OPTO 22 PAC(可編程自動化控制器) 介紹

2001年，國際自動化研究機構(gòu)針對當時工業(yè)自動化領(lǐng)域某些新型的控制系統(tǒng)，無法被簡單納入到PLC、DCS或RTU分類，而提出了PAC概念名稱。實際上，當時的OPTO 22 的Mistic控制系統(tǒng)，就屬于最早一代的PAC的范疇。其具體的標準體現(xiàn)在同一個軟硬件平臺上的多功能性：完成多種任務(wù)（邏輯，過程，運動控制），以及開放性（通信協(xié)議和對象的支持）等。

時至今日，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，那么要求其對應(yīng)的軟件平臺必須具備多領(lǐng)域應(yīng)用中所要涵蓋的控制及監(jiān)測任務(wù)開發(fā)能力。作為業(yè)內(nèi)最先使用流程圖方式編程的開發(fā)環(huán)境PAC Control， 不僅開發(fā)方式更接近于工程師設(shè)計系統(tǒng)的思路程序能夠隨應(yīng)用要求而“流動”，其內(nèi)置的腳本工具更有利于實現(xiàn)較為復(fù)雜的控制算法以及通信協(xié)議的解析，從而實現(xiàn)離散控制、過程控制、運動控制、遠程監(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)一的變量標簽數(shù)據(jù)庫，同時軟件中包含了數(shù)據(jù)庫連接工具，可以無縫的與三方數(shù)據(jù)庫進行三方互聯(lián)，這樣滿足了原來越多的信息管理層直接對自動化底層直接訪問的需求。

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)，大容量內(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PLC來說，能夠無需擴展模塊或子系統(tǒng)即可勝任多種復(fù)雜對象處理或控制任務(wù)。

對于OPTO系統(tǒng)，其硬件系統(tǒng)特點還體現(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)能力強的特點外，其優(yōu)勢在于的多種任務(wù)執(zhí)行能力。譬如說，PID回路控制、SOE順序事件記錄、報警處理、高速計數(shù)和脈沖輸出等。對于SCADA系統(tǒng)來說，回路控制或者是SOE往往是其整個系統(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、標定、截取、數(shù)字量翻轉(zhuǎn)記錄等等功能。這些任務(wù)雖然計算簡單，但是當點數(shù)規(guī)模增大后，通常會占用很大的控制器處理能力開銷，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，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層處理過的數(shù)據(jù)相對原始數(shù)據(jù)得到了較大的壓縮，從而減小了對網(wǎng)絡(luò)帶寬的占用，提高了網(wǎng)絡(luò)通信的實時性。

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

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

Leadville礦井排水隧道（LMDT）于1952年竣工，由美國礦業(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，全長約120，000英尺。

隧道內(nèi)部

自1992年，開墾局（于1959年購得隧道，一直獨立負責直至1996年被聯(lián)邦政府解散）便進行隧道排水處理—除去溶解的金屬，保證水符合管理法規(guī)和標準，能安全地流入阿肯色河道內(nèi)。

1996年以來，Eugene Csuti主要負責該地水處理廠的自動化和電子設(shè)備。他確定、使用、維護一個復(fù)雜的過程控制系統(tǒng)用于監(jiān)測包括水位、條件變化報警和金屬篩除如鎘、鉛、銀和鋅等。系統(tǒng)同時調(diào)節(jié)水的PH值，降低水的濁度，在排放前對其進行凈化，甚至比日常飲用水更為清潔。

為了實現(xiàn)這一目標，Csuti開始重新審查安裝的Opto 22 mistic?控制平臺，包括多重G4LC32控制器（自動化行業(yè)的第一代可編程自動化控制器之一）和可升級至更先進的SNAP PAC系統(tǒng)，它是Opto 22最新一代的硬件和軟件，擁有更快和更強大的控制器，簡單易懂，Microsoft?Windows?環(huán)境下編程，易于操作的HMI開發(fā)工具。因為Opto 22產(chǎn)品可向后兼容，Csuti能對硬件升級，利用新的特點加入指令，而不用改變運行中的現(xiàn)場布線

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I/O通訊的獨立控制器，用于監(jiān)測和控制上千個點。Opto 22 的I/O擁有罕見的獨立I/O處理器，能進行時間關(guān)鍵性、密集處理和重復(fù)任務(wù)，如高速計數(shù)、輸入閉鎖、積分計算及最出色的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回路控制的這個過程不依賴Opto 22 PAC控制器來執(zhí)行，而是通過遠程處理器（也被稱作智能處理器）實現(xiàn)的。將整個設(shè)備中的控制器層的PID回路控制的密集運算下放到I/O機架上的智能處理器，能有效推動控制至I/O層，同時這種分布式架構(gòu)為Csuti提供了許多優(yōu)勢。

他解釋道：“有了Opto的分布式SNAP PAC系統(tǒng)，中央控制器能運行控制程序或‘策略’，并代表遠程智能處理器的許多功能—從簡單的I/O讀寫到更復(fù)雜些的功能如高速計數(shù)、脈沖、測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PAC以任意形式出現(xiàn)故障，你仍有單獨單元可繼續(xù)進行操作，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)、離線或因為任何原因不運行，所有分布在整個設(shè)施中的SNAP PAC智能控制器不會受到影響，將繼續(xù)執(zhí)行他們的PID計算和對規(guī)定水的計量。

Opto分布式架構(gòu)的另一個優(yōu)勢在于布線，如Csuti的水處理操作發(fā)生在大規(guī)模設(shè)備中，一個主控制室與6個遠程I/O通訊，面板加2個遠程站點通過光纖通訊。這些都是有線連I/O，控制閥門開關(guān)、設(shè)備開關(guān)及儀表監(jiān)測。在白天的開關(guān)過程中，系統(tǒng)操作狀態(tài)是手動，面板則用于本地控制。而在晚間和節(jié)假日，系統(tǒng)切換至自動狀態(tài)，同時控制室優(yōu)先。因此，布線實際上需要2個不同的地點，同時，對于設(shè)備大于2500個I/O點的集中控制，需建立起并管理眾多遠距離布線的運行。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24h監(jiān)測和控制水處理過程

并行布線升級

這一水處理應(yīng)用中獨特的一面是，升級至SNAP PAC系統(tǒng)意味著Csuti需要對整個設(shè)備進行并行布線，通過安裝新的的硬件同時和舊硬件并行與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時，在LMDT中的操作性質(zhì)及這些操作對健康、周圍居民和環(huán)境產(chǎn)生的巨大影響決定了沒有其他的選擇。

但是最終的升級將是值得的，因為新的系統(tǒng)的速度將是原來的100倍，且具有較好的PID處理能力，并提供高密度的I / O，能為當局節(jié)省很大空間。

整個控制系統(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和參數(shù)上。新系統(tǒng)的功能使得Csuti估算并標記出必要的調(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。

故障報錯，報警和可靠性

監(jiān)察當局繼續(xù)監(jiān)測Leadville內(nèi)及附近的水域。若水中金屬量超標，或水質(zhì)不干凈，當局將面臨重罰。為了避免處罰，Csuti設(shè)計的控制策略指定若有任意過程不符合設(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)移至確認的池塘內(nèi)直到問題糾正，系統(tǒng)重啟。

類似地，當水廠監(jiān)測處于自動模式，若發(fā)現(xiàn)一個閥門位置錯誤或模擬量讀數(shù)超過參數(shù)范圍，控制策略會對系統(tǒng)嘗試重啟操作。若系統(tǒng)無法正常重啟，整個過程安全有序的關(guān)閉。若遇緊急情況如自主撥號激活，撥打如下之一的電話（管理者、操作員、機械專家或電氣專家Csuti），使其可以快速知曉并迅速抵達現(xiàn)場。

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

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