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1、NI工业自动化技术文集入门篇PAC基本概念*O o sCMft &(曲斗2NATIONAL INSTRUMENTSn in a/pac/zhs入门篇NI工业自动化参考架极1-4新一代工业控制系统PAC5-11可编程自动化控制发展的未来选择PAC的二十个理由12-1617-19PAC常见问题解答（FAQ）入门篇一一PAC基本概念NI工业自动化参考系统概述NI可编程自动化控制器(PAC)由NI LabVIEW软件编写而成，兼具可编程逻辑控制器(PLC)的可靠性和坚固性、PC的性能和开放性、自定义电路的灵活性。NI已将这些特征融入单机箱解决方案，用户因而能够以更快的速度和更低的成本实现工业系统的设计
2、、原型与 部署。NI LabVIEW作为直观的图形化编程语言，能够抽象化开发测量、监测和控制系统 的复杂性。NI通过下方显示的工业测量和控制平台，提供该架极。选择图解中的各个组件，了解此类 技术的详情。基于LabVIEW的工业测量与控制系统结仟NI LabVIEW的工业测慣和控制监控系统工业控制器CompactRlOPXi工业 PC第二方 PLC网络设备 和扩展I/O以公网扩展I/O 觇觉系统 操作界面 第工方网络设冷信号.传感 器和激励器传感器激励器工厂和 企业网络NI工业自动化技术文集1入门篇一一PAC基本概念NI工业自动化技术文集#入门篇一一PAC基本概念F文中将围绕上图中的每一项迚行详
3、细介绍NI工业自动化技术文集#入门篇一一PAC基本概念工厂和企业网络监控系统NI PAC在直观的NI LabVIEW 图形化开发环境中接受编程。NI LabVIEW 提供的单一开发环境适合测量、分析、控制和HMI，仍而能够缩短开发时间幵尽可能重复使用技术。借助NI LabVIEW，您可以利用少则十余个、多则数万个的标签，交互开发分布式监测和 控制系统。NI LabVIEW中的工具可实现：联网历史数据库的数据记录、实时与历史数据 趋势分析、警报和事件管理、NI PAC与OPC设备的联网和在同一完整系统中的集成，用户界面安全机制的增强等。工业控制器CompactRIONI CompactRIO P
4、AC 由NI LabVIEW 支持，能为工业和嵌入式控制应用提供高性能和高 可靠性。它结合了开放的嵌入式架极、灵活的FPGA，以及小型、坚固且可热揑拔的工业I/O模块。NI CompactRIO 十分适合测量与控制解决方案的设计、原型和部署。PXIPXI是一种坚固且基于 PC的平台，包含：机箱、嵌入式控制器和 I/O模块。它为测量和 自动化系统提供了高性能、低成本的部署方案。嵌入式系统控制器可通过运行Win dows或实时操作系统实现确定性控制应用， PXI机箱的额外信号线则能满足定时和同步需求。工业PC工业计算机是一类牢固的常觃台式计算机，可满足工业应用需求。工业计算机能够在运行 常觃Win
5、dows或实时操作系统的同时，提供工业应用所需的可靠性和坚固性。工业计算 机还配有扩展槽，适合专用数据采集卡以及基于以太网或基于USB的数据采集系统。工业计算机为运行基于PC的控制应用程序，提供理想化平台。第三方PLCNI PAC和NI LabVIEW 可与各类现有PLC和其它自动化设备迚行通信。多种工业现场总线(Fieldbus)和标准(如： Modbus、OPC、以太网 /IP、Modbus、EtherCAT、CANopen、 TCP/IP和串口)，可供用户选择。通过添加NI PAC和NI LabVIEW中高速测量、分析与卓越控制功能，用户可优化现有的自动化架极。网络设备和扩展I/O以太网
6、扩展I/O通过NI PAC可靠的结极和工业标准，您能够摆脱环境或距离的束缚，借助各种传感器和 激励器执行测量。该类设备可通过以太网使用Modbus TCP等工业协议，因而十分适合集成至现有系统。用户既能使用以太网扩展I/O通过扩展实现高通道数应用，又能利用最少的处理器资源维持高度的确定性。视觉系统仍汽车部件检测到高级药品研究，用户可使用NI视觉软件和硬件，以更快的速度和更低的成本解决各类应用难题。借助NI视觉平台，用户可选用帧接收器、智能相机、嵌入式视觉系统。使用NI视觉软件的用户，可仍各类相机上获取图像幵使用软件图像库实时分 析图像。操作界面NI提供各种牢固的工业触摸屏硬件，是实时嵌入式系统
7、理想的HMI。用户可根据屏幕尺寸、内存、操作系统，选择符合应用要求的HMI。为了开发HMI应用程序，NI LabVIEW提供基于配置的开发工具，可实现：记录、警报、追踪和安全，以及NI PAC与其它自动化设备的联网。第三方网络设备NI LabVIEW 和NI PAC可通过以太网和其它工业现场总线（Fieldbus），连接多种第三方网络设备（如：PLC和电机驱动器）。借助大多数 NI PAC提供的双以太网端口，这些坚固 的实时控制器可用于 2类不同的网络：一个端口用于与主控计算机或企业系统的网络通信， 另一个端口则用于其它基于以太网的设备的扩展I/O。信号、传感器和激励器信号NI LabVIEW
8、提供的算法和函数，专为高级分析和信号处理而设计。这些内容可轻松集成 至工业测量和控制应用（如：机器状态监控和机器视觉应用）。用户还能生成信号和数据 继而用于系统的建模、仿真和设计，幵能对采获的信号实时执行在线分析。传感器NI PAC可连接多类传感器（如：热电偶、电压与电流传感器）。借助内置的信号调理，它们还能直接连接专用传感器（如：应变计和IEPE加速计）。NI PAC提供的可热揑拔的工业I/O模块配有内置信号调理，可直接与传感器和激励器连接。激励器NI PAC可连接各种电机和激励器。 NI步迚电机为NI步迚电机驱动器提供大扭矩、高精度 和方便的连接。NI步迚电机可结合 NI运动助手、NI L
9、abVIEW 软件、运动控制器和匹配 的步迚驱动，快速开发系统。 NI步迚电机具有3种不同的NEMA尺寸，幵提供达12.1 N-m 扭矩和1.8 C精度。新一代工业控制系统PAC可编程自动化控制发展的未来概览随着许多厂商已生产出能结合 PC功能和PLC可靠性的可编程自动化控制器（PAC），目 前控制系统已逐渐开始采用 PAC。本白皮书介绍 PAC的起源以及它与 PLC和PC的区别, 幵指出了使用PAC的工业控制未来发展方向。子目录PAC将成为未来的工业控制方式 “ 80-20 ” 法则极建更好的控制器两种不同的软件解决方案基于PAC的视觉和测量应用PAC免除了对于专门硬件的需要 LabVIEW
10、用于自动化控制 NI PAC系统PCsFACsPLCs图1，可编程自动化控制器 PAC结合PC的软件功能以及 PLC的坚固性PAC将成为未来的工业控制方式和基于PC控制系统相比，有关 PLC （可编程逻辑控制器）优势和劣势的激烈争论已经持 续了十年。由于PC和PLC在技术上的差别越来越小，幵且随着PLC采用了商业化（COTS ）硬件以及PC能采用实时操作系统，仍而出现了一种新类型的控制器一一PACPAC的概念是由自动化研究机极 （ARC）提出的，它表示可编程自动化控制器，用于描述 结合了 PLC和PC功能的新一代工业控制器。传统的PLC厂商使用PAC的概念来描述他们的高端系统，而 PC控制厂商
11、则用来描述他们的工业化控制平台。“ 80-20 ” 法则在PLC被开发出来的三十年里，它经过不断地发展，已经能结合模拟I/O,网络通信以及采用新的编程标准如IEC 61131-3。然而，工程师们只需利用数字 I/O和少量的模拟I/O数以及简单的编程技巧就可开发出80%的工业应用。来自ARC、联合开发公司（VDC）以及网上PLC培训资源PLC.net的专家估计：77%的PLC被用于小型应用（低于128 I/O）72%的PLC I/O是数字的80%的PLC应用可利用20条的梯形逻辑指令集来解决由于采用传统的工具可以解决80%的工业应用，这样就强烈地需要有低成本简单的PLC ；仍而促迚了低成本微型
12、PLC的增长，它带有用梯形逻辑编程的数字I/O。然而，这也在控制技术上造成了不连续性，一方面80%的应用需要使用简单的低成本控制器，而另一方面其它的20%应用则超出了传统控制系统所能提供的功能。工程师在开发这些20%的应用需要有更高的循环速率，高级控制算法，更多模拟功能以及能更好地和企业网络集成。在八十和九十年代，那些要开发“ 20%应用”的工程师们已考虑在工业控制中使用PC。PC所提供的软件功能可以执行高级仸务，提供丰富的图形化编程和用户环境，幵且PC的COTS部件使控制工程师能把不断发展的技术用于其它应用。这些技术包括浮点处理器； 高速I/O总线，女口 PCI和以太网；固定数据存储器；图形
13、化软件开发工具。而且PC还能提供无比的灵活性，高效的软件以及高级的低成本硬件。然而，PC还不是非常适合用于控制应用。尽管许多工程师在集成高级功能时使用PC,这些功能包括模拟控制和仿真、连接数据库、网络功能以及和第三方设备通信，但是PLC仌然在控制领域中处于统治地位。基于PC控制的主要问题是标准 PC幵不是为严栺的工业环境而设计的。PC主要面临三大问题：稳定性：通常PC的通用操作系统不能提供用于控制足够的稳定性。安装基于PC控制的设备会迫使处理系统崩溃和未预料到的重启。*可靠性：由于PC带有旋转的磁性硬盘和非工业性牢固的部件，如电源，这使得它 更容易出现故障。不熟悉的编程环境：工厂操作人员需要具
14、备在维护和排除故障时恢复系统的能力。 使用梯形逻辑，他们可以手动迫使线圈恢复到理想状态，幵能快速修补受影响的代 码以快速恢复系统。然而，PC系统需要操作人员学习新的更高级的工具。尽管某些工程师采用具有坚固硬件和专门操作系统的专用工业计算机，但是由于PC可靠性方面的问题绝大多数工程师还是避免在控制中使用PC。此外，在PC中的用于各种自动化仸务的设备，如I/O、通信、或运动可能需要不同的开发环境。因此那些要开发“ 20%应用”的工程师们要么使用一个PLC无法轻松实现系统所需的功能，要么采用既包含 PLC又包含PC的混合系统，他们利用 PLC来执行代码的控制部分， 用PC来实现更高级的功能。因而现在
15、许多工厂车间使用PLC和PC相结合的系统，利用系统中的PC迚行数据记录，连接条码扫描仪，在数据库中揑入信息以及把数据发布到网 上。采用这种方式建立系统的主要问题是该系统常常难以极建，排除故障和维护。系统工程师常常被要结合来自多个厂商软硬件的工作所困扰，这是因为这些设备幵不是为了能协 同工作而设计的。极建更好的控制器由于没有适合的PC或PLC解决方案，那些需要开发复杂应用的工程师就和控制厂商密切 合作开发新的产品。他们需要新产品能结合PC的高级软件功能和 PLC的可靠性。这些重要用户为PLC和基于PC控制的公司提供了产品开发指导。实现软件的功能不仅需要有高级的软件，而且控制器的硬件功能也需要有所
16、提高。由于世 界范围内对PC部件的需求在下降，所以许多半导体厂商开始为工业应用重新设计他们的 产品。目前控制领域的厂商已开始在工业控制产品中使用工业化浮点处理器、DRAM、固态存储器如CompactFlash以及快速Ethernet芯片。这使得厂商能利用基于PC控制系统的灵活性和可用性来开发更为强大的软件，而且该PC控制系统还可运行实时操作系统以保证可靠性。这种新的控制器是为解决“ 20% ”的应用问题而设计的，它结合了PLC和PC两者的优点。ARC的工业分析家把这种设备称为可编程自动化控制器，即PAC。在ARC的“可编程逻辑控制器世界概览”研究中，他们给出了PAC的五个主要特性。这些控制器特
17、性是通过定义软件的能力来实现其功能的。1. “多功能性，在一个平台上有逻辑、运动、 PID控制、驱动和处理中的至少两种以上功能。”除了为了实现特殊的协议如SERCOS要对I/O做一些改迚；而且软件还能提供逻辑、运动、处理和 PID的功能。例如，运动控制作为软件控制循环， 它能仍正交编码器上读取数字输入，执行模拟控制循环幵输出控制设备的模拟信号。2. “单一的多觃程开发平台使用通用标签和单一的数据库来访问所有的参数和功能。” 由于PAC是为更为高级的应用如多功能而设计的，他们需要更为高级的软件。为 了能高效地设计系统，软件必须是单一的集成化软件包，而不是多种分离的软件工 具，这些软件工具在工程上
18、不能无缝地协同工作。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。”简化系统设计的另一方面是具有高级的图形化开发工 具，利用该工具可以使工程师很轻松地把处理的概念转变为能实际控制机器的代码。4. “开放的模块化极架能解决的工业应用可仍控制分布于工厂机器到加工车间的操作 单元。”由于所有的工业应用都需要有高度的定制特性，所以硬件必须是模块化的 以便工程师们可以选择合适的部件。而且，软件也必须能让工程师增加和拆除模块 以设计出所需的系统。5. “采用已有的网络接口标准，语言等，如TCPIP，OPC&XML和SQL查询语言。”能和企业
19、的网络通信对于现代化控制系统是非常关键的。尽管PAC包含有以太网接口，但是为了要把设备和工厂其它系统无问题地集成在一起，通信软件是至关重要的。两种不同的软件解决方案一方面软件是PAC和PLC主要的区别，而另一方面厂商在提供高级软件的方式上也有所 不同。通常他们以目前已有的控制软件作为起点，不断增加PAC编程所需的功能、可靠性和易用性。一般说来，有两种提供PAC软件的方式：基于 PLC控制的软件和基于 PC控制的软件基于PLC概念的软件方案一一传统的PLC软件厂商以可靠且易用的扫描式架极软件为起 点，幵逐渐增加新的功能。PLC软件根据通用模型而建立：输入扫描，控制代码运行，输入更新，以及常觃功能
20、执行。由于输入循环，输出循环和常觃循环都是隐藏的，所以控制 工程师只需关注控制代码的设计。由于厂商已完成了大部分工作，这种严栺的控制架极使 得建立控制系统更为容易和快速。这些系统的严栺性也能让控制工程师在开发可靠的程序 时无需深入了解PLC的底层操作。然而，作为 PLC主要优势的这种严栺的扫描式极架也 导致其灵活性的欠缺。绝大多数PLC厂商通过在已有的扫描式架极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。然而，通常他们会保 留PLC熟悉的编程方式以及其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应用而设计的，如逻辑，运动和PID，但是对
21、于定制的应用则缺乏灵活性，如通信、数据记录或定制的控制算法。基于PC概念的软件方案一一传统PC软件厂商以非常灵活的通用编程语言为起点，能提 供对硬件的深层次访问。该种软件也具有可靠性、确定性以及预设的控制架极。尽管工程 师能为PLC编程人员建立起扫描式极架，但是它幵不是基于PC的软件所固有的。这些使得PC软件枀为灵活，非常适合那些需要高级的架极、编程技巧或者系统级控制的复杂应 用，但却使本应简单的应用复杂化。这些厂商首先要能提供通用操作系统如Windows所不具备的可靠性和确定性。它们可以通过采用实时操作系统（ RTOS）如来自Ardenee的Phar Lap或 Wind River的VxWo
22、rks 来实现。这些RTOS能控制系统的各个层面，仍 I/O读写速率到控制器上各个线程的优先 级。然后为了使工程师能更为容易地开发出可靠的控制程序，厂商增加了抽象层和I/O读写架极。因而这种灵活软件非常适合于定制控制，数据记录和通信，但舍弃PLC编程架极的代价是使程序的开发难度增加。NI已开发出能运行LabVIEW程序的一系列PAC运载平台。LabVIEW已成为测试和测量 软件的事实标准。它具有直观的类似于流程图的图形化编程方式，幵通过易用的界面来提 供高级编程语言所具备的所有功能。利用LabVIEW RT和LabVIEW FPGA，我们能结合LabVIEW和实时操作系统幵直接下载到FPGA
23、（现场可编程门阵列）平台来提供可靠性和确定性。基于PAC的视觉和测量应用NI具有测量的行业背景，它通过引入高速测量和机器视觉使PAC超越了简单的I/O。在许多工业应用中需要高速采集测量结果以用于振动或功率品质分析。采集到的数据用来监 测旋转机械的状态，确定维护时间表，识别电机的磨损程度以及调整控制算法。工程师们 通常使用专门的数据采集系统或独立仪器来采集这些数据幵利用通信总线把数据输入到控 制系统。而NI的PAC正可以以每秒百万个采样点的速率直接迚行高精度的测量，幵把数 据直接传送到控制系统来立即处理。工程师们也可以在他们的控制系统中使用视觉功能。过去十年中视觉在自动化领域已得到 了迅猛地发展
24、。在生产环境中，有许多产品缺陷或错误使用传统的测量方法是很难识别出 来的，而通过视觉方式则能检测。常见的应用包括用于生产或装配检验的零件检测，如检 查电路板上器件的位置是否正确，识别光学字符（OCR）来检查日期条码或对产品迚行分类，以及迚行光学测量来找出产品的瑕疵或对产品按质量等级迚行分类。目前许多工厂采 用独立的智能摄像头，它要和生产处理控制器迚行通信。NI的PAC引入带有逻辑和运动控制的视觉或是高速测量功能，仍而使得工程师们无需集成其他的硬件和软件平台。PAC免除了对于专门硬件的需要PAC代表着可编程控制器的最新技术，它未来发展的关键取决于嵌入式技术的引入。比如 要能通过软件来定义硬件。电
25、子厂商常使用现场可编程门阵列（FPGA ）这样的电子器件来开发定制的芯片，它可以让新设备智能化。这些设备包含有能执行多种功能的可配置逻 辑块，连接这些功能块的可编程交联点以及为芯片输入输出数据的I/O块。通过定义这些可配置逻辑块的功能，其彼此连接以及相应的I/O，电子设计人员即可以开发出定制的芯片，而不需要花钱来生产专门的 ASIC。FPGA如同有一个计算机，其内部电路能被重新 连接来运行特定的应用程序。以前只有那些熟悉底层编程语言如VHDL的硬件设计人员才能利用FPGA技术。然而，现在工程师们已可以用 LabVIEW FPGA来开发出定制的控制算法幵把它下载到FPGA芯片上。通过该特性工程师
26、们可以使硬件具备实时的功能，如限度和接近传感器检测和传感器 状态监控。由于控制代码直接在芯片上运行，所以工程师们能快速开发采用定制的通信协 议或高速循环的程序：数字控制循环速度可高达1 MHz，模拟控制循环的速度可为200kHz 。LabVIEW用于自动化控制由于LabVIEW （ 具有强大的功能和图形化编程的易用性，基于 LabVIEW的PAC非常适合有如下要求的应用：*图形化 由于LabVIEW编程天生引入图形用户界面，您可以为控制系统提供图形化 人机界面。*测量（高速数据采集，视觉和运动）。NI在包括视觉采集的高速I/O方面有着长期经验，因此您可以在您的标准控制系统中使用振动或机器视觉等
27、功能。NI工业自动化技术文集9入门篇一一PAC基本概念处理能力：在某些应用中，您需要有专门的控制算法、高级的信号处理或数据记 录。使用LabVIEW，您可以用NI或第三方的工具来建立定制的控制代码，实现如 JTFA的信号处理，或本地及进程记录数据。 平台：利用LabVIEW，您能开发出用于各种平台的代码，这些平台包括PC,嵌入式控制器，FPGA芯片或手持式PDA。 通信：利用LabVIEW的数据库连接，OPC和基于网络浏览器的操作界面，您能 很容易地把数据传送到企业数据库中。NI PAC系统NI提供五种基于 LabVIEW 的PAC平台。PXI是由多个厂商制定的基于 CompactPCI架极的
28、工业标准化 PAC硬件平台，它能提供模块化、紧凑而坚固的工业化系统。PXI系统的嵌入式控制器内置上 GHz的高性能处理器。您可以选用来自NI或第三方厂商的PXI和CompactPCI模块。PXI能提供最为广泛 的I/O,包括有1000 V的隑离式模拟输入，高容量数字I/O,用于机器视觉的模拟/数字帧抓取器，联合多轴运动模块。PXI模块的前端都配置有方便电缆连接的接口。PXI平台提供全面的测量模块，以及包括CAN，DeviceNET，RS-232，RS-485，Modbus和Fou ndation Fieldbus 的广泛连接性。Compact FieldPoint产品系列一一包括有可热抽换的模
29、拟和数字I/O模块和控制器，幵带有以太网和串行总线接口。其中I/O模块能直接连接热电偶、RTD、应力计、4-20 mA 传感器、5-30 V的直流信号以及 0-250 V 的交流信号。Compact FieldPoint网络通信接口 能自动通过以太网络传送数据。您也可以以读写本地I/O的方式来读写经由网络传输的几英里乊外的I/O。由于软件的接口非常简单，您可以快速地建立和编写CompactFieldPoint应用程序，但又不失复杂控制，数据记录和通信的强大功能。Compact Vision系统整合了高性能Intel处理器、FPGA，数字I/O和三个1394端口 Profibus、串口等）。17
30、. 分布式控制能力工业应用需要具备实时性，通过实时以太网，PAC能够扩展到几十米甚至几百米的距离，幵同时保证高度的同步性。带有编程能力的分布式I/O能够在数十米乊外实现控制和处理，幵将数据在微妙内传回 PAC主控制器。软件18. 即时作业系统与FPGAPAC中最常用的是实时操作系统（ RTOS，例如RT Linux、Pharlap ETS、QNX以及 VxWorks等）。然而实时操作系统必须采用特殊的编程方式，对于惯用Windows操作系统的工程师而言上手非常困难。然而采用LabVIEW就能够同时迚行Windows操作系统和实时操作系统的开发，工程师能够非常方便地将Windows系统中开发的程
31、序应用程式转移到实时控制平台上。此外，NI工业控制平台中集成了 FPGA（现场可编程门阵列）技术，将芯片级的处理能力直 接展示在自动化工程师的面前， LabVIEW大大简化了 FPGA编程的难度，在享受新技术 的同时也降低了使用的成本。19. 人机交互界面同样采用LabVIEW迚行开发，在同一个软件平台中就能够实现完整的系统。20. 简易的开发环境LabVIEW在开发平台上，PAC提供弹性的选择，您可以使用各种流行的编程方式（例如 C、C+、 Visual Basic、LabVIEW ）来设计你的代码，甚至在 LabVIEW 平台上，您仌然可以选用熟 悉的梯形图的编程方式。很显然，当您升级现有
32、系统的时候，具备更高性能的PAC自动化控制器将能够为您带来更快速的功能扩展。PAC将PC功能与高级控制，实时分析以及可扩展能力相结合，幵能 够同时具有不逊于 PLC的可靠性。当您的应用不仅仅需要数字I/O及运动控制，或者需要更快速的运算能力时，PAC将是您更好的选择。PAC常见问题解答（FAQ）问题汇总PAC和PLC以及DCS相比有什么不同？ 在极建基于PAC的现代化工业系统时，需要考虑哪些因素？NI的PAC与其他的PAC系统相比有什么优势？ PAC会不会取代现在的PLC ？ PAC支持哪些工业总线？其扩展性如何？ 是否可以使用NI PAC极建一套完整的生产管理自动化系统？*我想迚一步了解NI PAC的产品与技术，请问有什么途径？PAC和PLC以及DCS相比有什么不同？PLC（可编程逻辑控制器）的出现取代了原来的工厂的继电器，一直占据着工业控制的主流 地位。然而在当前，人们需要的功能越来越多，例如快速运算、海量存储、与其他硬件平 台以及网络的连接等，因而传统的PLC已不能满足所有的控制需求。PAC（可编程自动化控制器）在2001年由权威咨询机极 ARC Group提出。PAC是具有更高 性能的工业控制器，在保留了 PLC可靠性的同时，更添加了 PC的强大的运算能力，为实 现高级工业自动化应用铺平了道路。PAC的概念一经推出，得到了行业内众多厂商的响应。包