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          基于PC-Based PLC的控制系統(tǒng)的解決策略與實(shí)例

          作者: 時間:2013-12-13 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏
          隨著PC技術(shù)的飛速發(fā)展,使得IPC(工業(yè)控制計(jì)算機(jī))以及基于IPC的應(yīng)用技術(shù)同樣也得到了突飛猛進(jìn)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(dān)著SCADA的人機(jī)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)。總體而言,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,它擁有穩(wěn)定性好、可靠性高、邏輯順序控制能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),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而成為主流控制設(shè)備。為了改善這種局面,傳統(tǒng)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(jī)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(dú)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(jī)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(biāo)準(zhǔn)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(jī)內(nèi)的Flash上、再讓其脫機(jī)運(yùn)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(jī)),相對于PLC而言,PC-Based PLC的優(yōu)勢在于擁有IPC強(qiáng)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(biāo)準(zhǔn)語言和軟邏輯。由于以上特點(diǎn),PC-Based PLC將會更加開放和標(biāo)準(zhǔn)化,能適應(yīng)更加復(fù)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(yán)格地說,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),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(jìn)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(yùn)行的實(shí)時性和穩(wěn)定性有較大的影響,尤其是當(dāng)AI模塊較多時其影響更大。主要原因?yàn)椋篒-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(dǎo)致其運(yùn)算、邏輯處理以及事件響應(yīng)的快速性就沒有IPC那么強(qiáng)大,由于CPU要完成一次A/D的整個過程必須要進(jìn)行采樣、保持、同步、轉(zhuǎn)換、存儲、處理以及運(yùn)算等一系列的過程方可完成,比較費(fèi)時,因此,當(dāng)要完成的AI通道數(shù)較多時,必然會影響采樣的實(shí)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(dǎo)致整個系統(tǒng)崩潰和經(jīng)常出現(xiàn)當(dāng)機(jī)、主機(jī)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(dǎo)致其輸出不正常,經(jīng)常誤動作,導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰、當(dāng)機(jī),甚至?xí)?dǎo)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)的最為重要的一個環(huán)節(jié)便是與上位機(jī)進(jìn)行的實(shí)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(shí)時性和穩(wěn)定性的因素,它容易出現(xiàn)數(shù)據(jù)瓶頸。因?yàn)樯衔粰C(jī)通常為Windows操作系統(tǒng),應(yīng)用程序一般有人機(jī)交互界面和實(shí)時顯示界面,而往往將人機(jī)交互界面和實(shí)時顯示界面設(shè)計(jì)為前臺窗口,數(shù)據(jù)通信、分析以及存儲設(shè)計(jì)為后臺運(yùn)行,但Windows 并不是作為實(shí)時操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)的,是搶先式、多任務(wù)、基于消息傳遞機(jī)制的操作系統(tǒng),但僅憑消息調(diào)度機(jī)制,顯然不能滿足實(shí)時系統(tǒng)的要求,難以保證準(zhǔn)確實(shí)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(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)通信,另一個線程進(jìn)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(qiáng)了系統(tǒng)事件響應(yīng)和通信控制的實(shí)時性。
            PC-Based PLC與上位機(jī)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,因此假如有兩個I-8000模塊,上位機(jī)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(jī)則采用兩個通信口分別與其通信,上位機(jī)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(jì)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。

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