基于PLC和M2M的智能控制器設計

(2)高級PID控制器算法的實現。PID控制器是一個在工業(yè)控制應用中常見的反饋回路部件，其核心算法由比例單元P、積分單元I和微分單元D組成[11]，通過對，和進行參數設定，來適用于基本線性和動態(tài)特性不隨時間變化的系統(tǒng)，通過配置可用于溫度、壓力、流量等參數的單回路控制方案[12]。PID控制器算法有三種，分別為增量式算法、位置式算法和微分先行[13]。

傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)如PLC中，通常會集成PID控制算法函數，供控制功能開發(fā)人員調用，對溫度、壓力、功率等模擬量參數進行調整，但不同品牌的PLC集成的PID控制算法各不相同，且作為核心算法固化在PLC控制器內部，設計人員無法選擇或更改，這就要求在控制系統(tǒng)的設計過程中針對不同類型的控制需求來選擇使用不同品牌的PLC控制器，且一旦選定后將無法更改，這給系統(tǒng)的設計、開發(fā)，后期的維護帶來很多的麻煩。

本智能控制器根據三種PID算法的不同特點，通過設定參數的方式讓系統(tǒng)設計人員在系統(tǒng)設計及后期維護過程中靈活選擇，而不影響系統(tǒng)已有的控制功能。

2.2.2嵌入式A/D、D/A轉換器應用

A/D、D/A轉換器是控制器與被控設備之間數據傳輸的紐帶，其性能指標主要通過取樣與保持、量化與編碼、分辨率、轉換誤差、轉換時間、絕對精準度、相對精準度等幾個指標來衡量，傳統(tǒng)的PLC控制系統(tǒng)中的A/D、D/A轉換器受其自身和外部條件限制，在抗干擾能力上比較差，在強電壓、高電磁干擾的信號源的采樣上容易出現“毛刺”或電源紋波，降低了信號的分辨率和精準度，使得在一些對信號精度要求高的自控設備上無法達到控制要求。

本文設計的智能控制器通過對嵌入式A/D、D/A轉換設計技術、多值A/D轉換器及數字濾波器技術的研究，在降低A/D、D/A轉換器體積和功耗的情況下，采用數字濾波算法增強A/D、D/A轉換器的抗干擾能力，提高信號轉換的分辨率和精準度。

2.2.3自適應PLC網絡通訊模塊的設計

本控制器集成的自適應PLC通訊模塊，包括與嵌入式主板匹配的標準通訊口、與各種PLC設備匹配的多種通訊口，如PCI，RJ45，RS 232，RS 485等通訊接口及各種PLC通訊協議。嵌入式主板通過標準通訊口與自適應PLC通訊模塊上的標準通訊口進行通訊，自適應PLC通訊模塊可選用各種通訊口與不同的PLC設備進行通訊。當自適應PLC通訊模塊與PLC設備進行通訊時，如果PLC設備支持RJ45，RS 232，RS 485通訊接口則優(yōu)先選用，否則，則選用PCI通訊口，通過擴展PLC通訊卡與這些PLC設備進行通訊。其中PLC通訊卡可根據與之進行通訊的PLC設備進行選擇，如與西門子系列PLC設備進行通訊時，可選用西門子品牌的通訊卡。

該自適應PLC通訊模塊具有協議自動匹配功能，可根據與之通訊的PLC設備的通訊協議，自動進行協議匹配，建立通訊連接。模塊結構圖如3所示。

圖3 PID控制器原理圖

(1)多工業(yè)現場總線自適應技術實現。目前世界上存在著大約40余種現場總線，雖然早在1984年國際電工技術委員會/國際標準協會(IEC /ISA)就開始著手制定現場總線的標準，但由于各個國家各個公司的利益之爭，所以至今統(tǒng)一的標準仍未完成。很多公司也推出其各自的現場總線技術，但彼此的開放性和互操作性還難以統(tǒng)一。這種現象的存在使得通用控制系統(tǒng)在設計和實現的過程中需要針對不同的現場總線進行設計和考量，增大了系統(tǒng)設計的難度，而且無法從根本上解決多現場總線間通訊的問題。

本文設計的智能控制器設計的自適應現場總線通訊協議技術將復雜的現場總線通訊接口，抽象成單一通訊接口，在接口上使用自適應現場總線通訊協議，根據外部通訊接口的變化自動匹配與之相對應的現場總線協議，打通多現場總線間的通訊壁壘，做到無縫切換，降低了控制系統(tǒng)的設計、開發(fā)難度。示意圖如圖4所示。

圖4 多現場總線通訊示意圖

(2)高可靠性實時通信技術應用。隨著現代控制系統(tǒng)功能的日益強大，對現場控制數據的多樣性和復雜性要求也越來越高，未來的現場控制數據將不再只是單純的信號片段，會出現對音頻、視頻，甚至是三維虛擬現實的數據傳遞，而傳統(tǒng)的現場總線通信技術更多的是應用于小數據量的傳遞，對這種大數據的信號處理往往力不從心，存在帶寬不足，或投資成本過高的情況。

本文設計的智能控制器在實現數據實時通訊協議時充分考慮到了未來的發(fā)展，將數據按類型進行分類，針對不同的分類采取不同的傳輸策略;采用基于帶寬預留方式的調度機制，采用EDF實時調度算法，在大數據量傳輸的過程中保證帶寬的合理使用;采用基于時間片的分時調度方式，提高實時數據的傳輸效率，保證數據傳輸的實時性和可靠性。

(3)控制功能通訊安全技術應用。本文設計的智能控制器研究了高可靠性的加密算法對數據加密，保障數據內容安全性;建立證書認證體系，保障數據傳輸過程中數據發(fā)起端和數據接收端的可信性;加入密鑰管理與協商機制，增強整個數據傳輸體系的可靠性;根據通訊類型的不同采用不同等級的安全認證策略，在控制器與控制器間，采用輕量級加密算法和證書認證流程，加入密鑰管理與協商機制，在不影響數據傳輸速度的情況下，提高數據安全;在控制器與服務器間，采用深度加密算法和嚴格的證書認證流程，同時增強密鑰管理機制與協商機制，保障數據安全。

3結語

本文針對大型工程類裝備存在的異構網絡PLC之間無法互聯，無法實現制造物聯中M2M互聯模式的問題，自主研發(fā)設計了一種智能控制器對設備進行智能調節(jié)和控制，并可與不同通訊協議的PLC設備進行通訊，可接入互聯網、局域網實現產品功能的在線服務，性能上完全可以取代市場上的傳統(tǒng)PLC，同時降低了成本，打破了國外企業(yè)對PLC行業(yè)的長期壟斷。