可編程自動(dòng)化控制器

PAC(可編程自動(dòng)化控制器)的概念是由ARC咨詢集團(tuán)的高級(jí)研究員Craig Resnick提出的，在談到創(chuàng)造這個(gè)新名詞的意義時(shí)，他認(rèn)為，"PLC在市場相當(dāng)活躍，而且發(fā)展良好，具有很強(qiáng)的生命力。然而，PLC也正在許多方面不斷改變，不斷增加其魅力。自動(dòng)化供應(yīng)商正不斷致力于PLC的開發(fā)，以迎合市場與用戶需求。功能的增強(qiáng)促使新一代系統(tǒng)浮出水面。PAC基于開放的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、具多領(lǐng)域功能、通用的開放平臺(tái)以及高性能。ARC創(chuàng)造了這個(gè)詞，以幫助用戶定義應(yīng)用需要，幫助制造商在談到其產(chǎn)品時(shí)能更清晰。"

PAC的概念定義為:控制引擎的集中，涵蓋PLC用戶的多種需要，以及制造業(yè)廠商對信息的需求。PAC包括PLC的主要功能和擴(kuò)大的控制能力，以及PC-based控制中基于對象的、開放數(shù)據(jù)格式和網(wǎng)絡(luò)連接等功能。

由于LabVIEW的模塊化特性，可通過添加NI和第三方的附加軟件來滿足顧客的項(xiàng)目需求。 下方列出的各種LabVIEW函數(shù)和高級(jí)工具可用于幫助用戶開發(fā)特定應(yīng)用并將其部署至終端。

集成部署硬件:結(jié)合可編程自動(dòng)化控制器(PAC)，設(shè)計(jì)、原型與部署硬件終端，如實(shí)時(shí)系統(tǒng)和基于現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)的系統(tǒng)。例如:LabVIEW Real-Time模塊，LabVIEW FPGA模塊，用于ARM微控制器的NI LabVIEW嵌入式模塊，NI LabVIEW Mobile模塊，NI LabVIEW觸摸屏模塊，NI LabVIEW無線傳感器網(wǎng)絡(luò)模塊，LabVIEW C代碼生成器，NI實(shí)時(shí)管理程序信號(hào)處理、分析和連接:添加用于聲音和振動(dòng)測量、機(jī)器視覺、RF通信、瞬時(shí)與短時(shí)信號(hào)分析等的專用圖像和信號(hào)處理函數(shù)。例如:LabVIEW視覺應(yīng)用開發(fā)模塊，聲音和振動(dòng)測量套件，聲音與振動(dòng)工具包，NI LabVIEW因特網(wǎng)工具包，NI LabVIEW高級(jí)信號(hào)處理工具包，NI LabVIEW自適應(yīng)濾波器工具包，NI LabVIEW數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)工具包，NI LabVIEW MathScript RT模塊，頻譜測量工具包，NI LabVIEW調(diào)制工具包，NI LabVIEW機(jī)器人模塊，LabVIEW生物醫(yī)學(xué)工具包，LabVIEW電能套件，ECU測量和校準(zhǔn)工具包，用于LabVIEW的GPS仿真工具包，用于固定WiMAX的測量套件，NI WLAN測量套件，汽車診斷指令集，LabVIEW GPU分析工具。控制與仿真:使用高級(jí)控制算法、動(dòng)態(tài)仿真與運(yùn)動(dòng)控制軟件，設(shè)計(jì)、仿真并執(zhí)行控制系統(tǒng)。例如:NI LabVIEW PID和模糊邏輯工具包，NI LabVIEW控制設(shè)計(jì)與仿真模塊，NI LabVIEW系統(tǒng)辨識(shí)工具包，NI LabVIEW仿真接口工具包，LabVIEW NI SoftMotion模塊。數(shù)據(jù)管理、記錄與報(bào)表生成:快速記錄、管理、搜索采集的數(shù)據(jù)并將其導(dǎo)出至第三方軟件工具(如:Microsoft Office和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)庫)。例如:NI LabVIEW數(shù)據(jù)記錄與監(jiān)控模塊，NI LabVIEW Microsoft Office報(bào)表生成工具包，NI LabVIEW數(shù)據(jù)庫連接工具包，NI LabVIEW DataFinder工具包，NI LabVIEW SignalExpress。開發(fā)工具和驗(yàn)證:用戶可利用代碼分析儀和單元測試架構(gòu)，評估圖形化代碼質(zhì)量并根據(jù)開發(fā)需求實(shí)現(xiàn)回歸測試和驗(yàn)證等操作的自動(dòng)化。例如:NI LabVIEW VI分析儀工具包，NI LabVIEW狀態(tài)圖模塊，NI LabVIEW桌面執(zhí)行跟蹤工具包，NI需求管理軟件，NI Real-Time執(zhí)行跟蹤工具包，NI LabVIEW單元測試架構(gòu)工具包應(yīng)用發(fā)布:通過創(chuàng)建可執(zhí)行程序、安裝程序和DLL，將LabVIEW應(yīng)用程序發(fā)布給用戶;或者通過網(wǎng)絡(luò)或因特網(wǎng)共享用戶界面。例如:NI LabVIEW應(yīng)用程序生成器 (Windows版)

可編程自動(dòng)化控制器(PAC)是將最佳的PLC，DCS和PC技術(shù)融合在一個(gè)統(tǒng)一的、多功能的單元上，并用于滿足現(xiàn)代工業(yè)應(yīng)用中愈來愈多的復(fù)雜要求。

實(shí)施一個(gè)現(xiàn)代化的工業(yè)應(yīng)用會(huì)引出一系列問題，有時(shí)甚至是艱巨的復(fù)雜要求。比如，眾所周知，典型的控制系統(tǒng)必須接收傳感器和激勵(lì)發(fā)出的信號(hào)，但對于許多現(xiàn)代應(yīng)用，這僅僅是一個(gè)開始。先進(jìn)的控制功能、網(wǎng)絡(luò)連通性、設(shè)備的互操作性及企業(yè)數(shù)據(jù)整合都是工業(yè)應(yīng)用中所越來越強(qiáng)調(diào)的。

這些現(xiàn)代化的要求大大超出了傳統(tǒng)基于離散邏輯的可編程邏輯控制器(PLC)對I/O信號(hào)的控制。大多數(shù)PLC使用梯形邏輯編程，它起源于用來描述控制系統(tǒng)內(nèi)布局和連接的離散物理繼電器及定時(shí)器的接線圖。

對于這一模式的偏離或需要擴(kuò)展的應(yīng)用，梯形邏輯編程有些力不從心。例如，數(shù)學(xué)上的復(fù)雜應(yīng)用，如PID回路控制應(yīng)用于溫度控制包括浮點(diǎn)算法等。為了執(zhí)行這些計(jì)算， PLC往往須增加獨(dú)立和單獨(dú)編程的硬件卡。

使用PLC來滿足應(yīng)用中的網(wǎng)絡(luò)連通、設(shè)備互操作、企業(yè)數(shù)據(jù)整合等要求時(shí)可能會(huì)遇到問題。這些類型的任務(wù)往往更適合PC來處理。

為了在PLC的應(yīng)用中提供這些功能，需要在獨(dú)立PC中運(yùn)行更多的處理器、網(wǎng)關(guān)或轉(zhuǎn)換器、"中間件"軟件，且企業(yè)系統(tǒng)中的特殊軟件必須經(jīng)常與系統(tǒng)進(jìn)行整合。

另一方面，一臺(tái)用于工業(yè)環(huán)境下的PC能提供大量的現(xiàn)代應(yīng)用功能，尤其是那些需要聯(lián)網(wǎng)和數(shù)據(jù)通訊功能的。如同將PLC擴(kuò)容至完成PC的任務(wù)，但是，工業(yè)用PC需要執(zhí)行類似PLC的任務(wù)如機(jī)器或過程控制，同樣需要擴(kuò)展。

例如，一臺(tái)PC所使用的操作系統(tǒng)大多并不是高性能、確定性工業(yè)應(yīng)用的最佳選擇。附加I/O擴(kuò)展卡或特殊擴(kuò)展可能需要融入PC的操作系統(tǒng)中以提供高性能、確定性或類確定性操作。

進(jìn)入PAC

隨著現(xiàn)代工業(yè)應(yīng)用需求范圍擴(kuò)大，自動(dòng)化生產(chǎn)商已經(jīng)做出積極回應(yīng)，一項(xiàng)融合PLC類似確定性機(jī)器的工業(yè)控制設(shè)備或擁有靈活配置的過程控制，使企業(yè)能基于PC系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)勢整合的設(shè)備誕生。這個(gè)設(shè)備即被定義為可編程自動(dòng)化控制器，或者叫PAC。

來自ARC咨詢公司的工業(yè)分析家Craig Resnick在2002年首創(chuàng)了"PAC"的定義。ARC創(chuàng)造這一新名詞基于2個(gè)原因:幫助自動(dòng)化硬件用戶更好地確定他們的應(yīng)用需求;給予自動(dòng)化硬件商一個(gè)更明確的概念用于幫助他們闡述產(chǎn)品功能。

合并PLC和PC技術(shù)用于工業(yè)控制的想法之前已出現(xiàn)過，但是只有通過如前述的"添加"的方法來實(shí)現(xiàn)，其中附加的中間件、處理器與一個(gè)或多個(gè)PLC協(xié)同工作。一個(gè)PAC，擁有先進(jìn)的功能，需要納入設(shè)計(jì)中。

例如，執(zhí)行功能包括計(jì)數(shù)、閉鎖、PID回路控制、數(shù)據(jù)采集及傳輸，一個(gè)典型的PLC控制系統(tǒng)需要更多的、價(jià)格較昂貴的過程硬件。一個(gè)PAC則內(nèi)置了以上所有功能。

PAC的矚目之處在于模塊化的設(shè)計(jì)和架構(gòu)，同樣使用開放式的架構(gòu)提供擴(kuò)展性和設(shè)備及商用系統(tǒng)的互聯(lián)性。特別的是，PAC冠以高效處理及I/O掃描的特點(diǎn)，并以多種方式使其能夠融入企業(yè)的商用系統(tǒng)。根據(jù)ARC，可編程自動(dòng)化控制器必須符合下列要求:

在多領(lǐng)域中的單一平臺(tái)上操作包括邏輯、運(yùn)動(dòng)、驅(qū)動(dòng)和過程控制

采用一個(gè)單一的開發(fā)平臺(tái)，使用通用的標(biāo)簽和一個(gè)單一的數(shù)據(jù)庫用于不同門類的任務(wù)開發(fā)

無縫集成控制器硬件和軟件

使用軟件工具進(jìn)行編程能設(shè)計(jì)控制程序以支持跨越多個(gè)機(jī)器或設(shè)備的"流程"

在開放、模塊化的架構(gòu)中進(jìn)行操作反映了工業(yè)應(yīng)用中從設(shè)備布局到過程中的單元操作

采用事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)接口，語言和協(xié)議，使數(shù)據(jù)交換成為網(wǎng)絡(luò)化的多供應(yīng)商系統(tǒng)的一部分

提供高效的處理和I/O掃描

優(yōu)勢所在

定義一個(gè)PAC的典型同時(shí)也描述了在工業(yè)應(yīng)用中使用PAC的主要優(yōu)勢。這些特點(diǎn)包括獨(dú)立滿足復(fù)雜的要求而PLC需要額外的組件來完成，因?yàn)橛布蛙浖臒o縫集成，改善了控制系統(tǒng)的性能。

集成硬件和軟件在編程時(shí)也是一個(gè)優(yōu)勢:集成開發(fā)環(huán)境(IDE)用于對PAC編程包括所有開發(fā)工具均能識(shí)別的通用標(biāo)記名數(shù)據(jù)庫。PAC使用一個(gè)軟件包而不是來自不同廠商的多個(gè)軟件包來解決現(xiàn)有及將來可能的自動(dòng)化需求。

PAC的另一個(gè)優(yōu)勢是控制系統(tǒng)的升級(jí)非常簡單。模塊化的處理器硬件輕松替換，無需拔下傳感器和激勵(lì)的接線。由于其小巧的尺寸，一個(gè)PAC能為機(jī)柜節(jié)省寶貴的空間。

PAC擁有現(xiàn)代化的網(wǎng)絡(luò)和通信能力，還能實(shí)時(shí)的獲取信息。這反過來使得數(shù)據(jù)收集更準(zhǔn)確和及時(shí)，因此更有商業(yè)使用的價(jià)值。

至于價(jià)格上，PAC能夠提供多種經(jīng)濟(jì)方面的優(yōu)勢:

1.由于硬件的費(fèi)用較低，開發(fā)和集成所花時(shí)間更少，所以控制系統(tǒng)的總成本降低。購買PAC的價(jià)格往往比在PLC上增加類似的功能更為經(jīng)濟(jì)。

2. 由于自動(dòng)化系統(tǒng)的應(yīng)用范圍(也稱為其專業(yè)知識(shí))的延伸，PAC在資產(chǎn)收益率，降低生命周期成本，降低總擁有成本( TCO )等方面都有提高。

3. 現(xiàn)金流動(dòng)得到改善:添加I / O作為單獨(dú)的模塊意味著在初始的開發(fā)階段只需要最少數(shù)量的模塊，剩下的模塊到項(xiàng)目結(jié)束前再添加。

RTU和PAC

遠(yuǎn)程終端設(shè)備(RTU)類似控制器設(shè)備，安裝在遠(yuǎn)程位置以收集傳感器和其他數(shù)據(jù)。流行了幾十年后，RTU通常被用來作為監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集(SCADA系統(tǒng))網(wǎng)絡(luò)，RTU向SCADA發(fā)送數(shù)據(jù)。RTU從SCADA主控接收信息而操控遠(yuǎn)程位置上的現(xiàn)場設(shè)備上。

RTU主要在遙遠(yuǎn)的地理區(qū)域部署，以監(jiān)測，采集和控制遠(yuǎn)程分散設(shè)備，如管道、井、起重機(jī)、或電信設(shè)施等。傳統(tǒng)的PLC在這些類型的應(yīng)用中不具備天然的通訊功能。另外， PLC一般不提供承受惡劣的野外環(huán)境條件，也沒有多數(shù)RTU應(yīng)用中所需的靈活I(lǐng)/O配置。

總的說來，RTU更強(qiáng)調(diào)其通訊功能的開發(fā)，適用于嚴(yán)酷環(huán)境，擁有靈活的I/O配置。

然而，傳統(tǒng)的RTU通信能力通常是過時(shí)的，因?yàn)樗鼈兪窃谒綘I無線電或租用專線通訊網(wǎng)時(shí)期發(fā)展起來的。如今開放的，基于IP的有線和無線本地和廣域的網(wǎng)絡(luò)則更加靈活，而且價(jià)格更便宜。由于這一原因，改造現(xiàn)有的RTU或執(zhí)行新的應(yīng)用程序時(shí)，使用過時(shí)的RTU技術(shù)在商業(yè)或技術(shù)上是沒有太大意義的。

相反地，PAC能提供卓越的通信能力，通用I / O選項(xiàng)，寬溫和振動(dòng)規(guī)格，并使用當(dāng)今領(lǐng)先的通信標(biāo)準(zhǔn)。這些特點(diǎn)使得PAC適合替代傳統(tǒng)戶外RTU，尤其是舊網(wǎng)絡(luò)，專有網(wǎng)絡(luò)等由于維修費(fèi)用增加或過時(shí)廢棄的網(wǎng)絡(luò)。

數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(DAQ)基于PC設(shè)備，提供快速的信號(hào)采集、基本信號(hào)調(diào)試、數(shù)據(jù)保存功能和有限的聯(lián)網(wǎng)能力。多數(shù)DAQ系統(tǒng)是基于PC，在物理環(huán)境或遠(yuǎn)程位置上的使用有一定限制。大多數(shù)DAQ系統(tǒng)更喜歡呆在實(shí)驗(yàn)室里而非戶外的環(huán)境。

PAC提供通用且靈活的信號(hào)偵測、調(diào)試及多線路。其擁有強(qiáng)大的處理器和大量的內(nèi)存，獲得的原始數(shù)據(jù)可以在傳送至數(shù)據(jù)庫用于其他應(yīng)用之前進(jìn)行累加、校對或其他處理(例如，將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成工程單位)。

另外，數(shù)據(jù)可以保存在本地。由于PAC不是PC ，故不像PC需要較高的成本，它可以在現(xiàn)場應(yīng)用中隨意部署。所以PAC是個(gè)不錯(cuò)的選擇。

各種工業(yè)自動(dòng)化供應(yīng)商提供PAC或類似PAC產(chǎn)品。在某些情況下，這些產(chǎn)品更像PLC，，而在其他情況下則更象是工業(yè)用PC 。如前所述，PAC與這些設(shè)備集成，從而使側(cè)重PLC或PC功能的設(shè)備可能會(huì)并不適用于你的應(yīng)用需求。

在評估PAC或類似PAC自動(dòng)化控制器時(shí)，只需考慮這一經(jīng)驗(yàn)方法:為了滿足您的要求，你是否需要添加附加的處理器，網(wǎng)絡(luò)接口或中間件使得控制器擁有PLC或PC類似的特點(diǎn)?

如果是，查看一下控制器是否更符合如前所述的PAC特點(diǎn)?

對于任何產(chǎn)品，一些廠商可能從業(yè)已久。許多供應(yīng)商引入了新PAC或PAC類似產(chǎn)品，有幾個(gè)候選公司，包括OPTO 22，在PAC進(jìn)入主流的前幾年就已經(jīng)用出色的銷售業(yè)績證明了其強(qiáng)大功能。

在1990年，在PAC概念誕生前的11年，Opto 22引進(jìn)了PAC雛形-以電腦為形式的硬件設(shè)備-mistic控制器。Opto 22 SNAP PAC系統(tǒng)以mistic為基礎(chǔ)，其他PAC設(shè)備應(yīng)用包括半導(dǎo)體處理、原料加工、水和水處理、管道監(jiān)測等。

總之，PAC提供了一個(gè)擁有先進(jìn)控制功能的緊湊型控制器，網(wǎng)絡(luò)連接，設(shè)備互操作，以及企業(yè)數(shù)據(jù)集成功能，都能在PLC或基于PC的控制器中找到。有了這些功能，PAC在現(xiàn)代工業(yè)應(yīng)用中已經(jīng)成為滿足各種工業(yè)需求不可獲缺的部分。

PAC蓄勢待發(fā)

單一的PAC正在多域內(nèi)進(jìn)行操作以監(jiān)測管理生產(chǎn)線，包括化學(xué)工藝、測試臺(tái)、物流等。為了完成以上任務(wù)，PAC必須同時(shí)管理模擬值如溫度、壓力;數(shù)字量閥門的開/關(guān)狀態(tài)，開關(guān)及儀表;庫存跟蹤和測試設(shè)備中的串行數(shù)據(jù)等。

PAC與OLE交換數(shù)據(jù)用于過程控制服務(wù)器(OPC)、操作界面及SQL(結(jié)構(gòu)式查詢語言)數(shù)據(jù)庫等。且PAC能同時(shí)處理這些任務(wù)，無需附加任何處理器、網(wǎng)關(guān)或中間件等。

PAC、操作員、工作臺(tái)、測試設(shè)備、生產(chǎn)線、過程傳感器、激勵(lì)及條形碼識(shí)別等一起連接在遍布設(shè)備區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)10/100Mbps以太網(wǎng)上。在一些實(shí)例中，一些無內(nèi)置以太網(wǎng)連接功能的設(shè)備如溫度傳感器等是通過一個(gè)中繼以太網(wǎng)激活I(lǐng)/O單元從而連接在I/O模塊上，再依次與PAC通訊。

使用以太網(wǎng)，使PAC與遠(yuǎn)程I/O模塊通訊，對模擬、數(shù)字和串口信號(hào)進(jìn)行讀、寫操作。以太網(wǎng)同時(shí)把PAC和OPC服務(wù)器連接起來，故PAC也可以和類似升降機(jī)、臨時(shí)工作臺(tái)等移動(dòng)設(shè)備通訊。

PAC能控制、監(jiān)測，并與各種設(shè)備和系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)，源于PAC與它們使用相同標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和協(xié)議，包括有線和無線以太網(wǎng)、IP網(wǎng)絡(luò)傳輸、OPC及SQL等。

在另一種控制情況中，需要應(yīng)用到基于的應(yīng)用層的協(xié)議如Modbus、SNMP(簡單的網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議)及通過調(diào)制解調(diào)器的PPP(點(diǎn)對點(diǎn)協(xié)議)。而PAC能夠滿足這些不同的通訊要求。

在一些工廠實(shí)例中，PAC與企業(yè)SQL數(shù)據(jù)庫交換制造、生產(chǎn)及清單數(shù)據(jù)。這樣依次與幾個(gè)關(guān)鍵商務(wù)系統(tǒng)交換數(shù)據(jù)，包括企業(yè)資源計(jì)劃(ERP)系統(tǒng)、總體設(shè)備效率(OEE)系統(tǒng)及供應(yīng)鏈管理(SCM)系統(tǒng)等。因?yàn)閺墓S車間來的數(shù)據(jù)不斷由PAC更新，所以整個(gè)商務(wù)系統(tǒng)的信息是實(shí)時(shí)、有價(jià)值的。