基于PC－BasedPLC的控制系統(tǒng)的解決策略與實例

　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，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，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)。
1 PLC 、IPC、PC-Based PLC
　　隨著PC技術(shù)的飛速發(fā)展，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。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，并可通過Internet/Intranet瀏覽生產(chǎn)過程信息流中的制造過程、操作和監(jiān)控現(xiàn)場智能設(shè)備等，IPC越來越多地承擔著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)?？傮w而言，IPC還是最適合應(yīng)用于自動化控制平臺的。但作為傳統(tǒng)主流控制器的PLC，它擁有穩(wěn)定性好、可靠性高、邏輯順序控制能力強等優(yōu)點，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)、封閉式系統(tǒng)（研發(fā)必須具備自己或OEM的CPU、芯片組、BIOS、操作系統(tǒng)、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，也增加了用戶維修的難度和集成的成本。有人斷言，在不久的將來，基于PC的控制器將會逐步取代PLC而成為主流控制設(shè)備。為了改善這種局面，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，使PLC和IPC在功能和規(guī)格方面越來越接近，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，它不再像IPC那樣以機箱加主板為主體結(jié)構(gòu)，再搭配諸如A/D、D/A、DI/DO等功能I/O板卡的組合產(chǎn)品，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)。如泓格的I-8000系列, 其主機內(nèi)部是40MHz主頻的80188 CPU，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，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，并將其編譯好后傳送到主機內(nèi)的Flash上、再讓其脫機運行。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，如泓格的ISaGRAF(配合I-8417/8817主機)，相對于PLC而言，PC-Based PLC的優(yōu)勢在于擁有IPC強大的Computing、Data Processing和Communication功能，在軟件方面，PC-Based PLC支持IEC-61131-3（LD、SFC、FBD、IL、ST）的五種國際標準語言和軟邏輯。由于以上特點，PC-Based PLC將會更加開放和標準化，能適應(yīng)更加復雜的控制和管控一體化信息的需求。
總的來說，IPC是開放式架構(gòu)、開放式系統(tǒng)，PLC則是封閉式架構(gòu)、封閉式系統(tǒng)，而PC-Based PLC介于二者之間，是開放式架構(gòu)、封閉式系統(tǒng)。嚴格地說，IPC一般承擔著管理控制任務(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)，而PLC一般用作現(xiàn)地控制器。由于PC技術(shù)、信息技術(shù)、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，會有更多的廠家來共同推進PC-Based PLC的發(fā)展。因此，PC-Based PLC會有非常好的發(fā)展前景，但這并不意味著在短時間內(nèi)PC-Based PLC會取代PLC，PLC和PC-Based PLC將會在競爭的發(fā)展中逐漸走向融合[1 、2]。
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，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，其數(shù)據(jù)處理能力、存儲空間有限，導致其運算、邏輯處理以及事件響應(yīng)的快速性就沒有IPC那么強大，由于CPU要完成一次A/D的整個過程必須要進行采樣、保持、同步、轉(zhuǎn)換、存儲、處理以及運算等一系列的過程方可完成，比較費時，因此，當要完成的AI通道數(shù)較多時，必然會影響采樣的實時性和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。通常而言，在一個I-8000模塊中，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，處理不好，將會導致整個系統(tǒng)崩潰和經(jīng)常出現(xiàn)當機、主機板燒壞等現(xiàn)象，由于I-8000模塊的供電一般為10～30VDC，總的輸入功率為20W，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，由于系統(tǒng)供電能量不足，將會導致其輸出不正常，控制系統(tǒng)經(jīng)常誤動作，導致系統(tǒng)崩潰、當機，甚至會導致主控板燒壞，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性以及可靠性存在許多隱患因素。一般而言，像I-8060、I-8058、I-8063、I-8064、I-8065、I-8066、I-8068、I-8069等不要超過兩塊，尤其是I-8060、I-8063、I-8064、I-8065、I-8069這些功率模塊最好為一塊。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。
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，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。因為上位機通常為Windows操作系統(tǒng)，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，數(shù)據(jù)通信、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，是搶先式、多任務(wù)、基于消息傳遞機制的操作系統(tǒng)，但僅憑消息調(diào)度機制，顯然不能滿足實時系統(tǒng)的要求，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，采用多線程技術(shù)，可以有效地利用Windows等待時間，加快程序的反應(yīng)速度，提高執(zhí)行效率。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、分析與存儲，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。
　　PC-Based PLC與上位機一般采用RS-485、CAN、ModBus或者Ethernet，假如采用RS-485、CAN、ModBus時，則要合理分配通信口，一般RS-485、CAN、ModBus的通信適配器卡有兩個口，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，但是假如有四、六個……，最好將其分成兩組，上位機則采用兩個通信口分別與其通信，上位機采用兩個線程編寫通信程序，配置圖見圖1所示。

2.4　電源配置
　　假如一個控制系統(tǒng)有多塊I-8000模塊，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，考慮到電源本身的功耗，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，千萬不要串接。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、電磁兼容性好、低紋波開關(guān)電源。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。
2.5　信號地的處理
　　正確、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，是安全保護和抑制噪聲的重要手段，對提高I-8000系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性極其重要。為了盡可能減小電磁噪聲影響，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，注意要將變頻器散熱器、電源中性線、變頻器外殼和中性端、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，所有接地線不可形成接地回路。變頻器接地電阻越小越好，接地導線截面積應(yīng)不小于4mm2，長度應(yīng)控制在20m以內(nèi)。屏蔽層、數(shù)字信號地接于控制回路接地極。為防止形成回路，屏蔽層應(yīng)單端接地?？刂破鞯慕拥鼐€與電源線、動力線分開。I-8000最好單獨接地，也可以與其他設(shè)備公共接地，但嚴禁與其他設(shè)備串聯(lián)接地。
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、0＃汽油、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、卸料、車輛出廠時，再過磅稱車重等等，過磅過程、手續(xù)、登記極其繁瑣，有時還容易出現(xiàn)錯磅和漏磅現(xiàn)象，極不容易管理，并且給統(tǒng)計、計量工作帶來了極大的困難，過磅工人的勞動強度大，經(jīng)常出現(xiàn)車隊排隊過磅的現(xiàn)象，辦事效率極其低下，為改變這種局勢，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、模擬信號輸出模塊I-8024、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，并利用計算機控制技術(shù)，為其不同的油料的進站計量、出站計量、統(tǒng)計等開發(fā)了一套分布式的油料計量、統(tǒng)計管理系統(tǒng)，省時又省力，深得用戶喜愛。系統(tǒng)架構(gòu)圖件圖2所示。


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、液體溫度、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）、存儲油罐的液位值以防液體溢出、溫度等；
2）利用I-8024的D/A功能，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，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，達到使電機變頻運行、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、流量控制電磁閥、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、流量控制電磁閥、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，使I-8411與上位機服務(wù)器的串口進行數(shù)據(jù)通信。
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，這一脈沖一旦進入信號系統(tǒng)中，不僅會引起控制系統(tǒng)的誤動作，更為甚者，會燒壞控制設(shè)備、死鎖控制信號輸入通道。尤其是對I-8017H、I-8024、I-8042等模塊影響較大，為了減少其影響，在每個控制模塊的輸入或輸出端加入一阻容保護電路，以吸收其尖峰脈沖。同時信號地和電源地要分開。
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，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，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，電動機處于發(fā)電狀態(tài)，而變頻器沒有能量回饋單元，因而變頻器支流直流回路電壓升高，超出保護值，出現(xiàn)過壓故障。因此必須增加再生制動單元，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、棒圖、曲線的方式顯示實時采集的流量、溫度、開關(guān)狀態(tài)、電機轉(zhuǎn)速等各項參數(shù)；
2）可進行流量和總量的計算，生成日報、月報、年報等；并可存儲多年的歷史記錄；
3）數(shù)據(jù)修復維護：具有參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)丟失修復功能。
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、嵌入式操作系統(tǒng)和IEC-61131-3（LD、SFC、FBD、IL、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，具有PLC的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，又具有IPC的開放式架構(gòu)，目前在工控界是IPC、PLC以及PC-Based PLC共存的時代，又是三者逐漸走向融合的時代，隨著嵌入式CPU、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，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、數(shù)據(jù)通信能力將會更強、數(shù)據(jù)處理能力更快。更能適應(yīng)更加復雜的工業(yè)控制需求。