基于NI PAC平臺擴展傳統自動化系統功能

長的時間。現狀是，制造商面臨越來越多的對控制系統靈活性與多功能性的要求，卻又絕對不愿意失去傳統PLC的高可靠性以及簡單的架構。在這種背景下，2001年全球著名的自動化研究機構ARC提出了PAC（Programmable Automation Controller可編程自動化控制器）概念，并相應給出了PAC的五個主要特性定義，概括起來就是強調在統一開放的軟件平臺以及模塊化的架構下實現邏輯、運動、PID控制到驅動與過程處理等多領域功能。隨后，包括Advantech，ICPDAS，GEFanuc，NI，Rockwell，OPTO22等在內的多家自動化廠商紛紛推出或定義了其相應的PAC產品，而有關PAC平臺的技術與應用逐漸成為了工控領域的熱點。

從最近幾年PAC 技術方展來看，各種廠商的系統無論是硬件架構還是軟件開發環境，都存在著一定的差別。有些在嵌入式PC 技術基礎上結合了模塊化的I/O，也有在PLC 邏輯掃描式架構上，通過提升處理器性能并增加控制和網絡通信等功能來實現其PAC 系統。顯然，技術的不同，提供的性能以及應用領域也就有所不同。而其中，NI 以開放靈活的軟件環境LabVIEW 為核心的PAC 平臺（如圖1），在兼備了PLC 的可靠性與PC 的多功能性的基礎上，獨創性的引入了FPGA 技術，從而實現最可靠高速的控制回路以及自定義電路的靈活性。可以說，NI PAC 平臺的推出為目前市場上較為寬泛的PAC 規范給出了更近一步的詮釋與事實參考標準。

圖1. NI PAC 平臺架構

基于NI PAC 架構，用戶可以通過LabVIEW 以圖形化的編程方式統一實現傳統PLC力所不及的高性能測量、信號處理、控制、機器視覺以及企業級信息系統連接功能，又可以將這些高級功能與傳統工業自動化設備無縫集成起來，并保證系統運行的可靠性。隨著全球化市場的發展，對于制造商來說，為了保持其競爭力，就必須要不斷的在其產品性能、生產效率、新功能投入中的一項或者多項有所提高。

與之而來的就是，對已有產線或者裝備上的自動化系統性能的擴展要求以及在成本、系統集成的各種困難。應對這種趨勢，發揮上述NI PAC 平臺的特性與優勢，恰恰為當前工業自動化應用擴展需求與挑戰給出了解決辦法。也正得益于此，NIPAC 平臺在眾多工控供應商中脫穎而出，在石油石化，電力能源，機械制造等各個行業與領域都獲得了眾多成功應用。

下面，我們就通過具體的應用實例分析，探討NI PAC 平臺如何幫助各行業的工程師們擴展其傳統自動化系統的性能，構建領先可靠的工業測控應用。

采礦業：重型電動挖掘機在線狀態監控系統

這是一個非常具有代表性的案例，用來說明如何利用NI PAC 平臺在已有自動化控制系統中引入新的復雜功能，從而實現提高裝備的整體性能的提高。

在采礦業，一輛用于露天采礦的重型電動挖掘機單次可完成12 輛卡車對應的鐵礦（合計100 噸）裝載與運輸工作。作為關鍵裝備，任何預料之外的故障或停機都會對生產造成直接的影響。但是，由于缺乏設備即能夠滿足惡劣環境下運行的可靠性要求，又具備足夠的信號處理與控制能力，在線故障監控技術一直很難成熟的應用于這類電動挖掘機。直到智利CADETECH 公司構建的SiAMFlex（靈活監控的高級系統）的出現，這種狀況才得到了改變。SiAMFlex 系統的核心就是適用于大型機器嵌入式控制、設備狀態監測以及惡劣環境下監控應用的NI CompactRIO PAC 平臺。

圖2. 基于NI PAC在線監控的重型挖掘機

首先，Concepcion 大學的Pedro 教授基于NI LabVIEW 軟件環境開發出一套專門針對挖掘機監測的分析算法并發布到CompactRIO 平臺。利用其集成的FPGA 技術，系統能夠完成振動、應變以及編碼器這些關鍵信號的高速同步采集，并將實時的信號處理結果與參量做連續高速的閾值比較，據此判斷當前運行狀況并根據設定做出及時報警。另一方面CompactRIO 以模擬I/O 的通信方式與挖掘機的控制裝置連接，實現機器運行信息的交互，從而實現一定的故障自校正的功能。對于進一步健康預測所需的大量復雜數據分析，則是通過無線網絡上傳到主服務器的方式來的實現。而所有高速測量、信號處理與控制，以及通信功能包括觸摸屏應用的開發，都是基于LabVIEW 統一的平臺完成的，充分體現了NI PAC 軟硬件平臺的開放性、靈活性。CompactRIO 所具備的-40 至70 攝氏度工作溫度范圍，50g抗振動能力使其完全能勝任野外工作的可靠性要求。

石油天然氣: 墨西哥PEMEX 基于NI PAC 平臺實現原油配送統一管理

隨著原油價格突破每桶120 美元關口，以及可開采資源的日益短缺，越來越多的石油天然氣供應商，著手提高油田測量與控制的精度，并將底層或分散的自動化控制與上層的企業級管理信息庫連接，從而精確了解生產到配送過程的每個細節，提高管理的效率。對于這種需求，如何在整合已有的設備及現場儀器儀表，并實現信息的透明，成為需要解決的關鍵問題之一。

圖3. PEMEX 使用NI LabVIEW 與PAC 提高原油配送系統效率

PEMEX 是全球第五大原油生產商，管理著墨西哥每天價值30 億美金約150 桶的原油輸送與分配系統。之前，其下屬12 個分站采用不同的設備以及內網協議來監測各自的配送情況，再以電話或Email 的方式與主系統協同。為加強對各分站的管理，提高系統整體協調性，PEMEX 選擇NI LabVIEW 平臺構建一個集成、低成本的監控系統。結合LabVIEW 數據記錄與監控工具包以及NI OPC 服務，工程人員很方便的完成各站點不同設備與網絡間的通信與互聯，并統一實現實時數據記錄與報警，企業數據庫連接以及報表生成。此外，對于某些無法達到系統測量要求與實時性的環節，通過引入了NI Compact FieldPoint PAC 系統予以解決。其所提供的高級測量功能與整體系統可以無縫的集成，這部分成本也被降到了最低。

電力行業：使用NI PAC 確保核電站反應堆安全

核電站每年都需要例行兩次檢查反應堆可能存在的銹斑，以杜絕放射性污染以及廠站隱患。這種檢查一直以工作人員進入核反應堆區域的方式進行，成本和危險性都極高。而且由于防輻射服對行動和視角的限制，實際效果也完全令人滿意。為此位于美國加州的Diablo 峽谷核電站找到Brooks 公司，希望后者能實現自動的監測裝置。Brooks 根據功能需求，設計了一套基于機器人方式的解決方案：遠程控制機器人進入高輻射區，再通過多路機器視覺等多種傳感器將監測圖像和信號傳回中央控制室進行判斷處理。

由于，整個方案需要用到機器視覺、運動控制及多種混合信號的采集，控制器也必須具備在次級輻射區運行的可靠性，Brooks 選擇了基于NI PAC 的解決方案。基于LabVIEW 實時操作系統的PXI PAC 平臺，結合模塊化的I/O，可以靈活可靠的操控進入反應堆的機器人，并實時采集現場的圖像、溫度、氣壓以及位置等信息。再進一步通過以太網方式與位于安全區的操作員進行實時通信，完成檢測操作。該系統同時被用來監控反應堆總電源輸出，實現了能源損失情況記錄與報告的附加功能。

Brooks 公司總結這個項目時談到：“由于借助了LabVIEW 實時模塊的可靠性、PXI的模塊化特性以及多種可選擇的I/O，使得該解決方案能夠在惡劣的核電站環境中確保正常操作。”

機械制造：GE 中國研制新型高性能電火花加工過程控制器

用于精密機械加工的電火花加工過程控制器(EDM)通常有PC 或者微控制器（μC）兩種方式。PC 方式存在實時性能較弱, 穩定性差等致命弱點；基于μC 方式的專用系統，存在開放性較差、最終用戶沒法修改工藝、維護困難等缺點。GE（通用電氣）在對其飛機發動機零件加工應用中，為了克服上述兩種傳統方式的各自不足之，其中國研發中心決定開發一個獨立的EDM 控制器，將復雜的伺服控制，實時放電過程監控和高度穩定、可靠性等特點都能集成于一體。對于該控制器，其核心要求在于精確的捕捉微秒級的電火花放電間隙信息，判斷當前工藝所處的放電狀態，執行高速伺服算法，調制控制加工電源電壓、電流和波形輸出。

為此，GE 公司采用NI CompactRIO 平臺來實現該控制器，電火花采樣速率達到800KS/s 及12 位精度，而伺服算法運行于FPGA 芯片上，保證了微秒級的閉環周期以及最高的控制優先級。而次優先級的EDM 與CNC 系統協調工作，運行在自動化控制器的實時操作系統層，通過模擬及數字I/O 通信，調整機床的運動速度及相應措施，以保證穩定高效的加工過程。這樣上層的監控管理應用程序，不會影響控制器的實時控制層和FPGA 硬件層的確定性工作，進一步超越了傳統加工方式的限制。

整個三層應用體系，從FPGA 自定義硬件功能、實時層任務協調以及管理層的人機界面與通信均采用統一的NI LabVIEW 圖形化開發平臺，從而大大縮短了開發周期，開發人員僅用兩個多月的時間就構建了整個系統。

總結：

上述的應用，實際上只是NI PAC平臺在各個行業自動化領域應用逐中漸嶄露頭角的一部分。但從中，我們完全可以看出，NI PAC平臺的推出，前所未有的滿足了當前工業自動化系統對多功能性、開放性與可靠性、穩定性的要求。用戶也得以從自身的研發或生產實際需求出發，靈活的增加PAC平臺所提供的高級的測量、分析與控制功能，擴展其已有自動化系統的性能，從而不斷提高生產效率以及品質，從容應對激烈市場競爭所帶來的挑戰。