基于PC－Based PLC的控制系統(tǒng)的解決策略與實例

吳道虎 李徭徭 王緒軍 石淘

摘要：主要分析了PC-Based PLC在控制系統(tǒng)中存在的理由及其發(fā)展過程肝羊，并對基于PC-Based PLC架構(gòu)的控制系統(tǒng)的集成方法與技巧進行了重點闡述和分析成甫，同時列舉了基于PC-Based PLC集成的分布式油料計量、統(tǒng)計管理系統(tǒng)子特。

關(guān)鍵詞：PC-Based PLC控制器  集成  方法

1  PLC 著正、IPC、PC-Based PLC

隨著PC技術(shù)的飛速發(fā)展挨伯，使得IPC（工業(yè)控制計算機）以及基于IPC的應(yīng)用技術(shù)同樣也得到了突飛猛進的發(fā)展侥镀。同時，隨著Internet技術(shù)的應(yīng)用和所有生產(chǎn)信息過程和控制信息過程的集成與發(fā)展履绎，并可通過Internet/Intranet瀏覽生產(chǎn)過程信息流中的制造過程皇可、操作和監(jiān)控現(xiàn)場智能設(shè)備等，IPC越來越多地承擔(dān)著SCADA的人機交互控制任務(wù)和協(xié)同下級小型控制器或智能現(xiàn)場設(shè)備的控制任務(wù)缠俺∠跃В總體而言，IPC還是最適合應(yīng)用于自動化控制平臺的壹士。但作為傳統(tǒng)主流控制器的PLC吧碾，它擁有穩(wěn)定性好、可靠性高墓卦、邏輯順序控制能力強等優(yōu)點倦春，在自動化控制領(lǐng)域具有不可替代的優(yōu)勢。但有一大遺憾：其封閉式架構(gòu)落剪、封閉式系統(tǒng)（研發(fā)必須具備自己或OEM的CPU睁本、芯片組、BIOS忠怖、操作系統(tǒng)呢堰、梯形圖編程軟件）、較差的開放性勢必會造成其應(yīng)用上的壁壘凡泣，也增加了用戶維修的難度和集成的成本枉疼。有人斷言，在不久的將來谭扑，基于PC的控制器將會逐步取代PLC而成為主流控制設(shè)備窟句。為了改善這種局面办樟，傳統(tǒng)PLC生產(chǎn)廠家正在逐步將PLC的功能PC化（如Siemens的WinAC）、而IPC廠家也逐步將IPC的邏輯控制功能PLC化吟筷，使PLC和IPC在功能和規(guī)格方面越來越接近疟骤，由此就出現(xiàn)了基于PLC和IPC技術(shù)的中間控制器：PC-Based PLC。

PC-Based PLC也稱嵌入式控制器冲驶，它不再像IPC那樣以機箱加主板為主體結(jié)構(gòu)陨梅，再搭配諸如A/D、D/A杖扫、DI/DO等功能I/O板卡的組合產(chǎn)品押强，而是一個獨立的基于嵌入式PC技術(shù)的專用系統(tǒng)，適合應(yīng)用于小型的SCADA系統(tǒng)煎喘。如泓格的I-8000系列, 其主機內(nèi)部是40MHz主頻的80188 CPU溜棉，操作系統(tǒng)為兼容DOS的MiniOS7，其編程環(huán)境是基于PC的標準C語言程序略荡，程序開發(fā)過程與PLC極其相似：首先在PC上編寫常駐任務(wù)程序庵佣，并將其編譯好后傳送到主機內(nèi)的Flash上歉胶、再讓其脫機運行汛兜。另外為了使其具備PLC的優(yōu)勢特性，PC-Based PLC也可使用梯形圖編程通今，如泓格的ISaGRAF(配合I-8417/8817主機)粥谬，相對于PLC而言，PC-Based PLC的優(yōu)勢在于擁有IPC強大的Computing辫塌、Data Processing和Communication功能漏策，在軟件方面，PC-Based PLC支持IEC-61131-3（LD臼氨、SFC掺喻、FBD、IL储矩、ST）的五種國際標準語言和軟邏輯感耙。由于以上特點，PC-Based PLC將會更加開放和標準化持隧，能適應(yīng)更加復(fù)雜的控制和管控一體化信息的需求即硼。

總的來說，IPC是開放式架構(gòu)腕浴、開放式系統(tǒng)圣谴，PLC則是封閉式架構(gòu)、封閉式系統(tǒng)阅六，而PC-Based PLC介于二者之間母赶，是開放式架構(gòu)漂熙、封閉式系統(tǒng)。嚴格地說捡奖，IPC一般承擔(dān)著管理控制任務(wù)和協(xié)同下級小型控制器或智能現(xiàn)場設(shè)備的控制任務(wù)张庄，而PLC一般用作現(xiàn)地控制器。由于PC技術(shù)窍蚤、信息技術(shù)拢杠、通信技術(shù)的交替發(fā)展，使得研發(fā)PC-Based PLC的投資相對減少夏植，會有更多的廠家來共同推進PC-Based PLC的發(fā)展舰断。因此，PC-Based PLC會有非常好的發(fā)展前景砸捏，但這并不意味著在短時間內(nèi)PC-Based PLC會取代PLC谬运，PLC和PC-Based PLC將會在競爭的發(fā)展中逐漸走向融合^{[1 、2]}垦藏。

2         基于PC-Based PLC架構(gòu)系統(tǒng)的應(yīng)用技巧

2.1         AI模塊

   AI（Analog Inputs）的多寡對系統(tǒng)的運行的實時性和穩(wěn)定性有較大的影響梆暖，尤其是當AI模塊較多時其影響更大。主要原因為：I-8000模塊的CPU僅僅是一款主頻只有40MHz的80188的控制器掂骏，其數(shù)據(jù)處理能力轰驳、存儲空間有限，導(dǎo)致其運算弟灼、邏輯處理以及事件響應(yīng)的快速性就沒有IPC那么強大级解，由于CPU要完成一次A/D的整個過程必須要進行采樣、保持田绑、同步勤哗、轉(zhuǎn)換、存儲掩驱、處理以及運算等一系列的過程方可完成芒划，比較費時，因此欧穴，當要完成的AI通道數(shù)較多時鼻昼，必然會影響采樣的實時性和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。通常而言揖岔，在一個I-8000模塊中序峦，一般不要超過兩塊如I-8017H系列的AI模塊為佳。

2.2         繼電器輸出模塊

繼電器輸出模塊對整個系統(tǒng)的影響最大文荚，處理不好鳍擎，將會導(dǎo)致整個系統(tǒng)崩潰和經(jīng)常出現(xiàn)當機、主機板燒壞等現(xiàn)象衬械，由于I-8000模塊的供電一般為10～30VDC祷罩，總的輸入功率為20W哺裳，不像IPC的輸入功率為250W那么大，假如繼電器輸出模塊尤其是大功率繼電器模塊插放的太多隔抒，由于系統(tǒng)供電能量不足坛饥，將會導(dǎo)致其輸出不正常，控制系統(tǒng)經(jīng)常誤動作课娃，導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰吴澜、當機，甚至?xí)?dǎo)致主控板燒壞杖虾，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性烂瘫、安全性以及可靠性存在許多隱患因素。一般而言奇适，像I-8060肝谭、I-8058氏堤、I-8063、I-8064栗怪、I-8065齿矗、I-8066稿焚、I-8068魂爪、I-8069等不要超過兩塊蝌数，尤其是I-8060、I-8063魂贬、I-8064巩割、I-8065裙顽、I-8069這些功率模塊最好為一塊付燥。假如系統(tǒng)要控制的功率繼電器較多，可以采用普通光隔開關(guān)量輸入/輸出模塊如I-8042利用多級放大的原理連接颅网。

2.3         通信處理

在由PC-Based PLC架構(gòu)的控制系統(tǒng)最為重要的一個環(huán)節(jié)便是與上位機進行的實時數(shù)據(jù)通信過程段卵，而這一環(huán)節(jié)往往是制約系統(tǒng)實時性和穩(wěn)定性的因素，它容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)瓶頸翎憨。因為上位機通常為Windows操作系統(tǒng)荤榄，應(yīng)用程序一般有人機交互界面和實時顯示界面，而往往將人機交互界面和實時顯示界面設(shè)計為前臺窗口磨再，數(shù)據(jù)通信借倘、分析以及存儲設(shè)計為后臺運行，但Windows 并不是作為實時操作系統(tǒng)設(shè)計的莉遥，是搶先式枣象、多任務(wù)、基于消息傳遞機制的操作系統(tǒng)灶逃，但僅憑消息調(diào)度機制舶舅，顯然不能滿足實時系統(tǒng)的要求莫彩，難以保證準確實時地完成前后臺控制任務(wù)。因此在Windows環(huán)境中奸闽，采用多線程技術(shù)琼牧，可以有效地利用Windows等待時間，加快程序的反應(yīng)速度哀卫，提高執(zhí)行效率巨坊。用一個線程管理計算機數(shù)據(jù)通信，另一個線程進行數(shù)據(jù)處理此改、分析與存儲抱究，這樣在滿足數(shù)據(jù)連續(xù)采集的同時，增強了系統(tǒng)事件響應(yīng)和通信控制的實時性带斑。

PC-Based PLC與上位機一般采用RS-485鼓寺、CAN、ModBus或者Ethernet勋磕，假如采用RS-485妈候、CAN、ModBus時挂滓，則要合理分配通信口苦银，一般RS-485、CAN赶站、ModBus的通信適配器卡有兩個口幔虏，因此假如控制系統(tǒng)有兩個I-8000模塊，上位機可以采用一個通信口與兩個下級控制器通信惕秧，但是假如有四奥徒、六個……，最好將其分成兩組的炫，上位機則采用兩個通信口分別與其通信吐捞，上位機采用兩個線程編寫通信程序，配置圖見圖1所示蜕裳。

圖1：配置圖

2.4         電源配置

假如一個控制系統(tǒng)有多塊I-8000模塊吹蜡，考慮到系統(tǒng)的經(jīng)濟性以及安全性，最好每兩塊I-8000公用一個開關(guān)或者線性電源呈锣，考慮到電源本身的功耗锤衡，此時電源的功率必須大于60W，并且每個電源模塊分別接入～220VAC或者～380VAC的電源秒准，千萬不要串接试郎。選擇開關(guān)電源時要注意選用系統(tǒng)功率因數(shù)大于0.99且紋波電壓Vrms≤1.0%、紋波系數(shù)≤0.2%的功率密度大憾汛、電磁兼容性好党饮、低紋波開關(guān)電源肝陪。同時將控制器I/O通道和其它設(shè)備的供電采用各自的隔離變壓器分離開來，有助于提高控制系統(tǒng)的抗干擾能力刑顺。

2.5         信號地的處理

正確氯窍、良好的接地可以將混入電源和I/O電路的干擾信號引入大地，消除或減小干擾的影響蹲堂，是安全保護和抑制噪聲的重要手段狼讨，對提高I-8000系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性極其重要柒竞。為了盡可能減小電磁噪聲影響政供，電源回路和控制回路要分別設(shè)立接地極。在控制系統(tǒng)中難免有變頻器之類的功率器件朽基，注意要將變頻器散熱器布隔、電源中性線、變頻器外殼和中性端稼虎、電機外殼和Y型接法中性端要可靠接于電源回路接地極上衅檀，所有接地線不可形成接地回路。變頻器接地電阻越小越好敬挂，接地導(dǎo)線截面積應(yīng)不小于4mm²倾氮，長度應(yīng)控制在20m以內(nèi)。屏蔽層永韭、數(shù)字信號地接于控制回路接地極英甜。為防止形成回路，屏蔽層應(yīng)單端接地徊押“２樱控制器的接地線與電源線、動力線分開掖阶。I-8000最好單獨接地咒付，也可以與其他設(shè)備公共接地乌诚，但嚴禁與其他設(shè)備串聯(lián)接地炮疲。

3         實際應(yīng)用案例

在小型石油公司中，要進行大量的油料計量工作如輕油蜒午、0＃汽油虎叔、90＃汽油等，其計量過程往往是車隊從貨運站拖回公司后經(jīng)公司磅房過磅稱毛重截胯、卸料铺坞、車輛出廠時，再過磅稱車重等等洲胖，過磅過程济榨、手續(xù)坯沪、登記極其繁瑣，有時還容易出現(xiàn)錯磅和漏磅現(xiàn)象擒滑，極不容易管理腐晾，并且給統(tǒng)計、計量工作帶來了極大的困難丐一，過磅工人的勞動強度大藻糖，經(jīng)常出現(xiàn)車隊排隊過磅的現(xiàn)象，辦事效率極其低下库车，為改變這種局勢巨柒，采用PC-Based PLC I-8411嵌入式控制，并配以模擬信號輸入模塊I-8017H柠衍、模擬信號輸出模塊I-8024洋满、光隔離數(shù)字輸入/輸出模塊I-8042、I-8060繼電器輸出模塊以及RS232/RS485轉(zhuǎn)換器I-7520枪岖，并利用計算機控制技術(shù)唠芋，為其不同的油料的進站計量、出站計量讼舰、統(tǒng)計等開發(fā)了一套分布式的油料計量拧淘、統(tǒng)計管理系統(tǒng)，省時又省力沦望，深得用戶喜愛族焰。系統(tǒng)架構(gòu)圖件圖2所示。

圖2：基于I－8411的分布式計量架構(gòu)圖

3.1  功能模塊

1）  利用I-8017H的差分輸入的6路分別采集運輸車油罐的液位慨醒、液體溫度蚊凫、兩個LUGB系列渦街流量變送器的流量值（備計算用，取兩個流量計的平均值作為真正的流量值）阐合、存儲油罐的液位值以防液體溢出肛英、溫度等；

2）  利用I-8024的D/A功能童隆，輸出0～10V的直流信號作為Siemens公司的Micro Master通用型變頻器的變頻控制輸入信號林索，以使變頻器能進行V/F轉(zhuǎn)換，變成0～50Hz的交變信號實時控制三相異步電機洪灯，達到使電機變頻運行坎缭、促使液體恒速流動的目的。

3）  利用I-8060功率繼電器輸出信號實時控制各種流量繼電器签钩、流量控制電磁閥掏呼、電氣接觸器的開啟；

4）  利用I-8042的數(shù)字I/O進行各種開關(guān)的檢測與控制，同時實時檢測流量繼電器憎夷、流量控制電磁閥莽鸿、電氣接觸器的閉合狀態(tài)；

5）  利用I-7520作為RS-232/RS-485的轉(zhuǎn)換器拾给，使I-8411與上位機服務(wù)器的串口進行數(shù)據(jù)通信富拗。

3.2  安全可靠措施

1）  尖峰脈沖的處理：由于在本系統(tǒng)中用到了大型的可控硅，其閉合與斷開要產(chǎn)生巨大能量的尖峰脈沖鸣戴，這一脈沖一旦進入信號系統(tǒng)中啃沪，不僅會引起控制系統(tǒng)的誤動作，更為甚者窄锅，會燒壞控制設(shè)備创千、死鎖控制信號輸入通道。尤其是對I-8017H割对、I-8024揖姆、I-8042等模塊影響較大，為了減少其影響援漓，在每個控制模塊的輸入或輸出端加入一阻容保護電路眼厕，以吸收其尖峰脈沖。同時信號地和電源地要分開标康。

2）  變頻器過壓的處理：在本系統(tǒng)中利用變頻器拖動大慣性的牽引電機半就，由于變頻器輸出的速度比較快，而負載靠本身阻力減速比較慢胃肖，使負載拖動電動機的轉(zhuǎn)速比變頻器輸出的頻率所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速還要高吸自，電動機處于發(fā)電狀態(tài)，而變頻器沒有能量回饋單元徊激，因而變頻器支流直流回路電壓升高窥扭，超出保護值，出現(xiàn)過壓故障贿汞。因此必須增加再生制動單元逼肯，否則會干擾SCADA系統(tǒng)。

3.3    系統(tǒng)功能

1）  數(shù)據(jù)顯示：對每種油料以數(shù)字桃煎、棒圖篮幢、曲線的方式顯示實時采集的流量、溫度备禀、開關(guān)狀態(tài)洲拇、電機轉(zhuǎn)速等各項參數(shù)；

2）  可進行流量和總量的計算曲尸，生成日報、月報、年報等另患；并可存儲多年的歷史記錄纽乱；

3）  數(shù)據(jù)修復(fù)維護：具有參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)丟失修復(fù)功能。

4）  與公司的MIS系統(tǒng)實時交換數(shù)據(jù)

4         結(jié)束語

    PC-Based PLC的發(fā)展得益于嵌入式CPU昆箕、嵌入式操作系統(tǒng)和IEC-61131-3（LD鸦列、SFC、FBD鹏倘、IL策退、ST）標準化編程語言的發(fā)展，PC-Based PLC具有IPC和PLC的兩重特性气穴，具有PLC的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)跑腮，又具有IPC的開放式架構(gòu)，目前在工控界是IPC肉敏、PLC以及PC-Based PLC共存的時代帮冶，又是三者逐漸走向融合的時代，隨著嵌入式CPU索击、嵌入式操作系統(tǒng)以及符合IEC-61131-3國際標準語言開發(fā)工具的發(fā)展隧帜，PC-Based PLC或嵌入式控制器將更加開放和標準化，功能將會更加強大邢侵、數(shù)據(jù)通信能力將會更強豫柿、數(shù)據(jù)處理能力更快。更能適應(yīng)更加復(fù)雜的工業(yè)控制需求版鳞。

參考文獻：

[1] (暫不可見)

[2] 格羅馳博士（Siemens資深應(yīng)用工程師）：基于PC的自動化控制解決方案－7種趨勢围婴。