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(yù)知的未來(lái)，PLC仍將長(zhǎng)盛不衰。面向離散控制而設(shè)計(jì)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(tǒng)治性工具。
然而，隨著工業(yè)用機(jī)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(dòng)化任務(wù)。現(xiàn)在的自動(dòng)化系統(tǒng)已經(jīng)超越了PLC的功能范圍，使得工業(yè)機(jī)器領(lǐng)域的工程師必須在自動(dòng)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(dòng)化控制器（PAC）硬件系統(tǒng)就是這樣一個(gè)非凡的PLC系統(tǒng)擴(kuò)展方案，能夠很容易整合到PLC系統(tǒng)中，給工業(yè)機(jī)器增加更多的先進(jìn)功能，并提高機(jī)器的效率。
1、需求：如何提高機(jī)器的效率
如何提高機(jī)器的效率？讓我們來(lái)看看Integrated Industrial Systems （I2S）公司是如何做的。I2S在現(xiàn)有的PLC系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)極大的改進(jìn)。這是一個(gè)來(lái)自美國(guó)的私有原始設(shè)備制造商，數(shù)十年以來(lái)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(yùn)使之成為行業(yè)的領(lǐng)袖。
I2S也曾經(jīng)長(zhǎng)期使用PLC來(lái)自動(dòng)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(duì)其伽馬測(cè)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(lái)，伽馬測(cè)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(guò)時(shí)了。為了更新該系統(tǒng)并改進(jìn)其機(jī)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(cè)量傳感器和高級(jí)信號(hào)處理，從而從傳感器中獲取模擬信號(hào)，實(shí)現(xiàn)高度精確的厚度測(cè)量，再由PLC使用在軋制機(jī)器的控制系統(tǒng)中。
2、伽馬測(cè)量?jī)x技術(shù)
伽馬測(cè)量?jī)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(jié)構(gòu)的頂部是一個(gè)接收器和前置放大器。當(dāng)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(cè)量，并轉(zhuǎn)化成帶厚度測(cè)量。
實(shí)施改造第一步：現(xiàn)有設(shè)備試驗(yàn)
為了節(jié)省時(shí)間和費(fèi)用，I2S先試著在已有的PLC系統(tǒng)中進(jìn)行高級(jí)模擬測(cè)量和處理。但是，PLC的模擬I/O和信號(hào)處理無(wú)法達(dá)到所需的精確度。I2S公司要確保運(yùn)行于PLC中的控制系統(tǒng)不會(huì)因?yàn)轭~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(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)能夠從伽馬傳感器中獲取模擬信號(hào)并進(jìn)行處理以計(jì)算精確的厚度測(cè)量值，并能將這個(gè)厚度測(cè)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(wú)法奏效，就試試其它方法
在認(rèn)識(shí)到PLC無(wú)法提供連接伽馬測(cè)量傳感器所需的I/O和處理后，I2S轉(zhuǎn)向了PAC技術(shù)。它選擇了國(guó)家儀器的CompactRIO PAC，以提供改進(jìn)軋制機(jī)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(tǒng)，既結(jié)合了傳統(tǒng)PLC的優(yōu)點(diǎn)和可靠性，又能提供更多高級(jí)I/O和處理。國(guó)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(jí)I/O
CompactRIO有一個(gè)嵌入式現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）芯片和實(shí)時(shí)處理器，可通過(guò)內(nèi)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(shù)字I/O模塊，具有內(nèi)置信號(hào)調(diào)節(jié)（反鋸齒、隔離、ADC、DAC等）、高速計(jì)時(shí)（模擬I/O速度達(dá)到800kHz ，數(shù)字I/O速度達(dá)到30 MHz）和高分辨率（24b ADC），可與任何工業(yè)傳感器或者觸發(fā)器連接。
圖1 CompactRI/O架構(gòu)
I2S使用CompactRIO模擬輸入模塊來(lái)連接伽馬級(jí)厚度傳感器，以提供精確測(cè)量所需的高速計(jì)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LabVIEW FPGA來(lái)輕松自定義CompactRIO的模擬I/O速率。
第四步：添加高級(jí)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NI LabVIEW實(shí)時(shí)浮點(diǎn)功能塊來(lái)在實(shí)時(shí)處理器中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并將之轉(zhuǎn)化成精確的厚度測(cè)量。
LabVIEW的實(shí)時(shí)功能塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行確定的高級(jí)對(duì)數(shù)處理（如下面的等式1和等式2所示），以進(jìn)行計(jì)算厚度測(cè)量值。由于LabVIEW Real-Time具有內(nèi)置計(jì)算和分析功能，PAC能夠很容易進(jìn)行這一操作。
等式1：log I = （log I0）y/μ = （y/μ） log I0
等式2: y/μ = log I0/log I = log （I0-I）
CompactRIO系統(tǒng)在FPGA和實(shí)時(shí)處理器中進(jìn)行所有的I/O和信號(hào)處理，并將高精確度厚度測(cè)量傳輸?shù)较噙B的PLC上，又不會(huì)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(jí)傳感器添加這一自定義測(cè)量和分析功能，而不需要犧牲軋制機(jī)器的控制速度。
第五步：整合PAC
每個(gè)軋制機(jī)器都帶有三個(gè)形成網(wǎng)絡(luò)的CompactRIO系統(tǒng)。這三個(gè)系統(tǒng)都是智能節(jié)點(diǎn)，能利用一個(gè)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(gè)系統(tǒng)與伽馬級(jí)傳感器連接，并進(jìn)行模擬輸入測(cè)量和高級(jí)處理，來(lái)計(jì)算精確厚度測(cè)量值。
圖2 典型系統(tǒng)拓?fù)?br />
第三個(gè)CompactRIO系統(tǒng)則從另外兩個(gè)系統(tǒng)中取得厚度值，并轉(zhuǎn)換成模擬輸出測(cè)量值，輸入到正在控制軋制機(jī)器的PLC上。所有三個(gè)系統(tǒng)都通過(guò)以太網(wǎng)連接實(shí)現(xiàn)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(cè)量值計(jì)算。將PAC連接到現(xiàn)有PLC架構(gòu)上有三個(gè)基本方法：
1. 基本模擬和數(shù)字I/O。模擬/數(shù)字信號(hào)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(yùn)用這種方法來(lái)將處理過(guò)的數(shù)據(jù)從CompactRIO PAC傳輸?shù)竭\(yùn)行軋制機(jī)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Modbus TCP/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(yùn)用的是以太網(wǎng)協(xié)議來(lái)在CompactRIO PAC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. OPC Connectivity PAC還可以作為OPC客戶端或者服務(wù)器，并通過(guò)OPC標(biāo)簽來(lái)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(dòng)化系統(tǒng)之間可以很容易實(shí)現(xiàn)連接。
處理過(guò)的數(shù)據(jù)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(tǒng)之間傳輸。CompactRIO測(cè)量值的獲得、處理和傳輸速度都很快，因此，將精確厚度測(cè)量值鍵入到PLC控制系統(tǒng)的過(guò)程絲毫不會(huì)降低整個(gè)系統(tǒng)的速度。
I2S公司可以很容易通過(guò)基于LAN的CompactRIO系統(tǒng)和10/100 Mbps以太網(wǎng)接口將系統(tǒng)連接到形成網(wǎng)絡(luò)的Allen Bradley PLC，并利用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的TCP/IP協(xié)議將之連接到人機(jī)接口（HMI）系統(tǒng)。軋制機(jī)器中的所有儀器都通過(guò)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了連接，因此不需要在一個(gè)電器噪音嘈雜的環(huán)境下長(zhǎng)距離地傳輸模擬信號(hào)了。
3、總結(jié)
在未來(lái)的幾年，PLC仍將繼續(xù)用于自動(dòng)化領(lǐng)域。但是隨著機(jī)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(bǔ)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(dòng)化系統(tǒng)。
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