Программируемые контроллеры автоматизации (PACs) преуспевают в управлении сложными системами автоматизации, которые включают функции на базе ПК и HMI, а также управление технологическими процессами (в основном из-за того, как они управляют вводом-выводом). PACs также все чаще используются в системах перемещения для механической обработки или обработки отдельных изделий благодаря гибкости и интероперабельности, которые они обеспечивают в конструкции станков.

Современные PACs эволюционировали как вариант для сложного управления, когда микропроцессоры со значительно большей производительностью стали доступными по цене. PACs отличаются от все еще доминирующей формы управления движением — программируемого логического контроллера (PLC) — тем, что все PACs могут работать как ПЛК, но не наоборот. Это связано с тем, что PACs обслуживают множество каналов связи, трафик с большим объемом данных и координацию с интеллектуальными подсистемами. Большинство высокопроизводительных ПЛК могут размещать интеллектуальные процессоры на своих объединительных платах — например, модули Ethernet с портами для расширенных данных и коммуникаций. Но такие настройки могут быть дорогостоящими там, где собственные объединительные платы и операционные системы поставщиков стоят дорого.

Рассмотрим, как PACs имитируют поведение электрорелейных элементов управления. Логика реле выполняется последовательно с повторяемостью и надежностью — на оборудовании, достаточно прочном, чтобы выдерживать суровые промышленные условия. Все логические ступени определяются входами и выходами, которые логически подключены к триггерным действиям после выполнения точных условий схемотехнической логики. Это означает, что одна логическая ступень не может быть выполнена без предварительного выполнения предыдущих условий. Дополнительные левые силовые направляющие для циклов и переходов расширяют возможности релейной системы для построения сложной логики, но большие и более сложные перестановки этих настроек могут быть дорогостоящими в создании и обслуживании.

Немного истории по этому поводу: сами ПЛК заменили релейные элементы управления и были первым стандартом, поскольку электричество стало доминирующим источником энергии для производства. Поскольку требования к управлению становились все более сложными, проводное релейное управление стало непрактичным, поскольку производство нуждалось в более надежных и реконфигурируемых (программируемых) системах. Учитывая их примитивное аппаратное обеспечение и жесткое выполнение задач, ранние ПЛК было трудно подключить к сети. Напротив, современные ПЛК довольно просты в реализации. Первый ПЛК в конце 1960—х годов использовал доступную электронику, которая дублировала поведение реле — плюс была программируемой, а не проводной. Это потребовало подтверждения повторяемости и надежности на заводе. Таким образом, изготовленные на заказ платы памяти, платы логических контроллеров, интерфейсы объединительной платы к модулям ввода-вывода и мощные схемы помогли этим ПЛК работать в промышленных условиях. Это была новая концепция, позволяющая пользователям писать код приложения, используя символы и логику реле.

Современные ПЛК по-прежнему более уместны, чем PACS, в автономных приложениях, таких как оси станков, которые выполняют заданные последовательности. Эмпирическое правило заключается в том, что везде, где функции PAC в противном случае остались бы неиспользованными, все равно имеет смысл использовать более экономичный ПЛК. Давление со стороны персонала завода и непреходящая ценность лестничной логики также делают ПЛК первым выбором во многих приложениях.

По мере того как различные отрасли промышленности переходили на использование ПЛК, они стали использоваться во множестве приложений. Увеличение использования ПЛК также последовало за постоянным улучшением их быстродействия, способности выполнять сложные математические функции и сетей связи.

Но как только поведение ПЛК на компьютере было доказано надежным, родился PAC. Аэрокосмическая и медицинская промышленность являются здесь двумя движущими силами. FAA и FDA предписывают, чтобы данные о производственных процессах, помеченные днем, датой и временем, хранились в течение длительных периодов времени — особенно хорошо работают на PACs. Даже производители простых потребительских товаров находят такую информацию полезной для защиты дизайна в судебных процессах, связанных с ответственностью за продукцию. Более того, функции отслеживания данных PACs используются не только для регистрации данных о продукте; при выполнении прогнозного технического обслуживания и мониторинга операций также используются данные из элементов управления. Это требует большего объема данных и сложных сетевых взаимодействий, а это означает, что PACs будут становиться все более распространенными.

Как и ПЛК, элементы управления, известные как распределенные системы управления (DCSs), ПК и удаленные оконечные устройства (RTU), включают аппаратное обеспечение и программирование для удовлетворения конкретных приложений. Аппаратное обеспечение PAC может выполнять функции в качестве программного обеспечения для воспроизведения устаревших форм этих и других частей аппаратного обеспечения системы движения. Вот в чем загвоздка: версии всех этих элементов управления раннего поколения были разработаны с учетом особенностей конкретных рынков. Таким образом, для современных инженеров, работающих в разрозненных отраслях, обслуживаемых устаревшими элементами управления, то, как PACs воспроизводят несколько схем управления, повышает удобство и знакомство с ними во время внедрения.

Смотрите на рисунке слева: IDEC и Advanced Micro Controls Inc. (AMCI) предлагает шаговые двигатели и приводы со встроенными функциями управления движением. Эти продукты в сочетании с ПЛК IDEC FC6A позволяют производителям оборудования быстро реализовывать функции одноосного и многоосевого перемещения. Макроинструкции, встроенные в программное обеспечение PLC WindLDR, настраиваются с помощью команд перетаскивания для управления до 12 осями. Макросы управления движением в ПЛК FC6A упрощают программирование.

Показательный пример: двухосевые элементы управления AMCI от IDEC iANF2E могут принимать обратную связь с кодером; контроллер включает в себя шесть дискретных входов для управления перемещением и других функций и четыре дискретных выхода для индикации состояния и обеспечения диагностики. Полный набор профилей движения выбирается с помощью ПЛК IDEC MicroSmart FC6A, подключенного к контроллеру по протоколу Modbus TCP на основе Ethernet. До шести контроллеров подключаются к ПЛК для управления 12 осями движения.

Обратите внимание, что растущие возможности компьютерных процессоров и снижение стоимости привели к размыванию различий между различными типами управления. Показательный пример: Сам PAC является расширением ПЛК, включающим в себя более широкие возможности обработки данных и связи, которые были непонятны, когда был изобретен ПЛК.

Первоначально DCSS представляли собой набор RTU, работающих в обычных телефонных сетях, и их связь представляла собой простые состояния тревоги от удаленного оборудования. RTU были небольшими автономными контроллерами для выполнения скромных логических задач — обычно с простой информацией, такой как, например, прошедшее время выполнения или общее количество подсчитанных единиц. Ранние DCSS не передавали данные, но можно было арендовать линию у телефонной компании и создать сигнал тревоги, указывающий, например, на превышение значения процесса или необходимость считывания RTU.

Промышленные ПК продвинулись вперед с процессорными возможностями в соответствии с законом Мура. Ранние промышленные ПК были просто программными терминалами и устройствами хранения данных, поскольку их операционные системы не были достаточно надежными для промышленного управления. Теперь такого ограничения нет, благодаря значительно улучшенному оборудованию и широко доступным операционным системам реального времени, таким как Linux для IPCs.

Некоторые PACS имеют многопроцессорную архитектуру для поддержки нескольких сред программирования и выполнения нескольких функций DCS, RTU, PLC и PC. PACs также имеют внутреннюю архитектуру с высокой пропускной способностью, которая позволяет нескольким процессорам и нескольким задачам одновременно выполняться, поэтому разработчики могут создавать множество структур систем управления для удовлетворения сложных и параллельных требований приложений.

Как уже упоминалось, ПЛК по-прежнему являются наиболее распространенным выбором для более простых настроек автономного или одноосного движения. В качестве дополнительного замечания отметим, что в таких приложениях наблюдается все большее распространение моторных приводов с функциями контроллера. Эти электроприводы превосходны в конструкциях машин, где все еще требуются функции ПЛК с несколькими интерфейсами, включая, например, связь по сети Ethernet и цифровой ввод—вывод. Поскольку такие электроприводы могут также включать в себя элементы управления движением, обеспечивающие S-образную кривизну, кулачковое движение и профили движения произвольной формы, производители с большей вероятностью выберут их, чем PACS, в простых конструкциях, исключающих автономные ПЛК.

Сравните потребности этих моделей движения с более сложными установками. Модули ПЛК для одноосного перемещения управляются главным процессором или примитивным подпроцессором в модуле движения; они взаимодействуют с главным процессором через объединительную плату ПЛК. Но любые модули ПЛК для управления одноосным движением с низкой частотой кодирования могут ограничить производительность. Другие ПЛК ограничивают скорость обновления регистра положения, что, в свою очередь, ограничивает пропускную способность машины. Напротив, PACs обеспечивают более высокую пропускную способность объединительной платы, поэтому в сложных приложениях движения можно обмениваться данными о движении с несколькими модулями движения. Это повышает производительность. Объединительные платы с высокой пропускной способностью также обеспечивают более мощные модули движения, поэтому, в зависимости от ядра процессора, модуль движения здесь может быть способен к сложной межосевой координации, достаточной для расширенного движения в станкостроительных или роботизированных приложениях.

Независимо от перестановки, многоосевые контроллеры машин включают аппаратное и программное обеспечение в структуру, организованную вокруг управления сложным движением. Рассмотрим задачу обведения окружности с двумя линейными осями. Такая координация требует быстрого обновления положения оси и сравнения с прогнозируемым положением — наряду с исправлением ошибок в команде скорости каждого двигателя, приводящего ось. Это очень сложная задача в реальном времени. Скорость выполнения процессора должна быть во много раз выше скорости обратной связи двигателя. Учитывая вычислительные возможности современных процессоров, PACS (и контроллеры на базе ПК) предназначены для управления таким многоосевым движением. Это правда, что каждая платформа делает это по—своему — и обычно в машине имеется множество независимых осей движения, каждая из которых работает независимо от входного сигнала запуска. Но полное многоосевое движение обычно работает для координации нескольких осей с помощью математических определений.

Самым ранним многоосевым устройством управления движением было компьютерное числовое управление (ЧПУ) 1950-х годов. Эти ЧПУ имели компьютерное оборудование, работающее на языках программирования для автоматизации производства металлических деталей. Появление транзисторов и интегральных схем резко сократило размеры и стоимость оборудования с ЧПУ, но его командный язык и архитектура сохраняются и по сей день. Фактически, многоосевое управление движением с 1950-х годов превратилось в уникальный класс элементов управления, удовлетворяющих требованиям среды программирования. Разработка была осложнена тем, что поставщики выбирали различные процессорные платформы для своих проприетарных языков программирования. Пользовательские библиотеки возникли для того, чтобы предоставить пользователям инструменты программирования более высокого уровня, но некоторые из них по-прежнему зависят от поставщика, сложны или требуют много времени в использовании.

Тенденции к стандартизации продолжают затрагивать такие вопросы. Производители PAC в настоящее время производят управляющее оборудование общего назначения, которое интегрируется в ИТ-сети, но является достаточно прочным для промышленных условий — и модульным, как форм-фактор ПЛК. Это требует относительно продвинутого аппаратного обеспечения контроллера, чтобы PAC мог функционировать в любом приложении управления. Это также означает, что PACS в равной степени способны управлять большими сетями сбора данных, или запускать логику управления машиной, или делать и то, и другое одновременно. Таким образом, когда дело доходит до управления многоосевым движением, современные вычислительные мощности обеспечивают это. Еще большей стандартизацией программного обеспечения является стандарт IEC-61131, который определяет форму большей части современного программирования на основе лестничной логики и (в версиях 3 и 4) расширений motion для программирования движения в среде ladder. В зависимости от задачи перемещения лестничный подход может быть подходящим, но обычно он не многоосевой.

Кроме того, входы и выходы контроллера движения от самонаводящихся и концевых выключателей и энкодеров являются высокоуровневыми входами, которые должны быть предназначены для конкретной оси, на которой они настроены для работы. Иногда PACS нуждаются в дополнительных модулях для выполнения своих специальных функций. Помните, что PACs спроектированы в основном как ПЛК, но основное отличие (с точки зрения электроники) заключается в том, что PACs имеют объединительную плату с высокой пропускной способностью, которая:

• Позволяет интегрировать различные архитектуры

• Позволяет дополнительным процессорам расширять функциональность основного PAC.

Таким образом, программное обеспечение в основном PAC может управлять интеллектуальными периферийными устройствами, но часто бывает полезно добавлять устройства в системную архитектуру, когда приложению требуются функции управления, которые превышают возможности основного процессора. Распространенным дополнением являются удаленные стойки ввода-вывода, использующие стандартные предложения, реализованные с использованием высокочастотного Ethernet в качестве интерфейса связи. В этих установках часто используется модуль шлюза Ethernet в локальной стойке с главным контроллером, который, в свою очередь, поддерживает подключение Ethernet к удаленной стойке ввода-вывода. Ethernet обновляется быстрее, чем более старые объединительные платы ПЛК, хотя в PAC с высокой пропускной способностью скорость передачи данных не является проблемой.

Рассмотрим особые случаи тестирования и машинного зрения. Тестовые установки, требующие высокоскоростного сбора данных, часто включают функции синхронизации и запуска на своих объединительных платах PXI. Добавление модуля моста PXI (или PCI или VME) к PAC делает технологию доступной для других архитектур шин в среде PAC. Большинство систем машинного зрения по-прежнему используют автономное управление, поскольку этого требуют нагрузка на обработку и скорость зрения. Но поставщики PAC продолжают расширять набор возможностей управления, предлагая высокоскоростные коммуникационные мосты для других подсистем. Таким образом, локальные сети с машинным зрением могут быть требовательными, и все же высокоскоростная связь, поддерживаемая PACs, является общепринятым в отрасли решением.