劉興松 楊執(zhí)中 邊黨偉 秦幸妮 李紅麗

(西北機電工程研究所，陜西 咸陽 712099)

科學技術(shù)的發(fā)展對電氣控制系統(tǒng)的控制精度、可靠性和快速性提出了更高的要求。而可編程控制器(Programmable Logic Controller，PLC)因具有可靠性高、體積小、功耗低及抗干擾能力強等優(yōu)點，在電氣控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應用[1]。

近年來，由于傳統(tǒng)硬件PLC無通信接口，調(diào)試不方便，以傳統(tǒng)硬件PLC為核心設計的電氣控制器將增加外圍電路的復雜性、結(jié)構(gòu)膨大、控制方式復雜。隨著開放式控制系統(tǒng)的發(fā)展需求，傳統(tǒng)的硬件PLC表現(xiàn)出兼容性差、抗干擾能力差、不易更改、擴展能力差、可維護性差及成本較高等缺點，這些問題成為制約其發(fā)展的主要因素。因此，軟PLC作為一項新興技術(shù)，它不僅具有傳統(tǒng)PLC所具有的開關(guān)量控制、模擬量控制、數(shù)學運算及數(shù)值處理等功能，而且還朝網(wǎng)絡化、智能化方向發(fā)展，遠超出了傳統(tǒng)PLC涵蓋的范圍[2]。計算機技術(shù)的快速發(fā)展及工業(yè)自動化領域的IEC61131國際標準的推出和實施，極大地促進了軟PLC技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展。

因此，選用具有高可靠性、抗干擾能力強、易在線更改、易調(diào)試操作、易維護，具有通信接口的新型軟PLC為核心設計電氣控制器將成為發(fā)展趨勢。筆者介紹了以軟PLC為核心的電氣控制器的構(gòu)成、軟硬件設計、特點和應用。

1 電氣控制器的硬件部分①

1.1 主控器的選擇

SPN-MH18型PLC是針對電氣控制系統(tǒng)設計的緊湊的、多功能的新型軟PLC，具有可靠性高、抗干擾能力強、易操作及編程方式靈活等特點，符合IEC61131-3標準的要求[3]。筆者選擇該軟PLC作為電氣控制器核心控制器件，可以采用梯形圖語言、圖形語言和ST文本高級語言3種PLC編程語言編程，在一個項目里可以根據(jù)實際需要采用不同的語言編寫程序，且不影響整個程序的編譯和執(zhí)行。

該軟PLC能夠滿足電氣系統(tǒng)的環(huán)境適應性要求：工作溫度為-50～80℃；防護等級為IP67，可以耐受嚴寒、高溫、振動、濕氣及沖擊等惡劣環(huán)境，模塊安裝方便而不需要另外的保護措施。開關(guān)網(wǎng)絡以硬件方式實現(xiàn)I/O端口的靈活配置，利用編輯環(huán)境可以模擬系統(tǒng)實現(xiàn)，同時可以實現(xiàn)在線實時動態(tài)調(diào)試。因此，該軟PLC非常滿足各種惡劣環(huán)境下電氣控制系統(tǒng)的控制器的要求。且該軟PLC具有豐富的片上資源，內(nèi)含128KByte的數(shù)據(jù)存儲空間和256KByte的程序存儲空間，為實現(xiàn)復雜的控制算法提供了保障；具有豐富的I/O資源，可滿足系統(tǒng)對外圍信號的采集，具有符合CAN2.0規(guī)范的總線接口可以實現(xiàn)同其他單體之間的信息傳遞，幾乎不需要系統(tǒng)擴展即可滿足控制系統(tǒng)對硬件資源的需求。因而，采用該軟PLC為控制核心設計的控制器，不僅可減少元器件的種類和數(shù)量，簡化設計，而且可提高系統(tǒng)的可靠性。

1.2 電氣控制器組成

電氣控制器主要由軟PLC和信號轉(zhuǎn)換電路組成。電氣控制器硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電氣控制器結(jié)構(gòu)

軟PLC的主要功能是通過輸入輸出模塊接收信號轉(zhuǎn)換電路的輸入信號，以滿足軟PLC的控制運算要求；同時輸出控制信號至信號轉(zhuǎn)換電路，以驅(qū)動各種負載。同時利用CAN通信模塊與上位機進行通信，實現(xiàn)信息的傳遞。

信號轉(zhuǎn)換電路主要負責接收各種負載信號，把采集到的信號轉(zhuǎn)換信號類型，送給軟PLC，以滿足軟PLC的功能需求。信號轉(zhuǎn)換電路的基本原理如圖2所示。

圖2 信號轉(zhuǎn)換電路基本原理

2 電氣控制器的軟件系統(tǒng)

電氣控制器的軟件開發(fā)平臺為CoDeSys。該開發(fā)平臺符合IEC61131-3標準，具有穩(wěn)定的特性和豐富完善的底層函數(shù)庫。該軟PLC擁有CoDeSys編程接口，實時操作系統(tǒng)(RTS)和底層引導程序(BootLoader)固化在處理器內(nèi)部閃存中，CoDeSys應用層固化在外部閃存中，PLC運行時應用程序啟動部分被安裝在外部閃存中，應用程序可以通過CoDeSys或者MOBA CAN2Flash專用工具下裝到控制器中，RTS定時調(diào)用應用程序。軟PLC在工作時按照如圖3所示的順序執(zhí)行。

圖3 軟PLC的執(zhí)行順序

2.1 PLC軟件功能的實現(xiàn)

電氣控制器軟件采用模塊化設計，主要功能是完成系統(tǒng)初始化，通過中斷方式接收系統(tǒng)外部信號，采集控制信息進行運算并輸出控制量。初始化部分完成對硬件的基本配置，包括I/O口的配置、CAN通信模塊的初始化(包括內(nèi)存地址的分配、CAN總線端口的初始化以及波特率設置和濾波方式參數(shù)的設置)以及PLC程序循環(huán)時間的設置等。

電氣控制器的控制程序采用軟PLC中常用的梯形圖語言、指令語言和結(jié)構(gòu)文本語言相結(jié)合的方式。軟PLC軟件對系統(tǒng)狀態(tài)連續(xù)巡查，對來自外部的信號進行檢測，保證系統(tǒng)始終在控制范圍內(nèi)，發(fā)現(xiàn)故障時系統(tǒng)自動報警。在系統(tǒng)工作時，將系統(tǒng)反饋信號與給定信號比較，對差值進行綜合處理，處理后的值作為輸出值送入下一環(huán)節(jié)，用于對負載的控制[2]?？刂葡到y(tǒng)的軟件流程如圖4所示。

圖4 軟件流程

2.2 CAN通信

電氣控制系統(tǒng)以控制器為節(jié)點，利用控制器的CAN通信模塊，通過CAN總線定時向上位機傳送控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)信息，同時接收上位機傳送給控制系統(tǒng)的指令信息，采用標準CAN2.0通信方式。在發(fā)送條件成立時，控制器周期性地通過CAN_IITX功能塊發(fā)送數(shù)據(jù)信息，數(shù)據(jù)信息中包含數(shù)據(jù)幀ID號、幀格式、數(shù)據(jù)長度及數(shù)據(jù)等信息。當控制器需要接收數(shù)據(jù)時根據(jù)數(shù)據(jù)幀的ID號決定是否為所需信息，若是則通過CAN_II_BUFF_INIT功能塊把數(shù)據(jù)接收到緩存中，與內(nèi)存中的數(shù)據(jù)比較，若數(shù)據(jù)有變化，則通過CAN_II_GET_MSG功能模塊取所需的數(shù)據(jù)信息，對系統(tǒng)進行相應的控制。

利用控制器集成CAN通信模塊中的功能模塊函數(shù)進行通信的方式簡單明了，方便開發(fā)人員開發(fā)調(diào)試。

3 工程應用

以軟PLC為核心的控制器具備通信功能、信息存儲功能，采用多種編程方式，程序簡潔；PLC控制器的內(nèi)部硬件電路與外部接口信號完全隔離，軟件可以設置不同的參數(shù)對各種信號進行抗干擾平滑處理，增強了整個控制系統(tǒng)的抗干擾能力。

該電氣控制器的程序執(zhí)行周期為10ms，集成的CAN通信模塊作為通信工具，實時向上位機提供系統(tǒng)狀態(tài)。按筆者提出的方法設計的電氣控制器目前已經(jīng)成功應用于某電氣控制系統(tǒng)中。

4 結(jié)束語

目前，隨著PLC的擴展能力和通信能力的發(fā)展，將以高度集成化為一體的軟PLC為發(fā)展前景，且以軟PLC為核心的控制器將逐步發(fā)展成為一類解決自動化問題的有效而便捷的方式。

筆者采用基于IEC61131-3標準的SPN-MH18 型軟PLC為核心的電氣控制器，簡化了外圍接口設計，降低了成本，提高了工作可靠性；而且其集成化編程開發(fā)環(huán)境遵循IEC標準，方便用戶的編程和開發(fā)，有利于用戶程序在不同的PLC的移植和轉(zhuǎn)換。