ADO(数据自动化设计)和XML(可扩充描述语言)这样的标准把数据传送给企业。为了能有效地把现场数据传送到ERP系统中，控制系统必须能直接和外部数据库通信，据此，完全可以使用PAC来完成这些工作。

    *网络传送数据对数据加密
    在把控制系统与数据库和网络连接时，是需要考虑安全问题的。出于安全的利益，许多厂商选择不把自动化系统和企业数据库相连，但是对于大多数厂商而言，连接所带来的好处要远大于安全方面的顾虑。尽管可以对PLC加锁来防止他人入侵工厂的网络，但是由于PLC通过以太网发送非加密包，所以它并不适合用于防止黑客入侵。PAC在通过网络传送数据时，可以对数据加密。尽管目前这还不是需要考虑的第一因素，但是在将来它将是厂房内分布式系统采用PAC的主要原因。

    *多种速度与多个循环的确定性应用
    PLC只能以固定的速度运行，而且它并不是为能以不同循环速率独立进行处理所设计的。但如今，复杂的控制系统中常需要多种速率的确定性应用，它需要有多个循环，每个循环以不同的速率运行。这就要求能进行并行处理，而只有在PAC上运行的操作系统才具有这样的特性。

    3。3灵活坚固的结构
    *适合于工厂环境
    选择PLC的一个常见原因是它能在工厂的环境下正常工作。然而，绝大部分PLC是安装在向列箱内。然而在这样的环境里，PXI平台附加的冷却装置，坚固的外表面和增强的抗冲击和振动指标都使系统具有和PLC相同的可靠性。

    *很强的扩展功能
    工程师很希望使用柔性的自动化系统来满足不断更新的要求，所以他们需要控制系统具有模块化、灵活性和伸缩性。PLC系统由于受到了I／O的限制，只能在数字和运动方面具有伸缩性，而PAC不仅具有PLC的伸缩性，而且您还可以在系统上增加视觉，模块化仪器或高速模拟I／O。也可以通过以太网来使用多个PC并根据需要增加或减少PC的数目。

    *更新或更换模块方便
    对于现场工程师而言，最大限度地减小故障时间是非常重要的。在对控制系统进行更新或更换I/O模块时，需要能最大程度地减少更换或增加模块的工作量。PAC的模块化特性满足这方面的要求。

    3.4控制器
    *具备Pentium4处理器与G字节容量的RAM
    由于采用了现有的硬件来构建基于PAC的系统，所以PAC控制器可使用Pentium4处理器并具备G字节容量的RAM，这样可满足对机器高速状态进行监控时需要高速的处理器和大容量内存的要求。

    *信息存储功能
    PAC则可以根据指定的时间、方式和数据格式来记录数据。如果无法保存和查看历史信息，那么信息还有什么用呢？而PLC传统上就缺乏数据记录的功能。

    *数字I/O可以提供24V的电压，高达500mA的驱动电流和光学隔离
    传统上，PLC平台的数字I/O只能为工业传感器和激励器提供标准的电压驱动电流。然而，新的如N1 651x系列模块的数字I/O则可以提供24V的电压，高达500mA的驱动电流和光学隔离，并且它还具有看门狗定时器，可编程电源启动状态，用于提高安全性和可靠性的输入滤波器等特性，而成本只有每通道5美元。

    *模拟输入速率可高达每秒200M
    目前某些PLC也具有模拟I/O模块，但是它们的编程十分复杂而且不适合用于高分辨率和大数据量的应用。而PAC所提供的模拟输入速率可高达每秒200M并具有24位的分辨率，这主要由于PCI总线技术速度快的原因，故可采用基于PC平台来提供模拟I/O。

    *高达8轴的运动方式
    在各种平台中，特别是当您需要高于两轴运动方式时，软件起着主要的作用。在PXI平台上的运动控制器可以提供高达8轴的运动方式，而且可以使用NI运动助手对系统进行轻松地配置。

    *视觉应用
    数据传输速率是在PLC平台上提供视觉功能的最大障碍。目前，无论是要自动监测零件还是检验药品的包装，都可以在PXI平台上使用用于视觉应用的模拟、数字和FireWire摄像机。可以在控制程序中集成多种视觉算法，如模式匹配，光学字符识别，颜色匹配，规格和颜色检测。

    *通过各种工业化的现场总线提供互联
    和PLC类似，PAC可以通过各种工业化的现场总线提供互联，如FOUNDATION  Fietdbus，DeviceNet，CAN，Modbus，Ethernet，Profibus，串口等。PAC不仅能作为分布式I／O模块的主控设备，而且也可以作为从属设备添加到已有系统中。

    3。5软件
    *实时操作系统
    在PAC平台上可以使用如RTLinux，PharlapETS，QNX和VxWorks这些实时的操作系统(RTOS)。一般来讲，实时系统的编程很困难，但是使用如LabVIEW RT这样的软件可以改变工程师开发实时系统的方式

。现在工程师可以把Windows上开发的程序下载到实时运载平台上，如PXl控制器。

    *HMI(人机接口)的图像显示
    特别是在混杂和过程控制工业中，大多数控制系统需要一个能连接控制系统的人机界面。一个HMI(人机接口)由一个触摸屏组成，它可以包含一个嵌入式控制器也可以没有。由于基于PAC的系统考虑到了用于I/O的相同控制器的使用，所以也就不需要添加额外的嵌入式控制器来实现HMI的图像显示。

    *容易的开发环境
    虽然传统的梯形逻辑编程非常适合于数字I/O的编程，然而对于处理模拟I/O、运动或视觉这种编程方式则十分麻烦。PAC可以用通用的语言编写控制程序，为您提供了很大的灵活性，这些通用语言包括C，C++，VisuaI Basic，LabVIEW甚至是传统的梯形逻辑。

    4、从上看出PAC与PLC功能之差异，其PAC可执行较多的高级任务:
    *实时的振动分析、图像处理．运动控制和CAN；

    *执行自动调节的PID控制，或可调增益的PID控制．模糊逻辑；

    *使用内置Web服务器、FTP服务器和e-mail功能进行通讯。

    5、结束语
    PAC是新一代PLC，其优势可概括PAC有五大特点：

    *多种功能，在一个平台上至少有两个逻辑，运动，PID控制，驱动和处理功能；

    *单一的多规程功能开发平台，采用通用的标记和单个数据库来访问所有的参数和功能；

    *软件工具允许通过多台机器或处理单元处理流程来进行设计，可以结合IEC 61131—3，用户手册和数据管理；

    *开放的模块化结构，反映了从工厂机器布置到加工车间中单元操作的工业应用；

    *采用实际标准的网络接口、语言等，如TOP／IP，OPC，XML和SQL查询。

    由于PAC能为您增加所需的PC功能以用于高级控制，实时分析或连接企业数据库，而且同时保持了PLC的可靠性。如果您不只是需要集成数字I/O和运动控制，或者需要更快的计算机处理能力的话，PAC可能是非常好的选择。为此，当今的工程师除了PLC控制外，其PAC不失为是一种最佳选择，它正占领自动化领域。而PAC概念将在当今和未来的工厂自动化中发挥重要的作用。