通過(guò)與PLC控制器進(jìn)行比較，了解現(xiàn)代測(cè)量放大器的技術(shù)可能性。測(cè)量技術(shù)將走向何方？關(guān)鍵點(diǎn)和潛在障礙是什么？如果想取得長(zhǎng)期成功，有哪些是需要特別注意的？

新理念不可或缺

過(guò)去，測(cè)試臺(tái)或生產(chǎn)系統(tǒng)組件之間的交互只能通過(guò)復(fù)雜的傳輸通道和接口轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)。為了提高這些日益復(fù)雜系統(tǒng)的效率，近年來(lái)不斷向模塊化組件和標(biāo)準(zhǔn)接口轉(zhuǎn)變。產(chǎn)品開(kāi)發(fā)人員和生產(chǎn)人員正在尋找靈活的系統(tǒng)，這些系統(tǒng)僅需對(duì)新員工進(jìn)行簡(jiǎn)單的培訓(xùn)，并且易于集成到新技術(shù)中。自動(dòng)化生產(chǎn)和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)任務(wù)之間有一些基本的區(qū)別。產(chǎn)品開(kāi)發(fā)需要高采樣率、精確的數(shù)據(jù)采集，但自動(dòng)化應(yīng)用更需要的是實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，以保持序列和機(jī)器處于最佳工作狀況。對(duì)于后者，實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)意義不大，診斷數(shù)據(jù)具有更高的優(yōu)先級(jí)。
在機(jī)電系統(tǒng)中，這些曾經(jīng)截然不同的概念已經(jīng)結(jié)合到了一起。因此，理想組件的要求是足夠靈活，可以在生產(chǎn)和測(cè)試環(huán)境中使用。

現(xiàn)代組件正在將以前只有智能手機(jī)和平板電腦才具有的增強(qiáng)用戶(hù)體驗(yàn)引入測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域

PLC 的作用是什么？

可編程邏輯控制器（PLC）是一種對(duì)機(jī)器或系統(tǒng)進(jìn)行控制或調(diào)整，并可進(jìn)行數(shù)字編程的設(shè)備。在最簡(jiǎn)單的情況下，PLC帶有輸入、輸出、操作系統(tǒng)（固件）和連接到用戶(hù)程序的接口。用戶(hù)程序根據(jù)輸入確定如何切換輸出。PLC具有很高的確定性，其周期時(shí)間定義為精確的毫秒級(jí)，在毫秒內(nèi)處理機(jī)器的應(yīng)用程序和控制序列。但 PLC 對(duì)序列的更改總是需要一名專(zhuān)家來(lái)調(diào)整或修改并驗(yàn)證操作程序。這需要對(duì)程序員進(jìn)行長(zhǎng)期而徹底的培訓(xùn)。

傳感器和致動(dòng)器用于將PLC連接到機(jī)器或工廠(chǎng)，此外，還帶有狀態(tài)顯示。傳感器連接到PLC的輸入，并傳達(dá)機(jī)器或工廠(chǎng)中發(fā)生的情況。傳感器包括按鈕、擋光板、增量編碼器、限位開(kāi)關(guān)或溫度傳感器、液位傳感器等。致動(dòng)器連接到PLC的輸出，并提供控制機(jī)器或設(shè)備的可能性。致動(dòng)器包括用于打開(kāi)電機(jī)的接觸開(kāi)關(guān)、液壓或壓縮空氣的電動(dòng)閥，以及用于驅(qū)動(dòng)控制的模塊（運(yùn)動(dòng)控制、受控加速或減速的速度控制、步進(jìn)電機(jī)控制）。

基于模塊化的差異

1）模塊化 PLC

對(duì)于模塊化PLC，控制系統(tǒng)由單個(gè)組件組成，每個(gè)組件執(zhí)行不同的任務(wù)。最基本的例子是由中央處理器和至少一個(gè)輸入和一個(gè)輸出組件組成的PLC。這些系統(tǒng)可以通過(guò)添加額外的模塊來(lái)擴(kuò)展，例如輸入或輸出。使用專(zhuān)用模塊，例如串行端口，還可以集成氣象站等組件?？梢愿鶕?jù)需要添加模擬輸入信號(hào)處理、復(fù)雜控制模塊和許多其他模塊。

2）緊湊型PLC

緊湊型PLC不可擴(kuò)展或只能在有限的范圍內(nèi)擴(kuò)展，一般只需要更少的空間和投資。它們提供與模塊化PLC相同的基本功能。

應(yīng)用領(lǐng)域和PLC的限制

可編程邏輯控制器可將來(lái)自傳感器和致動(dòng)器的簡(jiǎn)單測(cè)量值以及數(shù)字信號(hào)進(jìn)行組合。PLC按照先前確定的操作程序同步工作，從而控制機(jī)器和系統(tǒng)。 這些操作程序的創(chuàng)建和修改需要訓(xùn)練有素的專(zhuān)家，因?yàn)榭删幊踢壿嬁刂破鞯恼{(diào)整和補(bǔ)充非常耗時(shí)，沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的編程專(zhuān)家是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。這同樣適用于小型緊湊型控制器，如果沒(méi)有必要的技術(shù)知識(shí)，這些控制器是不可能運(yùn)行的。 

由于其預(yù)定的結(jié)構(gòu)，PLC很快達(dá)到處理數(shù)據(jù)量的極限。因此，對(duì)于具有大數(shù)據(jù)量和測(cè)量信號(hào)精確曲線(xiàn)的測(cè)量和控制任務(wù)，PLC將無(wú)法勝任。 此外，從輸入/輸出模塊測(cè)量的信號(hào)的準(zhǔn)確性來(lái)說(shuō)，PLC通常不足以對(duì)工廠(chǎng)中的信號(hào)和過(guò)程做出準(zhǔn)確的決定。生產(chǎn)或測(cè)試過(guò)程的效率降低是不可避免的。因此，PLC必須被視為一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)。它通過(guò)相應(yīng)的接口“連接到外部世界”的可用性有限。然而，全連通性是數(shù)字化和物聯(lián)網(wǎng)的基本要求，除了控制系統(tǒng)外，還需要基于云的存儲(chǔ)、評(píng)估和可視化，以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的生產(chǎn)力的飛躍。

模塊化PLC

運(yùn)營(yíng)技術(shù)（OT）和信息技術(shù)（IT）正在融合

測(cè)試和控制軟件也有類(lèi)似的情況。必須使用合適的軟件保存和分析測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)量數(shù)據(jù)。由于涉及大量數(shù)據(jù)，該軟件基于PC，并通過(guò)以太網(wǎng)接口傳輸?shù)綔y(cè)量計(jì)算機(jī)。在下一步中，評(píng)估軟件將控制技術(shù)結(jié)合，并用于生產(chǎn)環(huán)境。此外，生產(chǎn)環(huán)境中的機(jī)電系統(tǒng)通常需要高度實(shí)時(shí)行為，以確保所有組件之間的順利交互而不出現(xiàn)任何錯(cuò)誤。 
我們?yōu)楫a(chǎn)品開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)本身提供廣泛的傳感器和測(cè)量采集系統(tǒng)。通常，現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施無(wú)法跟上現(xiàn)代、高度動(dòng)態(tài)生產(chǎn)線(xiàn)的要求和數(shù)據(jù)量。 成功使用此類(lèi)測(cè)量系統(tǒng)的重要標(biāo)準(zhǔn)包括實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸和高存儲(chǔ)容量。對(duì)于不同的員工和操作員來(lái)說(shuō)，測(cè)量設(shè)置的簡(jiǎn)單化及測(cè)量數(shù)據(jù)的可視化也很重要。

現(xiàn)代測(cè)量鏈：從傳感器到儀表再到輸出
1）作為測(cè)量數(shù)據(jù)采集器的儀器和工業(yè)放大器測(cè)量數(shù)據(jù)以20 kHz的采樣率準(zhǔn)確采集且無(wú)噪聲。TEDS傳感器識(shí)別簡(jiǎn)化了放大器配置和測(cè)量模式。它不僅可以自動(dòng)識(shí)別連接的傳感器并調(diào)整測(cè)量和功能范圍來(lái)實(shí)現(xiàn)快速配置。此外，測(cè)量值狀態(tài)還可用于通道診斷，并用于現(xiàn)場(chǎng)選擇性訪(fǎng)問(wèn)或在出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。
2）具有內(nèi)部計(jì)算功能的工業(yè)放大器（智能功能）為了以穩(wěn)定的方式運(yùn)行自動(dòng)化系統(tǒng)，傳輸通道不得“堵塞”。因此，應(yīng)盡可能多地預(yù)處理測(cè)量數(shù)據(jù)。一般通過(guò)分散方式實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，因此組件必須具有內(nèi)部計(jì)算通道。實(shí)時(shí)執(zhí)行監(jiān)控功能。然后在內(nèi)部對(duì)信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步處理，并通過(guò)模擬輸出或基于以太網(wǎng)的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)輸出到自動(dòng)化系統(tǒng)。這不會(huì)使機(jī)器和系統(tǒng)控制器過(guò)載，因此可以實(shí)現(xiàn)較短、快速的控制周期。 集成智能功能（例如，智能計(jì)算通道）的工業(yè)放大器對(duì)于機(jī)器制造商來(lái)說(shuō)是經(jīng)濟(jì)的，因?yàn)樗鼈儾恍枰帉?xiě)大量代碼的內(nèi)部軟件開(kāi)發(fā)人員。任何機(jī)電工程師都可以直觀地操作這些智能功能。

通過(guò)新的通訊方式進(jìn)行直觀操作

用戶(hù)和工廠(chǎng)運(yùn)營(yíng)商每天都可從智能設(shè)備中獲益?，F(xiàn)代自動(dòng)化組件現(xiàn)在正在為測(cè)量技術(shù)帶來(lái)同樣的增強(qiáng)用戶(hù)體驗(yàn)。除了熟悉的軟件和處理外，標(biāo)準(zhǔn)化的界面還可以通過(guò)任何支持互聯(lián)網(wǎng)的終端設(shè)備方便地訪(fǎng)問(wèn)，進(jìn)行參數(shù)配置、操作和分析。其結(jié)果是：為用戶(hù)帶來(lái)極高的投資安全性。

通過(guò)邊緣控制器聯(lián)網(wǎng)

當(dāng)現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)被用作邊緣設(shè)備時(shí)，通過(guò)工業(yè)4.0向機(jī)器制造商開(kāi)放。輸入/輸出模塊允許通過(guò)模擬和數(shù)字方式對(duì)額外信號(hào)進(jìn)行采樣，從而實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)性維護(hù)和其他功能。 

邊緣控制器支持各種通信協(xié)議（SMB、OPC UA、TSN、MQTT），通過(guò)這些協(xié)議，所有必要的單元可以水平和垂直連接，以形成智能工廠(chǎng)。云連接可以以同樣的方式實(shí)現(xiàn)，如果可以通過(guò)所有系統(tǒng)接口訪(fǎng)問(wèn)組件而不產(chǎn)生任何影響，那么任何未來(lái)協(xié)議的集成都不會(huì)成為障礙。

需要新的接口

需要一種新的數(shù)據(jù)格式來(lái)有效地將計(jì)劃和診斷數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫?。OPC-UA就是這樣一種數(shù)據(jù)格式。其前身OPC是標(biāo)準(zhǔn)化的，并被定義為全球標(biāo)準(zhǔn)。OPC統(tǒng)一架構(gòu)（OPC UA）是一種工業(yè)M2M通信協(xié)議。 

作為OPC的最新規(guī)范，OPC UA與其前身有很大不同，尤其是它不僅能夠移動(dòng)機(jī)器數(shù)據(jù)（控制變量、測(cè)量值和參數(shù)等），而且還可以以機(jī)器可讀的形式對(duì)其進(jìn)行語(yǔ)義描述。該技術(shù)基于以太網(wǎng)，具有巨大的經(jīng)濟(jì)潛力和投資安全性。采集的數(shù)據(jù)也通過(guò)以太網(wǎng)傳輸，但不采用現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)系統(tǒng)中使用的快周期。

基于計(jì)量的自動(dòng)化組件的應(yīng)用領(lǐng)域和限制

工業(yè)放大器，如HBM的ClipX和PMX，即使在部分負(fù)載范圍內(nèi)也能提供高測(cè)量精度和高測(cè)量速率。但請(qǐng)注意，只有當(dāng)由傳感器和放大器組成的整個(gè)測(cè)量鏈滿(mǎn)足必要的要求時(shí)，才可能做出定性聲明。為此，所有使用的測(cè)量硬件必須具有適當(dāng)?shù)臏y(cè)量和信號(hào)質(zhì)量。

傳統(tǒng)的可編程邏輯控制器（PLC）無(wú)法提供所需的質(zhì)量。這只能通過(guò)測(cè)量放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)，例如ClipX或PMX，其具有高信號(hào)分辨率（24位）。為此，建議使用載頻（TF）測(cè)量方法，然后才將其放大。這消除了與系統(tǒng)相關(guān)的干擾，如電源嗡嗡聲和熱電電壓。值得注意的是，所有測(cè)量通道均以19200 Hz的采樣率并行采集。 

隨著新的網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)在智能測(cè)量放大器中的實(shí)施，過(guò)程變得更加精簡(jiǎn)和透明。生產(chǎn)和測(cè)試臺(tái)控制變得更容易，因?yàn)樗鼈兛梢栽诤艽蟪潭壬蠈?shí)現(xiàn)自動(dòng)化和遠(yuǎn)程控制。不再需要密集部署工作人員和員工培訓(xùn)。設(shè)備報(bào)告其自身的健康和狀況，以便于優(yōu)化維護(hù)。 

PMX測(cè)量放大器系統(tǒng)具有極高的靈活性，因?yàn)楦鶕?jù)IEC61131，它本身就是一個(gè)集成CODESYS軟PLC的控制系統(tǒng)。同時(shí)，它可以將其測(cè)量和評(píng)估數(shù)據(jù)傳輸并存儲(chǔ)到計(jì)算機(jī)或云中。這會(huì)自動(dòng)將PMX轉(zhuǎn)變?yōu)樽詣?dòng)化和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。 

ClipX和PMX測(cè)量系統(tǒng)也可以選擇性地配備Profinet、EtherCAT或以太網(wǎng)/IP現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)類(lèi)型，以將其連接到生產(chǎn)系統(tǒng)。傳感器和致動(dòng)器也可以連接到這些系統(tǒng)。通過(guò)附加診斷監(jiān)測(cè)連接，因此可以實(shí)時(shí)發(fā)出故障信號(hào)。此外，測(cè)量數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)預(yù)處理。這意味著工廠(chǎng)的許多系統(tǒng)負(fù)載已經(jīng)在ClipX或PMX放大器中處理，PLC負(fù)載被釋放。 

當(dāng)工廠(chǎng)數(shù)據(jù)可以集中存儲(chǔ)和使用時(shí)，出現(xiàn)了重大的新應(yīng)用可能性。正如我們已經(jīng)熟悉的云解決方案，如谷歌地圖，這現(xiàn)在正在轉(zhuǎn)移到制造業(yè)。一方面，可以具體滿(mǎn)足特殊要求。另一方面，故障被檢測(cè)、及時(shí)發(fā)出信號(hào)。生產(chǎn)變得更高效、更具成本效益，并且在很大程度上實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化。不需要手動(dòng)操作，并可以根據(jù)需要提供控制服務(wù)。