PC－Based PLC嵌入式控制器及其实际应用策略

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1  PC-Based PLC的概念

PC-Based PLC也称嵌入式控制器，是近几年随着嵌入式CPU、嵌入式操作系统和IEC-61131-3（LD、SFC、FBD、IL、ST）标准化编程语言的发展而发展的，它不再像IPC那样以机箱加主板为主体结构，再搭配诸如A/D、D/A、DI/DO等功能I/O板卡的组合产品，也不想PLC那么封闭，而是一个独立的基于嵌入式PC技术的开放式的控制系统，适合应用于小型的SCADA系统。如泓格的I-8000系列、Advantech的ADAM5510系列, 其主机内部是40MHz主频的80188 CPU，操作系统为兼容DOS的MiniOS7（I-8000系列）或者ROMDOS（ADAM5510），其编程环境是基于PC的标准C语言程序，程序开发过程与PLC*其相似：**再PC上编写扣住任务程序，并将其编译好后传送到主机内的RAM上、再让其脱机运行。另外为了使其具备PLC的优势特性， PC－Based PLC也可使用梯形图编程，如泓格的ISaGRAF(配合I-8417/8817主机)，相对于PLC而言，PC－Based PLC的优势在于拥有IPC强大的Computing、Data Processing和Communication功能，在软件方面，PC－Based PLC支持IEC-61131-3（LD、SFC、FBD、IL、ST）的五种国际标准语言和软逻辑。

由于以上特点，PC－Based PLC将会更加开放和标准化，能适应更加复杂的控制和管控一体化信息的需求。总之，IPC是开放式架构、开放式系统，PLC则是封闭式架构、封闭式系统，而PC－Based PLC介于二者之间，是开放式架构、封闭式系统。严格地说，IPC一般承担着管理控制任务和协同下级小型控制器或智能现场设备的控制任务，而PLC一般用作现地控制器。由于PC技术、信息技术、通信技术的交替发展，使得研发PC－Based PLC的投资相对减少，会有更多的厂家来共同推进PC－Based PLC的发展。因此，PC－Based PLC会有非常好的发展前景，但这并不意味着在短时间内PC－Based PLC会取代PLC，PLC和PC－Based PLC将会在竞争的发展中逐渐走向融合。

2、基于PC－Based PLC架构系统的应用策略

2.1AI模块

AI （Analog Inputs）的多寡对系统的运行的实时性和稳定性有较大的影响，尤其是当AI模块较多时其影响更大。主要原因为：诸如I－8000或者ADAM5510 控制器的CPU仅仅是一款主频只有40MHz地80188的控制器，其数据处理能力、存储空间有限，导致其运算、逻辑处理以及事件响应的快速性就没有 IPC那么强大，由于CPU要完成一次A/D的整个过程必须要进行采样、保持、同步、转换、存储、处理以及运算等一系列的过程方可完成，比较费时，因此，当要完成的AI通道数较多时，必然会影响采样的实时性和系统地稳定性。通常而言，在一个控制器中，一般不要超过两块AI模块为佳。

2.2 继电器输出模块

继电器输出模块对整个系统的影响*大，处理不好，将会导致整个系统崩溃和经常出现当机、主机板烧坏等现象，由于I －8000或者ADAM5510控制器的供电一般为10～30VDC，总的输入功率为20W，不像IPC的输入功率为250W那么大，假如继电器输出模块尤其是大功率继电器模块插放的太多，由于系统供电能量不足，将会导致其输出不正常，控制系统经常误动作，导致系统崩溃、当机，甚至会导致主控板烧坏，使系统的稳定性、安全性以及可靠性存在许多隐患因素。一般而言，诸如继电器输出模块不要超过两块，尤其是功率继电器模块*好为一块。假如系统要控制的功率继电器较多，可以采用普通光隔开关量输入/输出模块利用多级放大的原理连接。[page]

2.3 通信处理

在由PC－Based PLC架构的控制系统*为重要的一个环节便是与上位机进行的实时数据通信过程，而这一环节往往是制约系统实时性和稳定性的因素，它容易出现数据瓶颈。因为上位机通常为Windows操作系统，应用程序一般有人机交互界面和实时显示界面，而往往将人机交互界面和实时显示界面设计为前台窗口，数据通信、分析以及存储设计为后台运行，但Windows 并不是作为实时操作系统设计的，是抢先式、多任务、基于消息传递机制的操作系统，但仅凭消息调度机制，显然不能满足实时系统的要求，难以保证准确实时地完成前后台控制任务。因此在Windows环境中，采用多线程技术，可以有效地利用Windows等待时间，加快程序的反应速度，提高执行效率。用一个线程管理计算机数据通信，另一个线程进行数据处理、分析与存储，这样在满足数据连续采集的同时，增强了系统事件响应和通信控制的实时性。

PC －Based PLC与上位机一般采用RS－485、CAN、ModBus或者Ethernet，假如采用RS－485、CAN、ModBus时，则要合理分配通信口，一般RS－485、CAN、ModBus的通信适配器卡有两个口，因此假如控制系统有两个控制模块，上位机可以采用一个通信口与两个下级控制器通信，但是假如有四、六个……，*好将其分成两组，上位机则采用两个通信口分别与其通信，上位机采用两个线程编写通信程序，配置图见图1所示。

 

1：配置图

2.4 电源配置

假如一个控制系统有多块PC －Based PLC控制器，考虑到系统的经济性以及安全性，*好每两块控制器公用一个开关或者线性电源，考虑到电源本身的功耗，此时电源的功率必须大于60W，并且每个电源模块分别接入～220VAC或者～380VAC的电源，千万不要串接。选择开关电源时要注意选用系统功率因数大于0.99且纹波电压 Vrms≤1.0%、纹波系数≤0.2%的功率密度大、电磁兼容性好、低纹波开关电源。同时将控制器I/O通道和其它设备的供电采用各自的隔离变压器分离开来，有助于提高控制系统的抗干扰能力。

2.5 信号地的处理

正确、良好的接地可以将混入电源和I/O 电路的干扰信号引入大地，消除或减小干扰的影响，是安全保护和抑制噪声的重要手段，对提高I－8000或ADAM5510系统的稳定性、可靠性*其重要。为了尽可能减小电磁噪声影响，电源回路和控制回路要分别设立接地*。在控制系统中难免有变频器之类地功率器件，注意要将变频器散热器、电源中性线、变频器外壳和中性端、电机外壳和Y型接法中性端要可靠接于电源回路接地*上，所有接地线不可形成接地回路。变频器接地电阻越小越好，接地导线截面积应不小于 4mm2，长度应控制在20m以内。屏蔽层、数字信号地接于控制回路接地*。为防止形成回路，屏蔽层应单端接地。制器的接地线与电源线、动力线分开。PC－Based PLC*好单独接地，也可以与其他设备公共接地，但严禁与其他设备串联接地。

3、实际应用案例

3.1  泓格I-8000在小型油料计量管理中的应用

在小型石油公司中，要进行大量的油料计量工作如轻油、0＃汽油、90＃汽油等，其计量过程往往是车队从货运站拖回公司后经公司磅房过磅称毛重、卸料、车辆出厂时，再过磅称车重等等，过磅过程、手续、登记*其繁琐，有时还容易出现错磅和漏磅现象，*不容易管理，并且给统计、计量工作带来了*大的困难，过磅工人的劳动强度大，经常出现车队排队过磅的现象，办事效率*其低下，为改变这种局势，采用PC－Based PLC I－8411嵌入式控制，并配以模拟信号输入模块I－8017H、模拟信号输出模块I－8024、光隔离数字输入/输出模块I－8042、I－8060继电器输出模块以及RS232/RS485转换器I－7520，并利用计算机控制技术，为其不同的油料的进站计量、出站计量、统计等开发了一套分布式的油料计量、统计管理系统，省时又省力，深得用户喜爱。系统架构图件图2所示。[page]

 

图2：基于I－8411的分布式计量架构图

3.1.1  功能模块

1）  利用I－8017H的差分输入的6路分别采集运输车油罐的液位、液体温度、两个LUGB系列涡街流量变送器的流量值（备计算用，取两个流量计的平均值作为真正的流量值）、存储油罐的液位值以防液体溢出、温度等；

2）  利用I－8024的D/A功能，输出0～10V的直流信号作为Siemens公司的Micro Master通用型变频器的变频控制输入信号，以使变频器能进行V/F转换，变成0～50Hz的交变信号实时控制三相异步电机，达到使电机变频运行、促使液体恒速流动的目的。

3）  利用I－8060功率继电器输出信号实时控制各种流量继电器、流量控制电磁阀、电气接触器的开启；

4）  利用I－8042的数字I/O进行各种开关的检测与控制，同时实时检测流量继电器、流量控制电磁阀、电气接触器的闭合状态；

5）  利用I－7052作为RS－232/RS－485的转换器，使I－8411与上位机服务器的串口进行数据通信。

3.1.2 系统功能

1）据显示：对每种油料以数字、棒图、曲线的方式显示实时采集的流量、温度、开关状态、电机转速等各项参数；

2）可进行流量和总量的计算，生成日报、月报、年报等；并可存储多年的历史记录；

3）数据修复维护：具有参数设置和数据丢失修复功能。

4）与公司的MIS系统实时交换数据

3.2  Advantech  ADAM5510在无线煤气管道监控系统的应用

在城市煤气管道的每个监测点中，主要检测主干管道煤气的在某支流处上下游的流量与压力、支线管道流量与压力。以及主干管道煤气和支流管道煤气的气体温度。见图3所示。检测控制系统配置图见图4所示。

     

                

图3：煤气管道检测要素[page]

图4：检测控制系统架构图

3.2.1  控制器ADAM-5510配置说明：

1）ADAM -5017H：此模块为8通道差分隔离模拟量输入采集模块，负责对各种经变送之参数进行采集，如：温度、流量、压力共8各值；为了实现系统的冗余控制，在本系统中另外再增加一块ADAM-5017H，用于对测量值进行比较，如果偏差较大，则进行再次采样，否则取二者的平均值作为测量值。

2）ADAM-5050：此模块为16通道数字量输入/输出模块，主要负责对各种控制开关以及接触器的开闭进行检测

3）ADAM-5510：此为4槽位独立控制器，内置ROM-DOS系统平台，使用TURBOC或作为开发平台，可以灵活地实现检测与组网，并利用COM1与GSM Modem进行AT指令数据通信。

3.2.2  其他配置

1）GSM引擎模块：一些手机厂商均有GSM引擎模块GSM Modem，如，Wave COM的WMO2系列，Siemens的TC35系列，Ericsson GM47系列，以及我国中兴的ZXGM18系列。这些模块的功能、用法差别不大。中兴工业级GSM无线调制解调器模块ZXGM18适用于存在GSM数字移动通信系统的地区，该模块由较完善的AT命令来控制，可广泛应用于无线公话、远程监控、汽车导航、车辆调度、智能交通、远程监测、银行金融等领域。此模块是一个完整的GSM Modem，它拥有双频外挂式900 /1800ＭＨｚ双频功能，支持WAP、GPRS通信技术使其可以在多层面上使用。GSM模块与ADAM5510 的COM1采用标准RS－232通信方式，通信字格式为1位停止位、8位数据位、无校验位、波特率为9600bps，帧格式为：帧头＋指令＋结束标志。

2）流量变送器：采用了LUGB系列涡街流量变送器，主要是其压力损失小，在测量工况体积流量时几乎不受流体密度、压力、温度、粘度等参数的影响，0～10V模拟标准信号输出很容易与计算机系统配套使用，是一种比较先进、理想的流量仪表。

3.2.3  GSM信息

短消息业务SMS是GSM系统提供给用户的一种数字业务，也是其核心业务。每个短消息的信息量为160个ASCII字符。每条消息的传送都是通过短消息业务中心(SMSC)，它是GSM网络和其他固定或移动网络之间进行数据通信的控制单元。

ADAM5510和GSM模块之间采用AT指令实现互相之间的通信，AT指令的格式符合GSM7.07规范。ADAM5510发出的AT指令用来建立通信链路，AT指令集的指令格式帧都以AT开头，本系统应用了如下指令：

Ø设置短消息中心指令：AT+CSCA=“+8613800531500”（山东省SMS中心号码）

Ø定义短消息格式指令。AT+CMGF=ｎ(ｎ=1采用文本方式发送，ｎ=0采用PDU格式，即中文方式)。

Ø发送短消息指令。AT+CMGS=“+8613ｘｘｘｘｘｘｘｘｘ”>输入短消息。ＣＴＲＬ+Ｚ结束并发送。

Ø读短消息指令。AT+CMGR=ｘ(从ｘ存储区读取短消息)。

Ø删除短消息指令。AT+CMGD=ｘ(删除ｘ存储区的短消息)。

4、结束语

PC-Based PLC的发展得益于嵌入式CPU、嵌入式操作系统和IEC-61131-3（LD、SFC、FBD、IL、ST）标准化编程语言的发展，PC-Based PLC具有IPC和PLC的两重特性，具有PLC的系统结构，又具有IPC的开放式架构，目前在工控界是IPC、PLC以及PC-Based   PLC 共存的时代，又是三者逐渐走向融合的时代，随着嵌入式CPU、嵌入式操作系统以及符合IEC-61131-3国际标准语言开发工具的发展，PC- Based PLC或嵌入式控制器将更加开放和标准化，功能将会更加强大、数据通信能力将会更强、数据处理能力更快。更能适应更加复杂的工业控制需求

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