基于PC－Based PLC的控制系统的解决策略与实例

摘要：主要分析了PC-Based PLC在控制系统中存在的理由及其发展过程，并对基于PC-Based PLC架构的控制系统的集成方法与技巧进行了重点阐述和分析，同时列举了基于PC-Based PLC集成的分布式油料计量、统计管理系统。
关键词：PC-Based PLC控制器 集成 方法
1 PLC 、IPC、PC-Based PLC 
随着PC技术的飞速发展，使得IPC（工业控制计算机）以及基于IPC的应用技术同样也得到了突飞猛进的发展。同时，随着Internet技术的应用和所有生产信息过程和控制信息过程的集成与发展，并可通过Internet/Intranet浏览生产过程信息流中的制造过程、操作和监控现场智能设备等，IPC越来越多地承担着SCADA的人机交互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。总体而言，IPC还是最适合应用于自动化控制平台的。但作为传统主流控制器的PLC，它拥有稳定性好、可靠性高、逻辑顺序控制能力强等优点，在自动化控制领域具有不可替代的优势。但有一大遗憾：其封闭式架构、封闭式系统（研发必须具备自己或OEM的CPU、芯片组、BIOS、操作系统、梯形图编程软件）、较差的开放性势必会造成其应用上的壁垒，也增加了用户维修的难度和集成的成本。有人断言，在不久的将来，基于PC的控制器将会逐步取代PLC而成为主流控制设备。为了改善这种局面，传统PLC生产厂家正在逐步将PLC的功能PC化（如Siemens的WinAC）、而IPC厂家也逐步将IPC的逻辑控制功能PLC化，使PLC和IPC在功能和规格方面越来越接近，由此就出现了基于PLC和IPC技术的中间控制器：PC-Based PLC。
PC-Based PLC也称嵌入式控制器，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，而是一个独立的基于嵌入式PC技术的专用系统，适合应用于小型的SCADA系统。如泓格的I-8000系列, 其主机内部是40MHz主频的80188 CPU，操作系统为兼容DOS的MiniOS7，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极其相似：首先在PC上编写常驻任务程序，并将其编译好后传送到主机内的Flash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。 
总的来说，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[1 、2]。
2 基于PC-Based PLC架构系统的应用技巧
2.1 AI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：I-8000模块的CPU仅仅是一款主频只有40MHz的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的稳定性。通常而言，在一个I-8000模块中，一般不要超过两块如I-8017H系列的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最大，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模块的供电一般为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，像I-8060、I-8058、I-8063、I-8064、I-8065、I-8066、I-8068、I-8069等不要超过两块，尤其是I-8060、I-8063、I-8064、I-8065、I-8069这些功率模块最好为一块。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/输出模块如I-8042利用多级放大的原理连接。
2.3 通信处理
在由PC-Based PLC架构的控制系统最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I-8000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……，最好将其分成两组，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。
2.4 电源配置
假如一个控制系统有多块I-8000模块，考虑到系统的经济性以及安全性，最好每两块I-8000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系统的稳定性、可靠性极其重要。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极。在控制系统中难免有变频器之类的功率器件，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极上，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极。为防止形成回路，屏蔽层应单端接地。控制器的接地线与电源线、动力线分开。I-8000最好单独接地，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
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、登记极其繁琐，有时还容易出现错磅和漏磅现象，极不容易管理，并且给统计、计量工作带来了极大的困难，过磅工人的劳动强度大，经常出现车队排队过磅的现象，办事效率极其低下，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。。
3.1 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-7520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。
3.2 安全可靠措施
1） 尖峰脉冲的处理：由于在本系统中用到了大型的可控硅，其闭合与断开要产生巨大能量的尖峰脉冲，这一脉冲一旦进入信号系统中，不仅会引起控制系统的误动作，更为甚者，会烧坏控制设备、死锁控制信号输入通道。尤其是对I-8017H、I-8024、I-8042等模块影响较大，为了减少其影响，在每个控制模块的输入或输出端加入一阻容保护电路，以吸收其尖峰脉冲。同时信号地和电源地要分开。
2） 变频器过压的处理：在本系统中利用变频器拖动大惯性的牵引电机，由于变频器输出的速度比较快，而负载靠本身阻力减速比较慢，使负载拖动电动机的转速比变频器输出的频率所对应的转速还要高，电动机处于发电状态，而变频器没有能量回馈单元，因而变频器支流直流回路电压升高，超出保护值，出现过压故障。因此必须增加再生制动单元，否则会干扰SCADA系统。
3.3 系统功能
1） 数据显示：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
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。
（摘自(暂不可见)）

（吴道虎 李徭徭 王绪军）

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