由PLC到PAC：該如何改進您的系統？

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的實際上已經成為工業領域一個具有偉大意義的統治性工具。

然而，隨著工業用機器和工廠系統的復雜性的增加，PLC已經很難而且也不可能成為完成所有自動化任務。現在的自動化系統已經超越了PLC的功能范圍，使得工業機器領域的工程師必須在自動化系統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）硬件系統就是這樣一個非凡的PLC系統擴展方案，能夠很容易整合到PLC系統中，給工業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在現有的PLC系統上實現極大的改進。這是一個來自美國的私有原始設備制造商，數十年以來一直致力于制造一流的軋制設備和控制系統，用于全世界的鐵和非鐵金屬行業。在這一領域的雄厚技術底蘊使之成為行業的領袖。

I2S也曾經長期使用PLC來自動化和控制生產的軋制設備。最近幾年他們一直在試圖更新軋制設備控制系統，以提高效率和質量。為了提高煉鋼設備的效率和質量，他們主要對其伽馬測量系統進行了改進，以便能更準確地控制金屬厚度。

數年以來，伽馬測量系統一直是I2S產品家族中的標志性產品，現在依然廣受歡迎，但是系統的很多硬件和軟件特征都已經過時了。為了更新該系統并改進其機器，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，實現高度精確的厚度測量，再由PLC使用在軋制機器的控制系統中。

2、伽馬測量儀技術

伽馬測量儀使用“镅”作為恒發射源，這一發射源位于“C”框架組裝的較低部。結構的頂部是一個接收器和前置放大器。當通過發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，并轉化成帶厚度測量。

實施改造第一步：現有設備試驗

為了節省時間和費用，I2S先試著在已有的PLC系統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，這個系統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轉向了PAC技術。它選擇了國家儀器的CompactRIO PAC，以提供改進軋制機器質量所必須的附加功能。CompactRI/O是一個可重置嵌入式系統，既結合了傳統PLC的優點和可靠性，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有一個嵌入式現場可編程門陣列（FPGA）芯片和實時處理器，可通過內置的LabVIEW功能塊來編程。另外，它還擁有超過30個模擬和數字I/O模塊，具有內置信號調節（反鋸齒、隔離、ADC、DAC等）、高速計時（模擬I/O速度達到800kHz ，數字I/O速度達到30 MHz）和高分辨率（24b ADC），可與任何工業傳感器或者觸發器連接。

圖1 CompactRI/O架構

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據之后，CompactRIO使用內置的NI LabVIEW實時浮點功能塊來在實時處理器中對數據進行處理，并將之轉化成精確的厚度測量。

LabVIEW的實時功能塊對數據進行確定的高級對數處理（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到相連的PLC上，又不會降低現有PLC控制系統的速率。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絡的CompactRIO系統。這三個系統都是智能節點，能利用一個工業標準Modbus/TCP、TCP/IP或UDP協議進行通信。其中有兩個系統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 典型系統拓撲

第三個CompactRIO系統則從另外兩個系統中取得厚度值，并轉換成模擬輸出測量值，輸入到正在控制軋制機器的PLC上。所有三個系統都通過以太網連接實現了互連，并使用一個UDP以太網信息協議來傳輸厚度測量值計算。將PAC連接到現有PLC架構上有三個基本方法：

1. 基本模擬和數字I/O。模擬/數字信號能夠從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據從CompactRIO PAC傳輸到運行軋制機器控制系統的PLC上的。

2. 工業網絡。大多數PAC產品都支持工業協議，如DeviceNet、Profibus 、 CANopen以及基于以太網的協議如TCP/IP、UDP和Modbus TCP/IP。這使得工程師在連接PAC到PLC上時有很多網絡選擇。I2S公司運用的是以太網協議來在CompactRIO PAC之間傳輸數據，并將PAC和PLC連接到形成網絡的HMI。

3. OPC Connectivity PAC還可以作為OPC客戶端或者服務器，并通過OPC標簽來收發網絡數據到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之間可以很容易實現連接。

處理過的數據會以不到20毫秒的間隔在通過以太網互連的CompactRIO系統之間傳輸。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控制系統的過程絲毫不會降低整個系統的速度。

I2S公司可以很容易通過基于LAN的CompactRIO系統和10/100 Mbps以太網接口將系統連接到形成網絡的Allen Bradley PLC，并利用一個標準的TCP/IP協議將之連接到人機接口（HMI）系統。軋制機器中的所有儀器都通過以太網實現了連接，因此不需要在一個電器噪音嘈雜的環境下長距離地傳輸模擬信號了。

3、總結

在未來的幾年，PLC仍將繼續用于自動化領域。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技術給PLC提供了很好的補充，增加了傳統PLC所不能提供的高性能I/O和處理。將PAC連接到現有PLC架構中的方法有很多，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