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在(zai)過去的幾十年里，可(ke)編程邏輯控制器（PLC）一直被(bei)廣(guang)泛用于自動化領域(yu)，而在(zai)可(ke)預(yu)知的未來(lai)，PLC仍將長盛不衰(shuai)。面向(xiang)離散控制而設計(ji)PLC的實(shi)際上(shang)已(yi)經成(cheng)為工(gong)業領域(yu)一個具有偉大意義的統治性工(gong)具。

然而，隨(sui)著工(gong)業用機器和(he)工(gong)廠系(xi)(xi)統(tong)的(de)復雜性的(de)增加，PLC已(yi)經很難而且(qie)也不可能成(cheng)(cheng)為完成(cheng)(cheng)所有自(zi)(zi)動化(hua)任務。現在的(de)自(zi)(zi)動化(hua)系(xi)(xi)統(tong)已(yi)經超越了PLC的(de)功能范圍，使得工(gong)業機器領域的(de)工(gong)程師(shi)必須在自(zi)(zi)動化(hua)系(xi)(xi)統(tong)中集成(cheng)(cheng)更多更先進的(de)I/O、處理和(he)控制策略。

新的(de)(de)可編程自動(dong)化控制器(qi)(qi)（PAC）硬件(jian)系(xi)統(tong)就是這樣一個(ge)非凡的(de)(de)PLC系(xi)統(tong)擴展(zhan)方(fang)案(an)，能夠很容易整合到PLC系(xi)統(tong)中，給工業機器(qi)(qi)增(zeng)加更多(duo)的(de)(de)先進(jin)功(gong)能，并提高機器(qi)(qi)的(de)(de)效率。

如(ru)何提高機器的(de)效(xiao)率？讓我們(men)來看看IntegratedIndustrialSystems（I2S）公(gong)司是如(ru)何做(zuo)的(de)？

I2S在現(xian)有的(de)(de)(de)(de)(de)PLC系(xi)統(tong)上實(shi)現(xian)極大的(de)(de)(de)(de)(de)改進(jin)。這是一個來自美國的(de)(de)(de)(de)(de)私有原始設(she)(she)備制(zhi)造商，數十年(nian)以來一直致力(li)于制(zhi)造一流的(de)(de)(de)(de)(de)軋(ya)制(zhi)設(she)(she)備和控(kong)制(zhi)系(xi)統(tong)，用于全世(shi)界(jie)的(de)(de)(de)(de)(de)鐵(tie)和非(fei)鐵(tie)金屬行(xing)業(ye)。在這一領(ling)域的(de)(de)(de)(de)(de)雄厚(hou)技術底蘊(yun)使之成為行(xing)業(ye)的(de)(de)(de)(de)(de)領(ling)袖。

I2S也曾經長期使(shi)用PLC來自動(dong)化(hua)和控制(zhi)生產的軋(ya)制(zhi)設備(bei)。最近幾年他們一直在試圖更新軋(ya)制(zhi)設備(bei)控制(zhi)系(xi)統(tong)，以提高(gao)效(xiao)率和質量。為(wei)了(le)提高(gao)煉鋼(gang)設備(bei)的效(xiao)率和質量，他們主要對其(qi)伽馬測量系(xi)統(tong)進行了(le)改進，以便能(neng)更準(zhun)確地控制(zhi)金屬厚度。

數(shu)年以(yi)(yi)來(lai)，伽馬測量系(xi)統(tong)一(yi)直是I2S產(chan)品家族中(zhong)的(de)(de)(de)標志性產(chan)品，現在依然廣受歡迎(ying)，但是系(xi)統(tong)的(de)(de)(de)很多硬件和軟(ruan)件特(te)征都已經過時了(le)。為(wei)了(le)更新(xin)該系(xi)統(tong)并改進其(qi)機器，I2S公(gong)司(si)需要一(yi)個具有(you)更精確(que)的(de)(de)(de)模擬輸入分辨率的(de)(de)(de)方案，以(yi)(yi)連接伽馬測量傳感(gan)器和高(gao)級信號處理，從而從傳感(gan)器中(zhong)獲取模擬信號，實現高(gao)度精確(que)的(de)(de)(de)厚(hou)度測量，再由PLC使用在軋制機器的(de)(de)(de)控制系(xi)統(tong)中(zhong)。

伽馬(ma)測量儀使用“镅”作為恒(heng)發(fa)射源，這一發(fa)射源位于“C”框(kuang)架組(zu)裝的(de)較低部(bu)。結構的(de)頂部(bu)是一個接(jie)收(shou)器(qi)和前(qian)置放大器(qi)。當通過(guo)發(fa)射源和接(jie)收(shou)器(qi)之(zhi)間(jian)的(de)間(jian)隔時，金屬帶(dai)會吸收(shou)一部(bu)分(fen)輻射，吸收(shou)量視(shi)其厚(hou)度(du)和密度(du)而定(ding)。剩下的(de)一部(bu)分(fen)就由接(jie)收(shou)器(qi)進行測量，并轉化成(cheng)帶(dai)厚(hou)度(du)測量。

實施改造第一步：現有設備試驗

為(wei)了節(jie)省時間和(he)費用，公司(si)先試著在已(yi)有的(de)PLC系(xi)統中進行高級(ji)模(mo)擬測量和(he)處理。但是，PLC的(de)模(mo)擬I/O和(he)信號(hao)處理無法達(da)到所需的(de)精確(que)度。I2S公司(si)要確(que)保運(yun)行于(yu)PLC中的(de)控(kong)制系(xi)統不(bu)會(hui)因為(wei)額(e)外I/O和(he)處理的(de)增(zeng)加(jia)而減少。

因此，他們需要這么一(yi)個(ge)系統(tong)，這個(ge)系統(tong)能(neng)夠從伽(jia)馬傳感器中(zhong)獲(huo)取模擬(ni)信號(hao)并進行處理以計(ji)算(suan)精確的(de)厚(hou)(hou)度(du)測量值，并能(neng)將這個(ge)厚(hou)(hou)度(du)測量插入到PLC控制系統(tong)中(zhong)。但是，所用(yong)的(de)PLC不(bu)適合高性(xing)能(neng)處理和高速模擬(ni)I/O。

第二步：如果現有設備無法奏效，就試試其它方法

在(zai)認(ren)識到PLC無法提供(gong)連(lian)接伽馬(ma)測(ce)量(liang)傳(chuan)感器所需的(de)I/O和(he)(he)(he)處(chu)理后(hou)，轉(zhuan)向了PAC技術。它選擇了國家儀(yi)器的(de)CompactRIOPAC，以提供(gong)改(gai)進軋(ya)制(zhi)機器質量(liang)所必(bi)須的(de)附加功能(neng)。CompactRI/O是一個可(ke)(ke)重(zhong)置嵌入式系統，既(ji)結合了傳(chuan)統PLC的(de)優點(dian)和(he)(he)(he)可(ke)(ke)靠性，又能(neng)提供(gong)更多高級I/O和(he)(he)(he)處(chu)理。國家儀(yi)器的(de)所有PAC都(dou)可(ke)(ke)以通過(guo)其(qi)LabVIEW圖形編(bian)(bian)程工具(ju)來編(bian)(bian)程，因此(ci)可(ke)(ke)以很容易進行編(bian)(bian)程和(he)(he)(he)配(pei)置。

第三步：添加高級I/O

CompactRIO有一(yi)個(ge)嵌入式現場可(ke)編(bian)(bian)程(cheng)門(men)陣列（FPGA）芯片和(he)實時處理器，可(ke)通過內置的LabVIEW功(gong)能塊來編(bian)(bian)程(cheng)。另(ling)外，它(ta)還擁有超過30個(ge)模(mo)擬(ni)和(he)數(shu)字I/O模(mo)塊，具有內置信號調節（反鋸(ju)齒(chi)、隔離(li)、ADC、DAC等）、高速(su)(su)計時（模(mo)擬(ni)I/O速(su)(su)度(du)達(da)到800kHz，數(shu)字I/O速(su)(su)度(du)達(da)到30MHz）和(he)高分辨率（24bADC），可(ke)與任(ren)何工業(ye)傳(chuan)感器或者(zhe)觸發器連接(jie)。

▲圖1CompactRI/O架構(gou)

使(shi)用CompactRIO模擬輸入模塊來連接伽(jia)馬級厚度傳感器，以提供精確測量所(suo)需的高速(su)計時和分辨率。由(you)于(yu)每個I/O模塊都是直接和FPGA相連的，工程師們于(yu)是能(neng)使(shi)用LabVIEWFPGA來輕松自(zi)定義CompactRIO的模擬I/O速(su)率。

第四步：添加高級處理

從伽馬(ma)傳感器獲得模擬(ni)數據之(zhi)后，CompactRIO使用內置(zhi)的NILabVIEW實時浮(fu)點(dian)功(gong)能塊(kuai)來在(zai)實時處理(li)器中對(dui)數據進行處理(li)，并將之(zhi)轉(zhuan)化成精確的厚度測量。

LabVIEW的實(shi)時功(gong)能(neng)(neng)塊(kuai)對(dui)數據進行確定的高級對(dui)數處理（如下面的等(deng)式1和(he)等(deng)式2所(suo)示(shi)），以進行計算厚度測量值。由于LabVIEWReal-Time具有內置計算和(he)分析功(gong)能(neng)(neng)，PAC能(neng)(neng)夠(gou)很容易進行這(zhe)一操作。

等(deng)式(shi)1：logI=（logI0）y/μ=（y/μ）logI0

等式2：y/μ=logI0/logI=log（I0-I）

CompactRIO系統在FPGA和(he)實時處理器中進行所(suo)有(you)的I/O和(he)信號處理，并將高精(jing)確度(du)厚度(du)測量傳輸到(dao)相(xiang)連的PLC上，又(you)不(bu)會降低現(xian)有(you)PLC控制系統的速率(lv)。借(jie)助于CompactRIO的性能，I2S的工程師可以為伽馬級傳感器添(tian)加(jia)這一自定義測量和(he)分析功能，而不(bu)需要犧牲軋制機器的控制速度(du)。

第五步：整合PAC

每(mei)個(ge)(ge)軋(ya)制(zhi)機器都帶有三(san)個(ge)(ge)形(xing)成網(wang)絡的CompactRIO系(xi)統(tong)。這三(san)個(ge)(ge)系(xi)統(tong)都是智(zhi)能節點，能利(li)用(yong)一個(ge)(ge)工業標準Modbus/TCP、TCP/IP或UDP協議進(jin)行通信。其中有兩個(ge)(ge)系(xi)統(tong)與伽馬級傳感器連接，并進(jin)行模擬輸入測量(liang)和高級處理，來計算精(jing)確厚度(du)測量(liang)值。

▲圖2典型系統拓撲

第(di)三(san)個CompactRIO系統(tong)(tong)則從另外兩個系統(tong)(tong)中取(qu)得厚度(du)值(zhi)，并轉(zhuan)換成模擬輸出測量值(zhi)，輸入到正在控(kong)制軋制機(ji)器(qi)的PLC上。所(suo)有三(san)個系統(tong)(tong)都通過以太(tai)網(wang)連接(jie)實現了(le)互(hu)連，并使(shi)用一個UDP以太(tai)網(wang)信(xin)息協議(yi)來傳輸厚度(du)測量值(zhi)計算。

將PAC連接到現有PLC架構上有三個基本方法：

1.基本模(mo)擬(ni)和數字I/O.模(mo)擬(ni)/數字信號能夠(gou)從(cong)PAC輸出到PLC中。這是將PAC整合到PLC的一(yi)個最基本的方法(fa)。I2S公司就是運(yun)用這種方法(fa)來將處(chu)理過(guo)的數據從(cong)CompactRIOPAC傳輸到運(yun)行軋制機器(qi)控(kong)制系統的PLC上的。

2.工業網(wang)絡。大多數PAC產品都支持(chi)工業協(xie)議，如DeviceNet、Profibus、CANopen以及基(ji)于以太網(wang)的協(xie)議如TCP/IP、UDP和ModbusTCP/IP.這使得工程師在連接(jie)PAC到(dao)PLC上時有很多網(wang)絡選擇。I2S公司運用的是以太網(wang)協(xie)議來(lai)在CompactRIOPAC之間傳輸(shu)數據，并將(jiang)PAC和PLC連接(jie)到(dao)形成(cheng)網(wang)絡的HMI.

3.OPCConnectivityPAC還(huan)可以作為OPC客戶端或者服務器(qi)，并通過OPC標簽來收發(fa)網(wang)絡(luo)數(shu)據到PLC或其它PAC上(shang)。OPC標準提供了一套(tao)標準的(de)流程，讓不同(tong)廠商的(de)自動(dong)化(hua)系統之間可以很容易(yi)實現連接。

處理過(guo)的(de)(de)數據會(hui)以(yi)不到(dao)20毫秒的(de)(de)間隔在通過(guo)以(yi)太網互連的(de)(de)CompactRIO系統之間傳輸。CompactRIO測(ce)量值的(de)(de)獲得、處理和傳輸速度(du)都很快，因(yin)此，將(jiang)精確厚度(du)測(ce)量值鍵入到(dao)PLC控(kong)制(zhi)系統的(de)(de)過(guo)程絲毫不會(hui)降低整個(ge)系統的(de)(de)速度(du)。

通過(guo)基(ji)于LAN的(de)CompactRIO系(xi)統和10/100Mbps以太網接(jie)口將系(xi)統連接(jie)到(dao)形(xing)成網絡的(de)AllenBradleyPLC，并利用一個標(biao)準(zhun)的(de)TCP/IP協(xie)議將之連接(jie)到(dao)人(ren)機(ji)接(jie)口（HMI）系(xi)統。軋(ya)制(zhi)機(ji)器(qi)中的(de)所(suo)有(you)儀器(qi)都通過(guo)以太網實現了連接(jie)，因此不(bu)需(xu)要在一個電器(qi)噪音嘈(cao)雜的(de)環境下長距(ju)離地傳(chuan)輸(shu)模擬信號了。

在未(wei)來的(de)(de)(de)幾年，PLC仍將繼續用于自動化(hua)領域。但是(shi)隨著機器(qi)的(de)(de)(de)改進和(he)自動化(hua)效(xiao)率提高(gao)的(de)(de)(de)需求(qiu)，PLC不(bu)再(zai)是(shi)萬能(neng)的(de)(de)(de)。PAC技術給PLC提供了很(hen)好的(de)(de)(de)補充，增(zeng)加了傳統PLC所(suo)不(bu)能(neng)提供的(de)(de)(de)高(gao)性能(neng)I/O和(he)處理。將PAC連接到現有PLC架構(gou)中的(de)(de)(de)方法(fa)有很(hen)多，所(suo)以(yi)工(gong)程(cheng)師們將能(neng)夠很(hen)容易(yi)地(di)改進其基于PLC的(de)(de)(de)自動化(hua)系(xi)統。