數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)設計

數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)設計,數(shù)控機床,傳動系統(tǒng),設計 外文翻譯資料 PAC——新一代工業(yè)控制系統(tǒng), 可編程自動化控制發(fā)展的未來 隨著許多廠商已生產(chǎn)出能結(jié)合PC功能和PLC可靠性的可編程自動化控制器（PAC），目前控制系統(tǒng)已逐漸開始采用PAC。本白皮書介紹PAC的起源以及它與PLC和PC的區(qū)別，并指出了使用PAC的工業(yè)控制未來發(fā)展方向。 目錄 · PAC將成為未來的工業(yè)控制方式 · “80-20” 法則 · 構建更好的控制器 · 兩種不同的軟件解決方案 · PAC的視覺和測量應用 · PAC免除了對專門硬件的需要 · LabVIEW用于自動化控制 NI PAC系統(tǒng) PAC將成為未來的工業(yè)控制方式和基于PC控制系統(tǒng)相比，有關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的概念是由自動化研究機構 (ARC) 提出的，它表示可編程自動化控制器，用于描述結(jié)合了PLC和PC功能的新一代工業(yè)控制器。傳統(tǒng)的PLC廠商使用PAC的概念來描述他們的高端系統(tǒng)，而PC控制廠商則用來描述他們的工業(yè)化控制平臺。 “80-20” 法則 在PLC被開發(fā)出來的三十年里，它經(jīng)過不斷地發(fā)展，已經(jīng)能結(jié)合模擬I/O，網(wǎng)絡通信以及采用新的編程標準如IEC 61131-3。然而，工程師們只需利用數(shù)字I/O和少量的模擬I/O數(shù)以及簡單的編程技巧就可開發(fā)出80%的工業(yè)應用 。來自ARC、聯(lián)合開發(fā)公司（VDC）以及網(wǎng)上PLC培訓資源PLC.net的專家估計： · 77%的PLC被用于小型應用（低于128 I/O） · 72%的PLC I/O是數(shù)字的 · 80%的PLC應用可利用20條的梯形邏輯指令集來解決 由于采用傳統(tǒng)的工具可以解決80%的工業(yè)應用，這樣就強烈地需要有低成本簡單的PLC；從而促進了低成本微型PLC的增長，它帶有用梯形邏輯編程的數(shù)字I/O。然而，這也在控制技術上造成了不連續(xù)性，一方面80%的應用需要使用簡單的低成本控制器，而另一方面其它的20%應用則超出了傳統(tǒng)控制系統(tǒng)所能提供的功能。工程師在開發(fā)這些20%的應用需要有更高的循環(huán)速率，高級控制算法，更多模擬功能以及能更好地和企業(yè)網(wǎng)絡集成。 在八十和九十年代，那些要開發(fā)“20%應用”的工程師們已考慮在工業(yè)控制中使用PC。PC所提供的軟件功能可以執(zhí)行高級任務，提供豐富的圖形化編程和用戶環(huán)境，并且PC的COTS部件使控制工程師能把不斷發(fā)展的技術用于其它應用。這些技術包括浮點處理器；高速I/O總線，如PCI和以太網(wǎng)；固定數(shù)據(jù)存儲器；圖形化軟件開發(fā)工具。而且PC還能提供無比的靈活性，高效的軟件以及高級的低成本硬件。 然而，PC還不是非常適合用于控制應用。盡管許多工程師在集成高級功能時使用PC，這些功能包括模擬控制和仿真、連接數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡功能以及和第三方設備通信，但是PLC仍然在控制領域中處于統(tǒng)治地位。基于PC控制的主要問題是標準PC并不是為嚴格的工業(yè)環(huán)境而設計的。 PC主要面臨三大問題： · 穩(wěn)定性：通常PC的通用操作系統(tǒng)不能提供用于控制足夠的穩(wěn)定性。安裝基于PC控制的設備會迫使處理系統(tǒng)崩潰和未預料到的重啟。 · 可靠性：由于PC帶有旋轉(zhuǎn)的磁性硬盤和非工業(yè)性牢固的部件，如電源，這使得它更容易出現(xiàn)故障。 · 不熟悉的編程環(huán)境：工廠操作人員需要具備在維護和排除故障時恢復系統(tǒng)的能力。使用梯形邏輯，他們可以手動迫使線圈恢復到理想狀態(tài)，并能快速修補受影響的代碼以快速恢復系統(tǒng)。然而，PC系統(tǒng)需要操作人員學習新的更高級的工具。 盡管某些工程師采用具有堅固硬件和專門操作系統(tǒng)的專用工業(yè)計算機，但是由于PC可靠性方面的問題絕大多數(shù)工程師還是避免在控制中使用PC。此外，在PC中的用于各種自動化任務的設備，如I/O、通信、或運動可能需要不同的開發(fā)環(huán)境。 因此那些要開發(fā)“20%應用”的工程師們要么使用一個PLC無法輕松實現(xiàn)系統(tǒng)所需的功能，要么采用既包含PLC又包含PC的混合系統(tǒng)，他們利用PLC來執(zhí)行代碼的控制部分，用PC來實現(xiàn)更高級的功能。因而現(xiàn)在許多工廠車間使用PLC和PC相結(jié)合的系統(tǒng)，利用系統(tǒng)中的PC進行數(shù)據(jù)記錄，連接條碼掃描儀，在數(shù)據(jù)庫中插入信息以及把數(shù)據(jù)發(fā)布到網(wǎng)上。采用這種方式建立系統(tǒng)的主要問題是該系統(tǒng)常常難以構建，排除故障和維護。系統(tǒng)工程師常常被要結(jié)合來自多個廠商軟硬件的工作所困擾，這是因為這些設備并不是為了能協(xié)同工作而設計的。 構建更好的控制器 由于沒有適合的PC或PLC解決方案，那些需要開發(fā)復雜應用的工程師就和控制廠商密切合作開發(fā)新的產(chǎn)品。他們需要新產(chǎn)品能結(jié)合PC的高級軟件功能和PLC的可靠性。這些重要用戶為PLC和基于PC控制的公司提供了產(chǎn)品開發(fā)指導。 實現(xiàn)軟件的功能不僅需要有高級的軟件，而且控制器的硬件功能也需要有所提高。由于世界范圍內(nèi)對PC部件的需求在下降，所以許多半導體廠商開始為工業(yè)應用重新設計他們的產(chǎn)品。目前控制領域的廠商已開始在工業(yè)控制產(chǎn)品中使用工業(yè)化浮點處理器、DRAM、固態(tài)存儲器如CompactFlash以及快速Ethernet芯片。這使得廠商能利用基于PC控制系統(tǒng)的靈活性和可用性來開發(fā)更為強大的軟件，而且該PC控制系統(tǒng)還可運行實時操作系統(tǒng)以保證可靠性。 這種新的控制器是為解決“20%”的應用問題而設計的，它結(jié)合了PLC和PC兩者的優(yōu)點。ARC的工業(yè)分析家把這種設備稱為可編程自動化控制器，即PAC。在ARC的“可編程邏輯控制器世界概覽”研究中，他們給出了PAC的五個主要特性。這些控制器特性是通過定義軟件的能力來實現(xiàn)其功能的。 1. “多功能性，在一個平臺上有邏輯、運動、PID控制、驅(qū)動和處理中的至少兩種以上功能?！背藶榱藢崿F(xiàn)特殊的協(xié)議如SERCOS要對I/O做一些改進；而且軟件還能提供邏輯、運動、處理和PID的功能。例如，運動控制作為軟件控制循環(huán)，它能從正交編碼器上讀取數(shù)字輸入，執(zhí)行模擬控制循環(huán)并輸出控制設備的模擬信號。 2. “單一的多規(guī)程開發(fā)平臺使用通用標簽和單一的數(shù)據(jù)庫來訪問所有的參數(shù)和功能?！庇捎赑AC是為更為高級的應用如多功能而設計的，他們需要更為高級的軟件。為了能高效地設計系統(tǒng)，軟件必須是單一的集成化軟件包，而不是多種分離的軟件工具，這些軟件工具在工程上不能無縫地協(xié)同工作。 3. “通過結(jié)合IEC61131-3，用戶向?qū)Ш蛿?shù)據(jù)管理，軟件工具能設計出在跨越多個機器和處理單元的處理流程?！焙喕到y(tǒng)設計的另一方面是具有高級的圖形化開發(fā)工具，利用該工具可以使工程師很輕松地把處理的概念轉(zhuǎn)變?yōu)槟軐嶋H控制機器的代碼。 4. “開放的模塊化構架能解決的工業(yè)應用可從控制分布于工廠機器到加工車間的操作單元?！庇捎谒械墓I(yè)應用都需要有高度的定制特性，所以硬件必須是模塊化的以便工程師們可以選擇合適的部件。而且，軟件也必須能讓工程師增加和拆除模塊以設計出所需的系統(tǒng)。 5. “采用已有的網(wǎng)絡接口標準，語言等，如TCPIP，OPC&XML和SQL查詢語言?！蹦芎推髽I(yè)的網(wǎng)絡通信對于現(xiàn)代化控制系統(tǒng)是非常關鍵的。盡管PAC包含有以太網(wǎng)接口，但是為了要把設備和工廠其它系統(tǒng)無問題地集成在一起，通信軟件是至關重要的。 6. 兩種不同的軟件解決方案 一方面軟件是PAC和PLC主要的區(qū)別，而另一方面廠商在提供高級軟件的方式上也有所不同。通常他們以目前已有的控制軟件作為起點，不斷增加PAC編程所需的功能、可靠性和易用性。一般說來，有兩種提供PAC軟件的方式：基于PLC控制的軟件和基于PC控制的軟件 基于PLC概念的軟件方案 傳統(tǒng)的PLC軟件廠商以可靠且易用的掃描式架構軟件為起點，并逐漸增加新的功能。PLC軟件根據(jù)通用模型而建立：輸入掃描，控制代碼運行，輸入更新，以及常規(guī)功能執(zhí)行。由于輸入循環(huán)，輸出循環(huán)和常規(guī)循環(huán)都是隱藏的，所以控制工程師只需關注控制代碼的設計。由于廠商已完成了大部分工作，這種嚴格的控制架構使得建立控制系統(tǒng)更為容易和快速。這些系統(tǒng)的嚴格性也能讓控制工程師在開發(fā)可靠的程序時無需深入了解PLC的底層操作。然而，作為PLC主要優(yōu)勢的這種嚴格的掃描式構架也導致其靈活性的欠缺。絕大多數(shù)PLC廠商通過在已有的掃描式架構中增加新的功能來建立PAC軟件，這些新功能包括以太網(wǎng)通信，運動控制和高級算法。然而，通常他們會保留PLC熟悉的編程方式以及其在邏輯和控制方面固有的特點。因此這種PAC軟件通常是為了適合特殊類型應用而設計的，如邏輯，運動和PID，但是對于定制的應用則缺乏靈活性，如通信、數(shù)據(jù)記錄或定制的控制算法。 基于PC概念的軟件方案 傳統(tǒng)PC軟件廠商以非常靈活的通用編程語言為起點，能提供對硬件的深層次訪問。該種軟件也具有可靠性、確定性以及預設的控制架構。盡管工程師能為PLC編程人員建立起掃描式構架，但是它并不是基于PC的軟件所固有的。這些使得PC軟件極為靈活，非常適合那些需要高級的架構、編程技巧或者系統(tǒng)級控制的復雜應用，但卻使本應簡單的應用復雜化。 這些廠商首先要能提供通用操作系統(tǒng)如Windows所不具備的可靠性和確定性。它們可以通過采用實時操作系統(tǒng)（RTOS）如來自Ardence的Phar Lap或Wind River的VxWorks來實現(xiàn)。這些RTOS能控制系統(tǒng)的各個層面，從I/O讀寫速率到控制器上各個線程的優(yōu)先級。然后為了使工程師能更為容易地開發(fā)出可靠的控制程序，廠商增加了抽象層和I/O讀寫架構。因而這種靈活軟件非常適合于定制控制，數(shù)據(jù)記錄和通信，但舍棄PLC編程架構的代價是使程序的開發(fā)難度增加。 NI已開發(fā)出能運行LabVIEW程序的一系列PAC運載平臺。LabVIEW已成為測試和測量軟件的事實標準。它具有直觀的類似于流程圖的圖形化編程方式，并通過易用的界面來提供高級編程語言所具備的所有功能。利用LabVIEW RT和LabVIEW FPGA，我們能結(jié)合LabVIEW和實時操作系統(tǒng)并直接下載到FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）平臺來提供可靠性和確定性。 基于PAC的視覺和測量應用 NI具有測量的行業(yè)背景，它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。采集到的數(shù)據(jù)用來監(jiān)測旋轉(zhuǎn)機械的狀態(tài)，確定維護時間表，識別電機的磨損程度以及調(diào)整控制算法。工程師們通常使用專門的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)或獨立儀器來采集這些數(shù)據(jù)并利用通信總線把數(shù)據(jù)輸入到控制系統(tǒng)。而NI的PAC正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。 工程師們也可以在他們的控制系統(tǒng)中使用視覺功能。過去十年中視覺在自動化領域已得到了迅猛地發(fā)展。在生產(chǎn)環(huán)境中，有許多產(chǎn)品缺陷或錯誤使用傳統(tǒng)的測量方法是很難識別出來的，而通過視覺方式則能檢測。常見的應用包括用于生產(chǎn)或裝配檢驗的零件檢測，如檢查電路板上器件的位置是否正確，識別光學字符（OCR）來檢查日期條碼或?qū)Ξa(chǎn)品進行分類，以及進行光學測量來找出產(chǎn)品的瑕疵或?qū)Ξa(chǎn)品按質(zhì)量等級進行分類。目前許多工廠采用獨立的智能攝像頭，它要和生產(chǎn)處理控制器進行通信。NI的PAC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。 PAC免除了對于專門硬件的需要 PAC代表著可編程控制器的最新技術，它未來發(fā)展的關鍵取決于嵌入式技術的引入。比如要能通過軟件來定義硬件。電子廠商常使用現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）這樣的電子器件來開發(fā)定制的芯片，它可以讓新設備智能化。這些設備包含有能執(zhí)行多種功能的可配置邏輯塊，連接這些功能塊的可編程交聯(lián)點以及為芯片輸入輸出數(shù)據(jù)的I/O塊。通過定義這些可配置邏輯塊的功能，其彼此連接以及相應的I/O，電子設計人員即可以開發(fā)出定制的芯片，而不需要花錢來生產(chǎn)專門的ASIC。FPGA如同有一個計算機，其內(nèi)部電路能被重新連接來運行特定的應用程序。 以前只有那些熟悉底層編程語言如VHDL的硬件設計人員才能利用FPGA技術。然而，現(xiàn)在工程師們已可以用LabVIEW FPGA來開發(fā)出定制的控制算法并把它下載到FPGA芯片上。通過該特性工程師們可以使硬件具備實時的功能，如限度和接近傳感器檢測和傳感器狀態(tài)監(jiān)控。由于控制代碼直接在芯片上運行，所以工程師們能快速開發(fā)采用定制的通信協(xié)議或高速循環(huán)的程序：數(shù)字控制循環(huán)速度可高達1 MHz，模擬控制循環(huán)的速度可為200kHz。 LabVIEW用于自動化控制 由于LabVIEW (ni.com/china/labview)具有強大的功能和圖形化編程的易用性，基于LabVIEW的PAC 非常適合有如下要求的應用： · 圖形化 由于LabVIEW 編程天生引入圖形用戶界面，您可以為控制系統(tǒng)提供圖形化人機界面。 · 測量（高速數(shù)據(jù)采集，視覺和運動）。NI在包括視覺采集的高速I/O方面有著長期經(jīng)驗，因此您可以在您的標準控制系統(tǒng)中使用振動或機器視覺等功能。 · 處理能力： 在某些應用中，您需要有專門的控制算法、高級的信號處理或數(shù)據(jù)記錄。使用LabVIEW，您可以用NI或第三方的工具來建立定制的控制代碼，實現(xiàn)如JTFA的信號處理，或本地及遠程記錄數(shù)據(jù)。 · 平臺： 利用 LabVIEW，您能開發(fā)出用于各種平臺的代碼，這些平臺包括PC，嵌入式控制器，F(xiàn)PGA芯片或手持式PDA。 · 通信 ：利用LabVIEW的數(shù)據(jù)庫連接，OPC和基于網(wǎng)絡瀏覽器的操作界面，您能很容易地把數(shù)據(jù)傳送到企業(yè)數(shù)據(jù)庫中。 NI PAC系統(tǒng) NI提供五種基于LabVIEW的PAC平臺。 PXI是由多個廠商制定的基于CompactPCI架構的工業(yè)標準化PAC硬件平臺，它能提供模塊化、緊湊而堅固的工業(yè)化系統(tǒng)。PXI系統(tǒng)的嵌入式控制器內(nèi)置上GHz的高性能處理器。您可以選用來自NI或第三方廠商的PXI和CompactPCI模塊。PXI能提供最為廣泛的I/O，包括有1000 V的隔離式模擬輸入，高容量數(shù)字I/O，用于機器視覺的模擬/數(shù)字幀抓取器，聯(lián)合多軸運動模塊。PXI模塊的前端都配置有方便電纜連接的接口。PXI平臺提供全面的測量模塊，以及包括CAN，DeviceNET，RS-232，RS-485，Modbus和Foundation Fieldbus的廣泛連接性。 Compact FieldPoint產(chǎn)品系列包括有可熱抽換的模擬和數(shù)字I/O模塊和控制器，并帶有以太網(wǎng)和串行總線接口。其中I/O模塊能直接連接熱電偶、RTD、應力計、4-20 mA傳感器、5-30 V的直流信號以及0-250 V的交流信號。Compact FieldPoint網(wǎng)絡通信接口能自動通過以太網(wǎng)絡傳送數(shù)據(jù)。您也可以以讀寫本地I/O的方式來讀寫經(jīng)由網(wǎng)絡傳輸?shù)膸子⒗镏獾腎/O。由于軟件的接口非常簡單，您可以快速地建立和編寫Compact FieldPoint應用程序，但又不失復雜控制，數(shù)據(jù)記錄和通信的強大功能。 Compact Vision System整合了高性能Intel處理器、FPGA，數(shù)字I/O和三個1394端口。這種PAC天生就可以通過FireWire（IEEE1394）技術在控制應用中使用視覺功能，并兼容80多種工業(yè)攝像頭。利用CVS上的可重復配置FPGA和數(shù)字I/O通路，您也可以進行低通道數(shù)的數(shù)字和步進電機控制。當使用LabVIEW編程時，您還能配置該系統(tǒng)以得到高性能的視覺以及高速的數(shù)字控制和步進電機控制。 CompactRIO是基于FPGA的可重復配置控制和采集系統(tǒng)，它是為需要高度定制和高速控制的應用而設計的。該架構采用實時嵌入式處理器，并結(jié)合可重復配置I/O（RIO）的FPGA內(nèi)核來實現(xiàn)復雜的算法和定制的計算。CompactRIO平臺可使用多達八個模擬或數(shù)字I/O模塊。這些模塊可由NI或其它廠商提供。CompactRIO平臺非常適合如機器控制這樣的復雜和高速應用，并且，對于那些通常需要開發(fā)專門的硬件的應用，結(jié)合了FPGA的這種系統(tǒng)也是非常好的選擇。 標準的工業(yè)計算機也可以使用NI所提供的廣泛的PCI模塊。這些插入式板卡包含有為模擬和數(shù)字I/O，運動控制和機器視覺而設計的硬件。要得到確定性、實時的性能，可結(jié)合PCI硬件和運行于基于PC的實時操作系統(tǒng)上的LabVIEW來實現(xiàn)。LabVIEW RT可被加載到絕大多數(shù)標準的工業(yè)PC上，從而能提供用于工業(yè)測量和控制的低成本平臺。