NI下一代工業(yè)測控系統(tǒng)——更高精度更快控制

——記NI技術(shù)研討會(石家莊站)

中國電子應(yīng)用網(wǎng)--張穎報道

2009年7月22日，由美國國家儀器有限公司（NI）主辦、中國電子應(yīng)用網(wǎng)協(xié)辦的“下一代工業(yè)測控系統(tǒng)”研討會，在石家莊隆重召開。本次研討會主要圍繞著“PAC——可編程控制器平臺在工業(yè)自動化測控系統(tǒng)中的應(yīng)用”這一主題，與各位與會工程師和專家共同分享了NI高性能的測控解決方案。

圖1： NI區(qū)域銷售工程師付文武先生，為在座工程師詳細(xì)介紹各應(yīng)用和解決方案

工業(yè)控制與自動化行業(yè)發(fā)展

眾所周知，從20世紀(jì)60年代開始，西方國家就依靠技術(shù)進步（即新設(shè)備、新工藝以及計算機應(yīng)用）開始對傳統(tǒng)工業(yè)進行改造，使工業(yè)到飛速發(fā)展。全球市場導(dǎo)致競爭空前激烈，促使企業(yè)必須加快新產(chǎn)品投放市場時間（Time to Market）、改善質(zhì)量（Quality）、降低成本（Cost），這就是工業(yè)自動化競爭力的三要素T.Q.C.。

圖2： 會議現(xiàn)場工程師正在認(rèn)真聽演講

而在我國，中小型企業(yè)以及準(zhǔn)大型企業(yè)主要是走低成本工業(yè)控制自動化的道路。目前，工業(yè)控制自動化主要分為三個主流方向：一是以工業(yè)PC為基礎(chǔ)的低成本工業(yè)控制自動化；二是以PLC為主的工業(yè)控制自動化，長期以來，PLC始終處于工業(yè)控制自動化領(lǐng)域主戰(zhàn)場，為各種各樣自動化控制設(shè)備提供非常可靠控制方案；三是以芯片為平臺的工業(yè)控制自動化，例如單片機、FPGA等。

然而在當(dāng)前，人們需要的功能越來越多，例如快速運算、海量存儲、與其他硬件平臺以及網(wǎng)絡(luò)的連接等。工程師和科學(xué)家需要一種可以滿足復(fù)雜機器和工業(yè)控制系統(tǒng)開發(fā)的需要的測試系統(tǒng)。PAC （可編程自動化控制器）因此應(yīng)運而生。

下一代工業(yè)測控系統(tǒng)——PAC

圖3： 參會工程師就實際項目中的應(yīng)用積極提問

和基于PC控制系統(tǒng)相比，有關(guān)PLC（可編程邏輯控制器）優(yōu)勢和劣勢的激烈爭論已經(jīng)持續(xù)了十年。由于PC和PLC在技術(shù)上的差別越來越小，并且隨著PLC采用了商業(yè)化（COTS）硬件以及PC能采用實時操作系統(tǒng)，從而出現(xiàn)了一種新類型的控制器——PAC。PAC是具有更高性能的工業(yè)控制器，在保留了PLC可靠性的同時，更添加了PC的強大的運算能力，為實現(xiàn)高級工業(yè)自動化應(yīng)用鋪平了道路。這一結(jié)合了PC靈活性和PLC平臺穩(wěn)定性的新一代工業(yè)測控系統(tǒng)不僅得到了行業(yè)內(nèi)眾多廠商的響應(yīng)，包括NI、倍福、研華等在內(nèi)的眾多知名廠商紛紛推出各自的PAC控制器；而且眾多行業(yè)用戶也逐漸認(rèn)識并應(yīng)用這一高效的平臺，目前PAC產(chǎn)品已經(jīng)被應(yīng)用到冶金，化工，紡織，軌道，建筑，水處理，電力與能源，食品飲料，機器制造等諸多行業(yè)中。

NI公司的PAC平臺的優(yōu)勢

相較于市面上常見的其他PAC產(chǎn)品而言，NI PAC的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在高性能的控制器與強大的軟件平臺LabVIEW上。

NI PAC中集成了工業(yè)實時的處理器和基于目前較熱門的芯片技術(shù)，F(xiàn)PGA，的硬件級的處理器，滿足您對于高速工業(yè)控制應(yīng)用的需求。常見的工業(yè)控制系統(tǒng)的循環(huán)周期一般為毫秒級，工業(yè)實時處理器能夠提供微秒級的響應(yīng)時間，而采用基于FPGA的NI PAC系統(tǒng)，能夠在一秒鐘內(nèi)實現(xiàn)超過400億次的運算，以及百萬次以上的PID閉環(huán)控制，從而獲得納秒級的時間確定性。在高性能處理器的平臺上，NI還提供了豐富的I/O模塊可供選擇，涵蓋模擬、數(shù)字、總線通信以及其它可自定義的I/O，可以實現(xiàn)高達800kS/s的模擬采樣速率，100kS/s的輸出刷新率以及10M的高速數(shù)字I/O通信速率等。

更重要的是，配合高性能的硬件平臺，NI還提供了圖形化的編程軟件LabVIEW作為PAC的軟件開發(fā)平臺，可以針對多種工業(yè)處理器進行開發(fā)，并能夠滿足用戶對高級算法應(yīng)用以及與現(xiàn)有工業(yè)系統(tǒng)連接的要求。

LabVIEW中內(nèi)置了豐富的分析和控制的算法供用戶選擇，并能快速在硬件上實現(xiàn)。如下圖所示，在LabVIEW圖形化的開發(fā)平臺下，算法的實現(xiàn)能夠直觀的對應(yīng)于系統(tǒng)的框圖，從而工程師得以快速完成代碼的開發(fā)。

圖4：在LabVIEW圖形化的開發(fā)平臺進行編程

不僅如此，在LabVIEW的平臺下您還可以非常方便地集成各種工業(yè)總線，并通過OPC Server快速連接到現(xiàn)有的PLC系統(tǒng)。此外，LabVIEW還提供了對機器視覺、運動控制以及人機交互界面(HMI)等硬件的支持，確保工程師在統(tǒng)一的平臺下完成對整個工業(yè)系統(tǒng)的開發(fā)。

案例分析

NI的PAC系統(tǒng)在國內(nèi)已經(jīng)擁有諸多成功案例，例如：使用NI PAC優(yōu)化軋鋼機控制速率與精度；勝利油田石油管道泄漏監(jiān)控系統(tǒng)；四方機車高性能列車機車控制系統(tǒng)；高速電鋸制動系統(tǒng)；FedEX貨機安全滅火系統(tǒng)的快速發(fā)布；GE中國使用CompactRIO開發(fā)EDM過程控制器；杭州鋼鐵集團智能原料混合系統(tǒng)；IDG打造油井鉆探新武器；天津大學(xué)高速電池分揀線數(shù)控系統(tǒng)；UCLA使用NI CompactRIO實現(xiàn)熱帶雨林監(jiān)測；全球第五大石油集團的原油分配管理系統(tǒng)。這些成功應(yīng)用無疑體現(xiàn)了NI PAC平臺靈活、高效的特點。借助NI PAC，用戶能夠更為快速經(jīng)濟地設(shè)計、原型和發(fā)布工業(yè)系統(tǒng)， 大大縮短項目開發(fā)周期。

值得一提的是，NI的 PAC平臺同時有效擴展了視覺功能。作為測試測量行業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)者，NI通過引入高速測量和機器視覺使PAC超越了簡單的I/O。在許多工業(yè)應(yīng)用中需要高速采集測量結(jié)果以用于振動或功率品質(zhì)分析。NI的PAC可以以每秒百萬個采樣點的速率直接進行高精度的測量，并把數(shù)據(jù)直接傳送到控制系統(tǒng)來立即處理。此外，該平臺引入帶有邏輯和運動控制的視覺或是高速測量功能，從而使得工程師們無需集成其他的硬件和軟件平臺。

圖5： 付文武工程師認(rèn)真解答工程師的問題

精彩的技術(shù)演進結(jié)合實際儀器展示，讓許多在座聽眾都有意猶未盡的感覺，紛紛走到臺前和付文武工程師就PAC的應(yīng)用和產(chǎn)品特性進行交流。付文武工程師都一一進行了解答，在一問一答中，用戶更深刻地體會著PAC的創(chuàng)新價值，在目睹PAC可喜進步的同時，與NI進一步切磋著PAC的解決方案和應(yīng)用體會。