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基于NI PAC平台扩展传统自动化系统功能

作者：NI中国技术市场工程师俞涛

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可编程自动化控制器概述：

在工业自动化控制领域，PLC与基于PC的控制争论持续了很长的时间。现状是，制造商面临越来越多的对控制系统灵活性与多功能性的要求，却又绝对不愿意失去传统PLC的高可靠性以及简单的架构。在这种背景下，2001年全球著名的自动化研究机构ARC提出了PAC（Programmable Automation Controller可编程自动化控制器）概念，并相应给出了PAC的五个主要特性定义，概括起来就是强调在统一开放的软件平台以及模块化的架构下实现逻辑、运动、PID控制到驱动与过程处理等多领域功能。随后，包括Advantech，ICPDAS，GEFanuc，NI，Rockwell，OPTO22等在内的多家自动化厂商纷纷推出或定义了其相应的PAC产品，而有关PAC平台的技术与应用逐渐成为了工控领域的热点。

从最近几年PAC 技术方展来看，各种厂商的系统无论是硬件架构还是软件开发环境，都存在着一定的差别。有些在嵌入式PC 技术基础上结合了模块化的I/O，也有在PLC 逻辑扫描式架构上，通过提升处理器性能并增加控制和网络通信等功能来实现其PAC 系统。显然，技术的不同，提供的性能以及应用领域也就有所不同。而其中，NI 以开放灵活的软件环境LabVIEW 为核心的PAC 平台（如图1），在兼备了PLC 的可靠性与PC 的多功能性的基础上，独创性的引入了FPGA 技术，从而实现最可靠高速的控制回路以及自定义电路的灵活性。可以说，NI PAC 平台的推出为目前市场上较为宽泛的PAC 规范给出了更近一步的诠释与事实参考标准。

图1. NI PAC 平台架构

基于NI PAC 架构，用户可以通过LabVIEW 以图形化的编程方式统一实现传统PLC力所不及的高性能测量、信号处理、控制、机器视觉以及企业级信息系统连接功能，又可以将这些高级功能与传统工业自动化设备无缝集成起来，并保证系统运行的可靠性。随着全球化市场的发展，对于制造商来说，为了保持其竞争力，就必须要不断的在其产品性能、生产效率、新功能投入中的一项或者多项有所提高。

与之而来的就是，对已有产线或者装备上的自动化系统性能的扩展要求以及在成本、系统集成的各种困难。应对这种趋势，发挥上述NI PAC 平台的特性与优势，恰恰为当前工业自动化应用扩展需求与挑战给出了解决办法。也正得益于此，NIPAC 平台在众多工控供应商中脱颖而出，在石油石化，电力能源，机械制造等各个行业与领域都获得了众多成功应用。

下面，我们就通过具体的应用实例分析，探讨NI PAC 平台如何帮助各行业的工程师们扩展其传统自动化系统的性能，构建领先可靠的工业测控应用。

采矿业：重型电动挖掘机在线状态监控系统

这是一个非常具有代表性的案例，用来说明如何利用NI PAC 平台在已有自动化控制系统中引入新的复杂功能，从而实现提高装备的整体性能的提高。

在采矿业，一辆用于露天采矿的重型电动挖掘机单次可完成12 辆卡车对应的铁矿（合计100 吨）装载与运输工作。作为关键装备，任何预料之外的故障或停机都会对生产造成直接的影响。但是，由于缺乏设备即能够满足恶劣环境下运行的可靠性要求，又具备足够的信号处理与控制能力，在线故障监控技术一直很难成熟的应用于这类电动挖掘机。直到智利CADETECH 公司构建的SiAMFlex（灵活监控的高级系统）的出现，这种状况才得到了改变。SiAMFlex 系统的核心就是适用于大型机器嵌入式控制、设备状态监测以及恶劣环境下监控应用的NI CompactRIO PAC 平台。

图2. 基于NI PAC在线监控的重型挖掘机

首先，Concepcion 大学的Pedro 教授基于NI LabVIEW 软件环境开发出一套专门针对挖掘机监测的分析算法并发布到CompactRIO 平台。利用其集成的FPGA 技术，系统能够完成振动、应变以及编码器这些关键信号的高速同步采集，并将实时的信号处理结果与参量做连续高速的阈值比较，据此判断当前运行状况并根据设定做出及时报警。另一方面CompactRIO 以模拟I/O 的通信方式与挖掘机的控制装置连接，实现机器运行信息的交互，从而实现一定的故障自校正的功能。对于进一步健康预测所需的大量复杂数据分析，则是通过无线网络上传到主服务器的方式来的实现。而所有高速测量、信号处理与控制，以及通信功能包括触摸屏应用的开发，都是基于LabVIEW 统一的平台完成的，充分体现了NI PAC 软硬件平台的开放性、灵活性。CompactRIO 所具备的-40 至70 摄氏度工作温度范围，50g抗振动能力使其完全能胜任野外工作的可靠性要求。

石油天然气: 墨西哥PEMEX 基于NI PAC 平台实现原油配送统一管理

随着原油价格突破每桶120 美元关口，以及可开采资源的日益短缺，越来越多的石油天然气供应商，着手提高油田测量与控制的精度，并将底层或分散的自动化控制与上层的企业级管理信息库连接，从而精确了解生产到配送过程的每个细节，提高管理的效率。对于这种需求，如何在整合已有的设备及现场仪器仪表，并实现信息的透明，成为需要解决的关键问题之一。

图3. PEMEX 使用NI LabVIEW 与PAC 提高原油配送系统效率

PEMEX 是全球第五大原油生产商，管理着墨西哥每天价值30 亿美金约150 桶的原油输送与分配系统。之前，其下属12 个分站采用不同的设备以及内网协议来监测各自的配送情况，再以电话或Email 的方式与主系统协同。为加强对各分站的管理，提高系统整体协调性，PEMEX 选择NI LabVIEW 平台构建一个集成、低成本的监控系统。结合LabVIEW 数据记录与监控工具包以及NI OPC 服务，工程人员很方便的完成各站点不同设备与网络间的通信与互联，并统一实现实时数据记录与报警，企业数据库连接以及报表生成。此外，对于某些无法达到系统测量要求与实时性的环节，通过引入了NI Compact FieldPoint PAC 系统予以解决。其所提供的高级测量功能与整体系统可以无缝的集成，这部分成本也被降到了最低。

电力行业：使用NI PAC 确保核电站反应堆安全

核电站每年都需要例行两次检查反应堆可能存在的锈斑，以杜绝放射性污染以及厂站隐患。这种检查一直以工作人员进入核反应堆区域的方式进行，成本和危险性都极高。而且由于防辐射服对行动和视角的限制，实际效果也完全令人满意。为此位于美国加州的Diablo 峡谷核电站找到Brooks 公司，希望后者能实现自动的监测装置。Brooks 根据功能需求，设计了一套基于机器人方式的解决方案：远程控制机器人进入高辐射区，再通过多路机器视觉等多种传感器将监测图像和信号传回中央控制室进行判断处理。

由于，整个方案需要用到机器视觉、运动控制及多种混合信号的采集，控制器也必须具备在次级辐射区运行的可靠性，Brooks 选择了基于NI PAC 的解决方案。基于LabVIEW 实时操作系统的PXI PAC 平台，结合模块化的I/O，可以灵活可靠的操控进入反应堆的机器人，并实时采集现场的图像、温度、气压以及位置等信息。再进一步通过以太网方式与位于安全区的操作员进行实时通信，完成检测操作。该系统同时被用来监控反应堆总电源输出，实现了能源损失情况记录与报告的附加功能。

Brooks 公司总结这个项目时谈到：“由于借助了LabVIEW 实时模块的可靠性、PXI的模块化特性以及多种可选择的I/O，使得该解决方案能够在恶劣的核电站环境中确保正常操作。”

机械制造：GE 中国研制新型高性能电火花加工过程控制器

用于精密机械加工的电火花加工过程控制器(EDM)通常有PC 或者微控制器（μC）两种方式。PC 方式存在实时性能较弱, 稳定性差等致命弱点；基于μC 方式的专用系统，存在开放性较差、最终用户没法修改工艺、维护困难等缺点。GE（通用电气）在对其飞机发动机零件加工应用中，为了克服上述两种传统方式的各自不足之，其中国研发中心决定开发一个独立的EDM 控制器，将复杂的伺服控制，实时放电过程监控和高度稳定、可靠性等特点都能集成于一体。对于该控制器，其核心要求在于精确的捕捉微秒级的电火花放电间隙信息，判断当前工艺所处的放电状态，执行高速伺服算法，调制控制加工电源电压、电流和波形输出。

为此，GE 公司采用NI CompactRIO 平台来实现该控制器，电火花采样速率达到800KS/s 及12 位精度，而伺服算法运行于FPGA 芯片上，保证了微秒级的闭环周期以及最高的控制优先级。而次优先级的EDM 与CNC 系统协调工作，运行在自动化控制器的实时操作系统层，通过模拟及数字I/O 通信，调整机床的运动速度及相应措施，以保证稳定高效的加工过程。这样上层的监控管理应用程序，不会影响控制器的实时控制层和FPGA 硬件层的确定性工作，进一步超越了传统加工方式的限制。

整个三层应用体系，从FPGA 自定义硬件功能、实时层任务协调以及管理层的人机界面与通信均采用统一的NI LabVIEW 图形化开发平台，从而大大缩短了开发周期，开发人员仅用两个多月的时间就构建了整个系统。

总结：

上述的应用，实际上只是NI PAC平台在各个行业自动化领域应用逐中渐崭露头角的一部分。但从中，我们完全可以看出，NI PAC平台的推出，前所未有的满足了当前工业自动化系统对多功能性、开放性与可靠性、稳定性的要求。用户也得以从自身的研发或生产实际需求出发，灵活的增加PAC平台所提供的高级的测量、分析与控制功能，扩展其已有自动化系统的性能，从而不断提高生产效率以及品质，从容应对激烈市场竞争所带来的挑战。

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (8/7/2008)


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