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未来工控领域的替代品—PAC

供稿:gsanpeng 2013/9/23 11:40:30

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  • 关键词: PAC PLC控制器
  • 摘要:当今的自动化技术发展迅速,正处于一个快速变革的时代。从半导体到消费类电子产品、再到汽车和航空制造业、以及轻工业和物流行业等多种不同的工业领域都面临着日益激烈的全球竞争压力,他们需要进一步降低成本、缩短产品生产周期,并能够迅速完成产品的更新换代。而采用最新的自动化技术正是解决这一系列问题的有效手段。

1PAC控制技术产生的背景

   20世纪70年代,PLC取代了原有的继电器控制系统以来,被广泛地使用到各种控制系统中,成为自动化领域中极具竞争力的控制工具。其优势为:高可靠性和稳定性。但传统PLC的体系结构是封闭的,各PLC厂家的硬件体系互不兼容,编程语言及指令系统也各异,当用户选择了一种PLC产品后,必须选择与其相应的控制规程,并且学习特定的编程语言。尽管如此,PLC还是在很多工业应用中被使用。据来自ARC、联合开发公司(VDC)以及网上PLC培训资源PLCnet的专家估计,80%的PLC用于小型应用(1128IO);78%的PLCIO是数字的;80%的PLC应用问题可由20条梯形逻辑指令集来解决。但是,如果要在工程中开发剩余的20%的应用时,我们就不得不突破PLC的限制了。

   20世纪90年代,随着计算机技术的不断提高与发展,人们开始考虑使用PC机来进行系统控制,以求通过PC来满足剩余的20%的应用,给用户带来更多的选择。在许多工程应用中,PC机已能实现原来PLC的控制功能。并且具有更强的数据处理能力、强大的网络通讯功能以及能够执行比较复杂的控制算法和其近乎无限制的存储容量等优势。但是基于PC的自动化控制也有其不足之处,其设备的可靠性、实时性和稳定性都较差,而这3个方面正是在工业现场经常需要克服的问题。

2PAC控制技术的特点及其优势

    由于PCPLC都有其各自的优缺点,因此;人们开发出了新的控制器来解决20%的应用,并把PLCPC的特性最佳地结合在一起。市场调查公司ARC咨询机构首次采用了PAC或可编程自动化控制器这一术语,它定义了一种新类型的控制器,该控制器是由一个轻便的控制引擎作为支持,并且提供了多种功能的开发工具。这种控制器结合了PC的处理器、RAM和软件的优势,以及PLC固有的可靠性、坚固性和分布特性。在ARC可编程逻辑控制器世界概览研究中,ARC提出了PAC5个重要特点。分别为:①多功能性,在一个平台上至少有两个逻辑、运动、PID控制、驱动和处理功能;②单一的多功能开发平台使用通用的标记和单个数据库来访问所有的参数和功能;③通过结合IEC61131—3,用户向导和数据管理,软件工具能设计出在跨越多个机器和处理单元的处理流程;④开放的,模块化结构能解决从工厂机器布置到加工车间中单元操作的工业应用;⑤采用既定的网络协议和程序语言标准来保障用户的网络数据交换,如TCPIPOPCXMLSQL查询语言。

  与传统的控制技术相比,PAC技术主要具有以下优点:

  1)采用单一的控制器。PAC具有单一的控制器,可用于处理数字和模拟IO,具有运动视觉功能和模块化仪器,因此当用户需要视觉等功能时就不必购买其他控制器了。

  2)高级控制。高级控制如模糊逻辑和神经网络等控制技术不仅需要强大的浮点处理器,而且还需要占用大量的内存,PAC平台就可以满足这些条件。

  3)实时分析。PAC可以实时地采集来自模拟或数字IO通道的数据,并且对这些数据进行实时的分析,从而能有效地检测故障状态。如进行阶次跟踪和振动分析来检测机器的运行状况。

  4)安全性。PLC在通过以太网发送的数据包是非加密的,所以它并不适合用于防止黑客入侵。而PAC发送的数据包是可以加密的。虽然这并不是目前最需要考虑的因素,但是未来安全性必然会成为一个重要的方面。

  5)多种速度的确定性应用。PLC只能以固定的速度运行,所以它不能以不同的速率来独立完成各任务。而PAC上运行的操作系统就具有这样的特性,它可以进行并行处理。

  6)灵活的记忆功能。PAC有一个模块,可升级的记忆功能,允许用户执行系统以满足当前的应用要求,以及可在将来进行一定的扩展。而PLC只有固定的记忆容量。

  7机器视觉。由于受到数据传输速率的限制,PLC平台上不能提供视觉功能。PAC的机器视觉可以检测出利用传统的方法很难测量出来的产品缺陷和错误。

  8)提高生产率。一个通用的轻便控制引擎和综合工程开发的平台允许快速开发、实施和迁移项目工程;并且,由于它的开放性和灵活性,确保了控制点和操作以及企业业务系统之间的无缝连接,优化了工厂的流程,提高了生产效率。

  9)降低了操作成本。由于使用了通用标准架构和网络,使用户能够从成本的角度出发来选择不同的系统部件,而不是专有的产品和技术;只要求用户在统一的平台和开发环境下培训,而不需要学习多种专用环境;为用户提供了一个无缝的迁移路径,保护了用户在IO和应用开发方面的投资。

3PAC控制技术的解决方案及主要产品

  从定义可以看出PAC其实是一个系统的概念。它包括了两部分内容:一体化的软件平台和基于开放式模块化结构的硬件平台。PAC技术的解决方案也围绕这两个方面展开。

  一般来说,有两种提供PAC软件的方式:基于PLC控制的软件和基于PC控制的软件。

  1)基于PLC控制的软件方案。绝大多数PLC厂商通过在已有的扫描式架构中增加新的功能来建立PAC软件,这些新功能包括以太网通信,运动控制和高级算法。通常他们会保留PLC熟悉的编程方式以及在逻辑和控制方面固有的特点。因此这种PAC软件通常是为了适合特殊类型的应用而设计的。

  2)基于PC控制的软件方案。在PC方面,主要的解决方案是通过采用实时操作系统(RTOS)如来自美国WindRiver公司的Vx Works来实现的。实时操作系统能够控制系统的各个层面,从IO读写速率到控制器上各个线程的优先级。并且为了使用户能更为容易地开发出可靠的控制程序,生产厂商增加了抽象层和IO读写架构。因而这种灵活的软件非常适合于定制控制,数据记录和通信等方面的应用。

  硬件方面的解决方案主要是依靠先进的CPU技术和开放式的设计(如:工业以太网)。根据摩尔定律,最新的CPU在其体积更小、功耗更低的情况下数据处理能力却变的更强。从而使用户在获得更为稳定、可靠的CPU的同时还获得了出众的计算能力。也使得制造厂商有可能去选择标准的嵌入式系统结构进行设计,摆脱传统PLC因采用专有的硬件结构体系所带来的局限,使系统具有更为丰富的功能前景。所谓开放就是在产品设计、元器件选择、网络通信、操作系统、监控及显示等方面都采用国际标准或大家公认的工业标准。时刻想到标准化就能使不同厂家的产品兼容、互换、并且能连接在同一个网络中运行。像工业以太网就是这样的标准。以太网(Ethernet)自1975年问世以来,至今市场占有率已高达80%,毫无疑问是当今LAN(局域网)领域中首屈一指的网络。以太网可以分为很多等级,一般简单的控制系统没有必要采用以太网,但对复杂的系统是很有用的,操作方便,而且能直观地看到各处的图像。

  目前已有多个厂家提供符合PAC定义的特征和性能的产品,其中主要的应用产品如下:

    GEFanuc公司的PAC是由一体化的软件开发平台CIMPLICITY Machine EditionME)和开放式模块化硬件平台PAC Systems RX3i7i构成的。ME包括3个软件包,如图1所示。   

http://www.e-works.net.cn/images/128003567166250000.GIF
1 GE PAC

  其中View是人机界面工具包,实现SCA—DAHMI功能;Logic DeveloperSoft—logic开发包,它完全符合IEC61131国际标准,提供所有开发、监控和调试程序的必须工具;Motion De—veloper是运动控制开发包,用来确保运动控制程序的开发,并且提供了多达100个运动控制和复杂控制的算法模块。在硬件平台方面,GE Fanuc公司目前推出了PAC Systems RX3i7i两个系列的产品。

  NI公司的PAC,其特色在于整合了测试测量领域中应用非常广泛的开发平台LavViewPAC系统开发软件LabVIEW不仅为用户提供创建复杂测量控制系统的编译灵活性,同时因为它直观的图形化开发界面而变得非常容易使用。在LabVIEW中,用户可以利用数百个内置的控制和分析函数,快速开发各种复杂程序。用户还可以在LabVIEW中调用其他软件开发的程序代码,来进行处理IO、运动控制、机器视觉及仪器通信等各种应用。PAC系统开发硬件包括Compact FieldPointCompactRIOCompact Vi-sion SystemIndustrial PC。如图2所示。

http://www.e-works.net.cn/images/128003567359843750.GIF
2 NI PAC

  ICPDAS泓格科技的PAC的主要产品有WinConLinConWinCon的操作系统为WindowsCEnetLinCon的操作系统为EmbeddedLinuxWinCon支持串行式连接、Ethernet网络连接、并行式连接;提供了Soft Logic PLC的软件包和Embedded View等套装监控系统;采用OPCModbus两种数据通信方式;具有标准的关系型数据库;并且可以利用Visual Basicnet等多种工具进行自行开发程序。

  除了上述典型产品外,还有一些其他公司的产品,例如:Beckoff公司的CX1000等等。它们也都有自己的特点。

4PAC技术的发展趋势

  随着市场的需要,PAC技术在未来的几年内将朝着以下几个方向进一步发展。

  1)设备规格的多样化。为了满足各种实际生产状况的需要,PAC的规格将会呈现出多样化的发展趋势。在具体的生产环境中,选择合适的控制系统要求的PAC,有利于降低成本。

  2)支持更多的控制功能。目前,PAC已经将逻辑、运动、过程控制等高级功能集成到了单一的平台上。而未来,PAC将进一步融合更多的功能,例如对于安全性的考虑,批处理等等。当信息被越来越广泛地使用时,其安全性就将成为需要考虑的第一因素。

  3)商业系统的集成。为了实现真正的实时性,自动化设备供应商将在PAC内部继续创建商业系统的连接通道而不依赖于其他的连接设备。PAC将内嵌制造执行系统(MES)的一些属性,例如:标准接口的建立,它将有利于更好地解决控制层和管理层之间的连接问题。

  4)简单的系统维护。PAC将往更小化更智能化的方向发展,但同时它将拥有更出众的数据处理能力。其软件可以监控机器运转状况,硬件可以完成复杂的自检工作。为了提高生产率、增加利润,企业就必须及时有效地传递数据信息。PAC的这种数据处理能力,可以满足用户在任何时间通过任何形式(如:e-mail,网页)对数据进行维护。

  5)延长产品的生命周期。通过采用新技术来获得更高生产效率固然十分重要,但是新技术的使用是否会大幅增加成本和培训费也是厂家十分关注的问题。PAC未来平台将仍然采用标准化的设计,其卖主可以继续使用原来的商业技术和以太网等标准,从而有效地降低了对成本的投入。

5、可编程自动化控制器(PAC)在交通领域的应用设计

  ITS系统集成最大的挑战是如何将各子系统的数据透过控制器实时的独立处理(Stand-alone)与正确大量运算,且在最短的时间内将运算后的有效数据,透过以太网或光纤网络将所有处理过的有效数据送回中央端的中央计算机作数据的各种分析报表,进而形成实时的交通决策的重要依据。

  要达成如此庞大系统且能够分析出实时的正确报表,在整个的系统架构上控制器扮演着重要的关键,不但控制器本身要能够耐受高速公路、隧道内等极度恶劣的环境(高温 / 潮湿 / 落尘重 / 雷击 )因素,且能够稳定地扮演数据收集、逻辑运算、突发复杂事件运算、数据备份、通讯等多功能的平台,所能处理,PAC分布式交控系统架构比较IPC工控机的传统架构更能稳定实时地完成此类任务。

  泓格的Micro PAC微型可编程自动化控制器与分布式模块在(ITS)智能型交通监控系统的整合应用是现今在长距离的交控系统整合应用的主要架构之一,智能型交通监控系统可分为下列三种应用架构:

1)道路环境监测

  透过分布式模块将远程数据(风速/雨量/浓雾/坍方侦测器)收集,再由MicroPAC (I-7188/I-8000)经过运算转换成有效的气象与环境信息,并可直接连网回传到监控中心,判断是否须关闭某路段以维护行车安全。

2)道路行车状况监测

  透过Loop感应器可将车辆车速、车长、经过时间(单位路面拥挤程度)数据记录并回传中控中心,以判断车流状态是否要采取管制(限量)、开放路间或封闭交流道并透过广播系统建议驾驶人改道。

3)隧道环境安全监测

  收集隧道口辉度计的讯号值,透过Mirco PAC的运算和控制,调整隧道出入口灯光明暗变化,让驾驶人在进入隧道内时,内外灯光明暗变化不会超过眼球所能适应的状态,以确保驾驶人的安全;隧道内的测烟计可测量是否有火警发生,以启动火警消防系统警报,并将抽风机依序打开保持隧道空气流通,避免行驶人吸入浓烟而产生危险。

4)方案比较

  (1)传统方案。如图1所示。以往数据收集系统是以远程分布式的架构,从远程传感器收集数据给主机控制器(master),再传给计算机完成运算,最后上传到中控室计算机主机。旧式架构会产生2项缺点:

·倘若数据量过大数据直接上传给计算机容易造成数据流「瞬间堵车」现象;

·交控系统范围大、距离长,若主机控制器无法直接连网,会造成现场端须再配备IPC上网,不仅提高成本且易造成系统的不稳定。

11.png

1 旧型三层式ITS数据收集系统

2)新式架构。如图2所示。采用可连网及可程序的主机控制器(Micro PAC),可以将旧式架构「中央集权式」的三层式架构,把远程I/O资料全部集中在PC端,改成新架构「地方分权式」的分布式架构,由各区域现场主机(Micro PAC)实时处理远程I/O的讯号并运算转换成有效的数据后连接以太网或光纤网络,如此不但在数据收集转换时具有高效能与高灵活性,同时在长距离与大范围的环境可延伸扩充多个数据收集的子系统,减轻中控计算机的负担提高系统稳定性。

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2 智能型分布式交控系统

3PAC特性简介

l80188-40 CPU512K Flash512K SRAM

lMiniOS7操作系统,兼容ROM-DOS

lRS-232    RS-485

l10Base-T Ethernet

l支持TC/BC/梯形图/指令表编程语言

l支持TCP/IPUDPModbus RTU/TCP通信协议

l支持I/O、存储器、串口扩展

l+10~30VDC供电,-20~+75℃工作温度范围

6、结束语

  PAC既可以满足工业控制系统对于开放性和柔性的要求,又可以满足用户对稳定性和可靠性的要求。利用PAC控制技术,可以有效地为客户降低生产成本、提高生产效率,实现收益的增长。ARC指出,尽管PLC的价格在逐渐下降,但是其整体销售额在未来的几年内仍趋于上升。而作为结合了PCPLC优势的PAC,我们有理由相信随着PAC技术的不断完善、发展和价位逐步的逼近于PLCPAC技术必将在未来的工业自动化领域中成为控制系统的主流。

 

参考文献

 

 

[1] 中国工控网gongkong论坛 -PACPLC的理想替代者 2013-03-06 供稿:中国工控网

[2] 中国工控网技术中心-专业论文-新兴的可编程自动控制器PAC特征与应用 2008-01-30  供稿:中国工控网

作者简介,安鹏,出生于198312月,性别:男,民族:汉,籍贯:甘肃省镇原县,最高学历:专科,职称:中级;主要从事的工作是全省高速公路机电设备的施工、机电设备的设计;主要的研究方向:高速公路收费业务、高速公路隧道机电设备自动控制等。电话:13919872588

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