在二十世紀(jì)六十年代，工程師已使用大型的機(jī)械繼電器模塊進(jìn)行工業(yè)控制。這些系統(tǒng)非常復(fù)雜、難于修理并容易出現(xiàn)故障。到了六十年代末期，Bedford Associates推出了被稱(chēng)為模塊化數(shù)字控制器(MODICON)的新系統(tǒng)，它使用一個(gè)CPU來(lái)執(zhí)行數(shù)字邏輯并有數(shù)字輸入和輸出接口。我們可以把這個(gè)系統(tǒng)當(dāng)作工業(yè)應(yīng)用的第一個(gè)“虛擬儀器”。MODICON 084是第一個(gè)PLC。這種新的PLC能有效地執(zhí)行數(shù)字操作和數(shù)字控制，并且在二十世紀(jì)七十年代中期得到了普遍的應(yīng)用。早期的PLC使用薄片式CPU，如AMD2901，只限于進(jìn)行數(shù)字控制。為了使PLC更可靠和易于編程，它采用嚴(yán)格的控制架構(gòu)和簡(jiǎn)單的指令集。工程師對(duì)大多數(shù)PLC采用梯形邏輯編程，這種編程語(yǔ)言模仿了二十世紀(jì)六十年代的原始繼電器框圖。

  

     滿(mǎn)足應(yīng)用需要的“80-20”原則

     PLC演變到了可以使用模擬I?蛐O、網(wǎng)絡(luò)通信和新的編程標(biāo)準(zhǔn)如IEC 61131-3的階段。然而，工程師所開(kāi)發(fā)的工業(yè)應(yīng)用的80%是使用數(shù)字I?蛐O，少量模擬I/O和簡(jiǎn)單的編程技巧。來(lái)自ARC、VDC和PLCS.net的專(zhuān)家估計(jì)：

     * 80%的PLC用于小型應(yīng)用（1到128 I/O ）

     * 78%的PLC I?蛐O是數(shù)字的

     * 80%的PLC應(yīng)用問(wèn)題可由20條梯形邏輯指令集來(lái)解決

     這就是為什么PLC還使用原始的AMD 2901 CPU以及為什么像Keyence這樣的公司只提供梯形邏輯編程方式。

     盡管80%的應(yīng)用使用簡(jiǎn)單的數(shù)字和模擬控制，但是如果工程師要開(kāi)發(fā)其它20%的應(yīng)用就必須突破PLC的限制。在二十世紀(jì)八十年代和九十年代，這些20%的用戶(hù)考慮使用PC來(lái)進(jìn)行工業(yè)控制，這樣能得到無(wú)比的靈活性和使用高效的軟件和高級(jí)硬件。然而，基于PC的工業(yè)控制有以下弱點(diǎn)：

     * 穩(wěn)定性--通用的操作系統(tǒng)常常不夠穩(wěn)定并且生產(chǎn)線會(huì)受到系統(tǒng)崩潰和無(wú)法預(yù)料的重啟的影響。

     * 可靠性--由于磁性硬盤(pán)的旋轉(zhuǎn)和有電源這樣的堅(jiān)固程度不到工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的部件，PC容易發(fā)生故障。

     * 不熟悉的編程環(huán)境--當(dāng)系統(tǒng)停止時(shí)，工廠的操作人員需要恢復(fù)系統(tǒng)。對(duì)于梯形邏輯，操作人員能知道采用人工方法啟動(dòng)一個(gè)線圈或者補(bǔ)充代碼來(lái)快速恢復(fù)一個(gè)系統(tǒng)。但是使用PC系統(tǒng)，操作人員需要學(xué)習(xí)新工具。

  

     開(kāi)發(fā)出更好的控制器

     由于PC或PLC解決方案不是很全面，對(duì)于復(fù)雜的應(yīng)用工程師常常要和控制廠商密切合作來(lái)開(kāi)發(fā)出新產(chǎn)品。這些重要的用戶(hù)要求產(chǎn)品能結(jié)合高級(jí)的功能和可靠性，并且他們?yōu)镻LC和PC控制公司如Rockwell、Siemens、GE Fanuc、Beckhoff和NI提供開(kāi)發(fā)產(chǎn)品的指導(dǎo)。由此而開(kāi)發(fā)出的新控制器是為解決20%應(yīng)用而設(shè)計(jì)的，它把PLC和PC的特性最佳地結(jié)合在一起。工業(yè)分析家ARC稱(chēng)這些設(shè)備為可編程自動(dòng)控制器或PAC。在他們的“可編程邏輯控制器世界概覽”研究中，ARC提出了PAC的5個(gè)重要特點(diǎn)：

     * 多種功能，在一個(gè)平臺(tái)上至少有兩個(gè)邏輯，運(yùn)動(dòng)，PID控制，驅(qū)動(dòng)和處理功能

     * 單一的多功能開(kāi)發(fā)平臺(tái)采用通用的標(biāo)記和單個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)訪問(wèn)所有的參數(shù)和功能

     * 軟件工具允許通過(guò)多臺(tái)機(jī)器或處理單元處理流程來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，可以結(jié)合IEC 61131-3，用戶(hù)手冊(cè)和數(shù)據(jù)管理

     * 開(kāi)放的，模塊化結(jié)構(gòu)反映了從工廠機(jī)器布置到加工車(chē)間中單元操作的工業(yè)應(yīng)用

     * 采用實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)接口、語(yǔ)言等，如TCP/IP、OPC、XML和SQL查詢(xún)

                  

      NI PAC


     NI的PAC平臺(tái)基于NI LabVIEW 技術(shù)，包括LabVIEW實(shí)時(shí)和LabVIEW FPGA。通過(guò)LabVIEW RT和LabVIEW FPGA，工程師可以使用LabVIEW 開(kāi)發(fā)定制的測(cè)控系統(tǒng)并把它們部署到可靠的運(yùn)行實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的嵌入式平臺(tái)或嵌入到芯片中。PAC被設(shè)計(jì)用來(lái)滿(mǎn)足：

     * 圖形化--由于LabVIEW 的程序開(kāi)發(fā)人員能熟練地開(kāi)發(fā)用戶(hù)界面，所以您可以很容易使控制系統(tǒng)具有圖形和HMI。

     * 測(cè)量（高速數(shù)據(jù)采集、視覺(jué)和運(yùn)動(dòng)）-NI有包括視覺(jué)采集的豐富的高速I(mǎi)/O開(kāi)發(fā)歷史，因此您可以在標(biāo)準(zhǔn)控制系統(tǒng)中結(jié)合如振動(dòng)或機(jī)器視覺(jué)這樣的測(cè)量功能。

     * 處理能力--在某些應(yīng)用中，您需要有專(zhuān)門(mén)的控制算法、高級(jí)的信號(hào)處理或數(shù)據(jù)記錄功能。使用LabVIEW，您可以使用NI或第三方工具來(lái)開(kāi)發(fā)定制的控制代碼，實(shí)現(xiàn)如聯(lián)合時(shí)頻域分析這樣的信號(hào)處理功能以及本地或遠(yuǎn)程記錄數(shù)據(jù)的功能。

     * 平臺(tái)--使用LabVIEW，您可以建立可運(yùn)行于各種平臺(tái)的代碼，這些平臺(tái)包括PC、嵌入式控制器、FPGA芯片或手持式PDA。

     * 通信--使用LabVIEW，您利用如OPC和SQL這樣的工具來(lái)把數(shù)據(jù)傳送給企業(yè)將變得很容易

     * NI提供四種PAC硬件平臺(tái)：

     * PXI對(duì)工業(yè)化PC做了改善，具有實(shí)時(shí)OS、標(biāo)準(zhǔn)的散熱、可選的不旋轉(zhuǎn)固態(tài)硬盤(pán)和內(nèi)置的模塊間同步。PXI標(biāo)準(zhǔn)要求所有的機(jī)箱能為每個(gè)模塊插槽提供25W的空氣流制冷，這樣甚至在使用高功率繼電器，高速PXI或CompactPCI卡時(shí)不會(huì)使工作系統(tǒng)過(guò)熱或者縮短壽命。PXI也提供了能?chē)?yán)格同步各個(gè)模塊的功能，因此工程師可以為高速控制應(yīng)用設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)，視覺(jué)和I/O系統(tǒng)，這些應(yīng)用包括產(chǎn)品包裝和半導(dǎo)體器件處理。 

     * Compact FieldPoint 使用工業(yè)級(jí)的部件來(lái)抗強(qiáng)沖擊和振動(dòng)，其工作溫度范圍為-40℃到 70℃，并且具有Class 1 Division II和Lloyd"s認(rèn)證。它也采用傳導(dǎo)式制冷來(lái)代替旋轉(zhuǎn)風(fēng)扇，由于不使用活動(dòng)部件而提高了可靠性。由于有運(yùn)行實(shí)時(shí)OS的浮點(diǎn)處理器，Compact FieldPoint系統(tǒng)具有PC功能，如用于記錄數(shù)據(jù)的CompactFlash驅(qū)動(dòng)和用于通信的以太網(wǎng)口。

     * Compact Vision系統(tǒng)是為機(jī)器視覺(jué)而專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的堅(jiān)固的控制器。它使用IEEE標(biāo)準(zhǔn)1394 FireWire接口，可以在視覺(jué)應(yīng)用中和16臺(tái)攝像機(jī)通信。Compact Vision系統(tǒng)也采用不活動(dòng)的部件和傳導(dǎo)式制冷，因此您可以把系統(tǒng)固定在機(jī)器附近。它提供29個(gè)內(nèi)置數(shù)字I/O通路，這些通路可由LabVIEW RT或使用LabVIEW FPGA的嵌入式FPGA來(lái)直接控制。

     * CompactRIO是新型的可重設(shè)置的嵌入式系統(tǒng)，它基于LabVIEW FPGA和LabVIEW 實(shí)時(shí)技術(shù)。CompactRIO系統(tǒng)采用具有300萬(wàn)門(mén)的FPGA芯片來(lái)控制模塊化的數(shù)字和模擬I/O。這些FPGA芯片可以運(yùn)行嵌入在芯片里的代碼，它的數(shù)字循環(huán)的速率高達(dá)1MHz，模擬循環(huán)速率為150 kHz。FPGA可以把信息傳回到運(yùn)行LabVIEW RT的浮點(diǎn)處理器以進(jìn)行高級(jí)計(jì)算、數(shù)據(jù)記錄和通信。由于有金屬外殼和傳導(dǎo)式制冷，該控制器非常適合用于嚴(yán)酷的環(huán)境。

     那些需要開(kāi)發(fā)“20%”應(yīng)用的工程師現(xiàn)在可以突破工業(yè)控制器技術(shù)的限制，PAC生產(chǎn)商提供了能最好地結(jié)合PC功能和PLC可靠性的一組硬件平臺(tái)。新的工具，如LabVIEW RT，可以使OS、FPGA和DSP編程變得更容易，為工業(yè)工程師提供了新選擇。