OPTO 22 PAC(可編程自動(dòng)化控制器) 介紹

2001年，國(guó)際自動(dòng)化研究機(jī)構(gòu)針對(duì)當(dāng)時(shí)工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域某些新型的控制系統(tǒng)，無(wú)法被簡(jiǎn)單納入到PLC、DCS或RTU分類，而提出了PAC概念名稱。實(shí)際上，當(dāng)時(shí)的OPTO 22 的Mistic控制系統(tǒng)，就屬于最早一代的PAC的范疇。其具體的標(biāo)準(zhǔn)體現(xiàn)在同一個(gè)軟硬件平臺(tái)上的多功能性：完成多種任務(wù)（邏輯，過(guò)程，運(yùn)動(dòng)控制），以及開(kāi)放性（通信協(xié)議和對(duì)象的支持）等。

時(shí)至今日，OPTO 的PAC系統(tǒng)以及發(fā)展到最新一代的SNAP系列，下面是具體介紹：

PAC定義的核心之一在于同樣的硬件設(shè)備能夠跨多領(lǐng)域應(yīng)用，那么要求其對(duì)應(yīng)的軟件平臺(tái)必須具備多領(lǐng)域應(yīng)用中所要涵蓋的控制及監(jiān)測(cè)任務(wù)開(kāi)發(fā)能力。作為業(yè)內(nèi)最先使用流程圖方式編程的開(kāi)發(fā)環(huán)境PAC Control， 不僅開(kāi)發(fā)方式更接近于工程師設(shè)計(jì)系統(tǒng)的思路程序能夠隨應(yīng)用要求而“流動(dòng)”，其內(nèi)置的腳本工具更有利于實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的控制算法以及通信協(xié)議的解析，從而實(shí)現(xiàn)離散控制、過(guò)程控制、運(yùn)動(dòng)控制、遠(yuǎn)程監(jiān)控以及數(shù)據(jù)采集等各種需求。

OPTO的組態(tài)軟件PAC Display，也滿足PAC定義的要求，即能夠與編程環(huán)境共享統(tǒng)一的變量標(biāo)簽數(shù)據(jù)庫(kù)，同時(shí)軟件中包含了數(shù)據(jù)庫(kù)連接工具，可以無(wú)縫的與三方數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行三方互聯(lián)，這樣滿足了原來(lái)越多的信息管理層直接對(duì)自動(dòng)化底層直接訪問(wèn)的需求。

l         OPTO 22 PAC硬件架構(gòu):

新一代的SNAP PAC控制器系列整合了高速多任務(wù)處理器，冗余以太網(wǎng)，大容量?jī)?nèi)存，多種通信接口等功能，把硬件的可靠性與高性能完美的結(jié)合在一起。相對(duì)PLC來(lái)說(shuō)，能夠無(wú)需擴(kuò)展模塊或子系統(tǒng)即可勝任多種復(fù)雜對(duì)象處理或控制任務(wù)。

對(duì)于OPTO系統(tǒng)，其硬件系統(tǒng)特點(diǎn)還體現(xiàn)在其I/O和智能處理器層。OPTO的的智能處理器(Brain) 功能上類似于SCADA系統(tǒng)中常用的RTU（遠(yuǎn)程終端），但是除了具備RTU多種通信協(xié)議支持，環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)的特點(diǎn)外，其優(yōu)勢(shì)在于的多種任務(wù)執(zhí)行能力。譬如說(shuō)，PID回路控制、SOE順序事件記錄、報(bào)警處理、高速計(jì)數(shù)和脈沖輸出等。對(duì)于SCADA系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，回路控制或者是SOE往往是其整個(gè)系統(tǒng)最關(guān)鍵的任務(wù)，即使控制器和上位服務(wù)器系統(tǒng)發(fā)生故障，也不會(huì)影響到這些已經(jīng)預(yù)設(shè)好的核心任務(wù)的執(zhí)行，這樣相對(duì)于傳統(tǒng)RTU系統(tǒng)具備更高的可靠性。

同樣，OPTO的I/O系統(tǒng)也具備了智能性，能夠完成模擬工程單元轉(zhuǎn)換、標(biāo)定、截取、數(shù)字量翻轉(zhuǎn)記錄等等功能。這些任務(wù)雖然計(jì)算簡(jiǎn)單，但是當(dāng)點(diǎn)數(shù)規(guī)模增大后，通常會(huì)占用很大的控制器處理能力開(kāi)銷，而OPTO的這種分層式的架構(gòu)將處理器從這些煩雜任務(wù)中解放出來(lái)，從而提高了系統(tǒng)核心任務(wù)執(zhí)行能力以及穩(wěn)定性。另一方面，I/O層處理過(guò)的數(shù)據(jù)相對(duì)原始數(shù)據(jù)得到了較大的壓縮，從而減小了對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬的占用，提高了網(wǎng)絡(luò)通信的實(shí)時(shí)性。

對(duì)于智能處理器和I/O級(jí)，OPTO對(duì)其都進(jìn)行了特殊涂層處理，從而提高了防潮防腐的能力，使其更適應(yīng)于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)和野外環(huán)境應(yīng)用。

應(yīng)用案例：美國(guó)墾務(wù)局使用Opto 22 SNAP PAC系統(tǒng)是監(jiān)測(cè)、控制水處理過(guò)程的關(guān)鍵

Leadville礦井排水隧道（LMDT）于1952年竣工，由美國(guó)礦業(yè)局建造用于礦井區(qū)指定區(qū)域的排水。隧道位于Leadville市外南/東南部，全長(zhǎng)約120，000英尺。

隧道內(nèi)部

自1992年，開(kāi)墾局（于1959年購(gòu)得隧道，一直獨(dú)立負(fù)責(zé)直至1996年被聯(lián)邦政府解散）便進(jìn)行隧道排水處理—除去溶解的金屬，保證水符合管理法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)，能安全地流入阿肯色河道內(nèi)。

1996年以來(lái)，Eugene Csuti主要負(fù)責(zé)該地水處理廠的自動(dòng)化和電子設(shè)備。他確定、使用、維護(hù)一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程控制系統(tǒng)用于監(jiān)測(cè)包括水位、條件變化報(bào)警和金屬篩除如鎘、鉛、銀和鋅等。系統(tǒng)同時(shí)調(diào)節(jié)水的PH值，降低水的濁度，在排放前對(duì)其進(jìn)行凈化，甚至比日常飲用水更為清潔。

為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，Csuti開(kāi)始重新審查安裝的Opto 22 mistic?控制平臺(tái)，包括多重G4LC32控制器（自動(dòng)化行業(yè)的第一代可編程自動(dòng)化控制器之一）和可升級(jí)至更先進(jìn)的SNAP PAC系統(tǒng)，它是Opto 22最新一代的硬件和軟件，擁有更快和更強(qiáng)大的控制器，簡(jiǎn)單易懂，Microsoft?Windows?環(huán)境下編程，易于操作的HMI開(kāi)發(fā)工具。因?yàn)?/span>Opto 22產(chǎn)品可向后兼容，Csuti能對(duì)硬件升級(jí)，利用新的特點(diǎn)加入指令，而不用改變運(yùn)行中的現(xiàn)場(chǎng)布線

和I/O。

新系統(tǒng)擁有Opto 22著名的分布式架構(gòu)，裝有與多個(gè)I/O通訊的獨(dú)立控制器，用于監(jiān)測(cè)和控制上千個(gè)點(diǎn)。Opto 22 的I/O擁有罕見(jiàn)的獨(dú)立I/O處理器，能進(jìn)行時(shí)間關(guān)鍵性、密集處理和重復(fù)任務(wù)，如高速計(jì)數(shù)、輸入閉鎖、積分計(jì)算及最出色的PID回路控制。

LMDT的控制室

PID控制

部分Leadville的處理過(guò)程包括添加硫酸和其他化學(xué)試劑以固化污染物，最終能像淤泥一樣被抽出去。使用PID回路控制有效調(diào)節(jié)了硫酸注入過(guò)程并保證了水的PH值在正常范圍內(nèi)，約7.8~8。

“我們的Opto系統(tǒng)連接化學(xué)加料器，PID控制加快或減慢注入速度，保持PH值的準(zhǔn)確”，Csuti解釋道。

分布式架構(gòu)

值得注意的是，PID回路控制的這個(gè)過(guò)程不依賴Opto 22 PAC控制器來(lái)執(zhí)行，而是通過(guò)遠(yuǎn)程處理器（也被稱作智能處理器）實(shí)現(xiàn)的。將整個(gè)設(shè)備中的控制器層的PID回路控制的密集運(yùn)算下放到I/O機(jī)架上的智能處理器，能有效推動(dòng)控制至I/O層，同時(shí)這種分布式架構(gòu)為Csuti提供了許多優(yōu)勢(shì)。

他解釋道：“有了Opto的分布式SNAP PAC系統(tǒng)，中央控制器能運(yùn)行控制程序或‘策略’，并代表遠(yuǎn)程智能處理器的許多功能—從簡(jiǎn)單的I/O讀寫(xiě)到更復(fù)雜些的功能如高速計(jì)數(shù)、脈沖、測(cè)量及熱電偶線性化等。因此，SNAP PAC系統(tǒng)能降低系統(tǒng)內(nèi)的故障幾率，例如若主機(jī)PAC以任意形式出現(xiàn)故障，你仍有單獨(dú)單元可繼續(xù)進(jìn)行操作，永久地不停頓地執(zhí)行系統(tǒng)各自的任務(wù)。”

在Csuti的案例中，這意味著，如果中央控制器停轉(zhuǎn)、離線或因?yàn)槿魏卧虿贿\(yùn)行，所有分布在整個(gè)設(shè)施中的SNAP PAC智能控制器不會(huì)受到影響，將繼續(xù)執(zhí)行他們的PID計(jì)算和對(duì)規(guī)定水的計(jì)量。

Opto分布式架構(gòu)的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)在于布線，如Csuti的水處理操作發(fā)生在大規(guī)模設(shè)備中，一個(gè)主控制室與6個(gè)遠(yuǎn)程I/O通訊，面板加2個(gè)遠(yuǎn)程站點(diǎn)通過(guò)光纖通訊。這些都是有線連I/O，控制閥門(mén)開(kāi)關(guān)、設(shè)備開(kāi)關(guān)及儀表監(jiān)測(cè)。在白天的開(kāi)關(guān)過(guò)程中，系統(tǒng)操作狀態(tài)是手動(dòng)，面板則用于本地控制。而在晚間和節(jié)假日，系統(tǒng)切換至自動(dòng)狀態(tài)，同時(shí)控制室優(yōu)先。因此，布線實(shí)際上需要2個(gè)不同的地點(diǎn)，同時(shí)，對(duì)于設(shè)備大于2500個(gè)I/O點(diǎn)的集中控制，需建立起并管理眾多遠(yuǎn)距離布線的運(yùn)行。所有這些都決定了分布式架構(gòu)才是最佳的選擇。

Opto 22 SNAP PAC系統(tǒng)I/O點(diǎn)24h監(jiān)測(cè)和控制水處理過(guò)程

并行布線升級(jí)

這一水處理應(yīng)用中獨(dú)特的一面是，升級(jí)至SNAP PAC系統(tǒng)意味著Csuti需要對(duì)整個(gè)設(shè)備進(jìn)行并行布線，通過(guò)安裝新的的硬件同時(shí)和舊硬件并行與I/O相連，逐一復(fù)制現(xiàn)有架構(gòu)。盡管這種方法比一般硬件移除替換更費(fèi)時(shí)，在LMDT中的操作性質(zhì)及這些操作對(duì)健康、周圍居民和環(huán)境產(chǎn)生的巨大影響決定了沒(méi)有其他的選擇。

但是最終的升級(jí)將是值得的，因?yàn)樾碌南到y(tǒng)的速度將是原來(lái)的100倍，且具有較好的PID處理能力，并提供高密度的I / O，能為當(dāng)局節(jié)省很大空間。

整個(gè)控制系統(tǒng)是并行配置，Csuti能從其舊的mistic架構(gòu)切換至他的新SNAP PAC架構(gòu)，微調(diào)至他所需要的操作詳細(xì)和參數(shù)上。新系統(tǒng)的功能使得Csuti估算并標(biāo)記出必要的調(diào)節(jié)。他也可以切換回舊系統(tǒng)并做出相應(yīng)調(diào)節(jié)，仍保持設(shè)備的可操作性。Csuti計(jì)劃繼續(xù)像這樣系統(tǒng)倒轉(zhuǎn)直至系統(tǒng)正常，以后他將徹底卸除舊系統(tǒng)—包括控制器、布線、底板、模塊和其他硬件。

故障報(bào)錯(cuò)，報(bào)警和可靠性

監(jiān)察當(dāng)局繼續(xù)監(jiān)測(cè)Leadville內(nèi)及附近的水域。若水中金屬量超標(biāo)，或水質(zhì)不干凈，當(dāng)局將面臨重罰。為了避免處罰，Csuti設(shè)計(jì)的控制策略指定若有任意過(guò)程不符合設(shè)定的操作規(guī)定，控制系統(tǒng)將發(fā)布指令將排出的水從河道內(nèi)轉(zhuǎn)移至確認(rèn)的池塘內(nèi)直到問(wèn)題糾正，系統(tǒng)重啟。

類似地，當(dāng)水廠監(jiān)測(cè)處于自動(dòng)模式，若發(fā)現(xiàn)一個(gè)閥門(mén)位置錯(cuò)誤或模擬量讀數(shù)超過(guò)參數(shù)范圍，控制策略會(huì)對(duì)系統(tǒng)嘗試重啟操作。若系統(tǒng)無(wú)法正常重啟，整個(gè)過(guò)程安全有序的關(guān)閉。若遇緊急情況如自主撥號(hào)激活，撥打如下之一的電話（管理者、操作員、機(jī)械專家或電氣專家Csuti），使其可以快速知曉并迅速抵達(dá)現(xiàn)場(chǎng)。

Opto 22系統(tǒng)還監(jiān)測(cè)發(fā)電機(jī)組的停電—若有任何事件發(fā)生，發(fā)送即時(shí)通知—不間斷電源供應(yīng)保證控制器和控制策略時(shí)刻運(yùn)行。

“大規(guī)模的編程使得系統(tǒng)能對(duì)許多不同的情況和描述做出響應(yīng)，” Csuti說(shuō)道。“我們策略的復(fù)雜性—其中接近80項(xiàng)—決策的制定需要它們，使得我們的系統(tǒng)構(gòu)成一個(gè)真實(shí)的整體。”