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，而在可預知的未來，PLC仍將長盛不衰。面向離散控制而設計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�，F(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)上實現(xiàn)極大的改進。這是一個來自美國的私有原始設備制造商，數(shù)十年以來一直致力于制造一流的軋制設備和控制系統(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)的軋制設備。最近幾年他們一直在試圖更新軋制設備控制系統(tǒng)，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(tǒng)進行了改進，以便能更準確地控制金屬厚度。
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。
2、伽馬測量儀技術(shù)
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行測量，并轉(zhuǎn)化成帶厚度測量。
實施改造第一步：現(xiàn)有設備試驗
為了節(jié)省時間和費用，I2S先試著在已有的PLC系統(tǒng)中進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)有設備無法奏效，就試試其它方法
在認識到PLC無法提供連接伽馬測量傳感器所需的I/O和處理后，I2S轉(zhuǎn)向了PAC技術(shù)。它選擇了國家儀器的CompactRIO PAC，以提供改進軋制機器質(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速度達到800kHz ，數(shù)字I/O速度達到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LabVIEW FPGA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NI LabVIEW實時浮點功能塊來在實時處理器中對數(shù)據(jù)進行處理，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），以進行計算厚度測量值。由于LabVIEW Real-Time具有內(nèi)置計算和分析功能，PAC能夠很容易進行這一操作。
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和實時處理器中進行所有的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)標準Modbus/TCP、TCP/IP或UDP協(xié)議進行通信。其中有兩個系統(tǒng)與伽馬級傳感器連接，并進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)拓撲
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CompactRIO PAC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。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上時有很多網(wǎng)絡選擇。I2S公司運用的是以太網(wǎng)協(xié)議來在CompactRIO PAC之間傳輸數(shù)據(jù)，并將PAC和PLC連接到形成網(wǎng)絡的HMI。
3. OPC Connectivity PAC還可以作為OPC客戶端或者服務器，并通過OPC標簽來收發(fā)網(wǎng)絡數(shù)據(jù)到PLC或其它PAC上。OPC標準提供了一套標準的流程，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。
I2S公司可以很容易通過基于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)絡的Allen Bradley PLC，并利用一個標準的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。
3、總結(jié)
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其基于PLC的自動化系統(tǒng)。
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