西门子中国授权代理商|DP电缆总代理商

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  随着PLC在工业控制中的推广普及，PLC产品的种类越来越多，其结构型号、性能、容量、指令系统、编程方法等各不相同，适用场合也各有侧重。因此，合理选择 PLC，对于提高PLC在控制系统中的应用有着重要作用。
     一、机型的选择
     我国市场行的有如下几家PLC产品：
     1．施耐德公司，包括早期天津仪表厂引进公司的产品，目前有Quantum、Premium、Momentum等产品；
     2．罗克韦尔公司（包括AB公司）PLC产品，目前有SLC、Micro Logix、Control Logix等产品；
     3．西门子公司的产品，目前有SIMATIC S7-400/300/200系列产品；
     4．GE公司的产品；
     5．日本欧姆龙、三菱、富士、松下等公司产品，其中使用较多的是三菱公司F1、F2、FX2等系列产品。                      
     PLC机型选择的基本原则是：在功能满足要求的前提下，选择、维护使用方便以及性能价格比优的机型。通常做法是，在工艺过程比较固定、环境条件较好的场合，建议选用整体式结构的PLC；其他情况则选用模块式结构的 PLC；对于开关量控制以及以开关量控制为主、带少量模拟量控制的工程项目中，一般其控制速度无须考虑，因此，选用带 A/D转换、D/A转换、加减运算、数据传送功能的低档机就能满足要求；而在控制比较复杂，控制功能要求比较高的工程项目中（如要实现PID运算、闭环控制、通信联网等），可视控制规模及复杂程度来选用中档或机（其中机主要用于大规模过程控制、全PLC的分布式控制系统以及整个工厂的自动化等）。根据不同的应用对象，表1列出了PLC的几种功能选择。
 表1 PLC的功能及应用场合
 

  应该注意的是，同一企业应尽量做到机型统一。这样，同一机型的PLC模块可互为备用，便于备品备件的采购和管理；同时，其统一的功能及编程方法也有利于技术力量的培训、技术水平的提高和功能的开发；此外，由于其外部设备通用，资源可以共享，因此，配以上位计算机后即可把控制各立系统的多台PLC联成一个DCS系统，这样便于相互通信，集中管理。
     二、I/O的选择
     PLC在20世纪90年代已经形成微、小、中、大、巨型多种PLC。按I/O点数分，可分为微型PLC（32I/O）、小型PLC（256I/O）、中型PLC（1024I/O）、大型PLC（4.69I/O）、巨型PLC（8195I/O）五种。
     PLC与工业生产过程的联系是通过I/O接口模块来实现的。PLC有许多I/O接口模块，包括开关量输入模块、开关量输出模块、模拟量输入模块、模拟量输出模块以及其他一些特殊模块，使用时应根据它们的特点进行选择。
     （一）确定I/O点数
     根据控制系统的要求确定所需要的I/O点数时，应再增加 10%～20%的备用量，以便随时增加控制功能。对于一个控制对象，由于采用的控制方法不同或编程水平不同，I/O点数也应有所不同。表2列出了典型传动设备及常用电气元件所需的开关量的I/O点数。
 表2 典型传动设备及常用电气元件所需的开关量的I/O点数
 

   （二）开关量I/O
     开关量I/O接口可从传感器和开关（如按钮、限位开关等）及控制设备（如指示灯、报警器、电动机起动器等）接收信号。典型的交流输入/输出信号为24～240V，直流输入/输出信号为5～240V。尽管输入电路因制造厂家不同而不同，但有些特性是相同的，如用于错误信号的抖动电路等。此外，大多数输入电路在高压电源输入和接口电路的控制逻辑部分之间都设有可选的隔离电路。在评估离散输出时，应考虑熔丝、瞬时浪涌保护和电源与逻辑电路间的隔离电路。熔丝电路也许在开始时花费较多，但可能比在外部安装熔丝耗资要少。
     （三）模拟量I/O
     模拟量输入/输出接口一般用来感知传感器产生的信号。这些接口可用于测量流量、温度和压力，并可用于控制电压或电流输出设备。这些接口的典型量程为-10～+10V、0～+11V、4～20mA或10～50mA。一些制造厂家在PLC上设计有特殊模拟接口，因而可接收低电平信号，如RTD、热电偶等。一般来说，这类接口模块可用于接收同一模块上不同类型的热电偶或RTD混号。
     （四）特殊功能I/O
     在选择一台PLC时，用户可能会面临一些特殊类型且不能用标准I/O实现的I/O限定（如定位、快速输入、频率等）。此时用户应当考虑供销厂商是否提供有特殊的有助于大限度减小控制作用的模块。有些特殊接口模块自身能处理一部分现场数据，从而使CPU从繁重的任务处理中解脱出来。
     （五）智能式I/O
     当前，PLC的生产厂家相继推出了一些智能式的I/O模块。一般智能式I/O模块本身带有处理器，可对输入或输出信号作预先规定的处理，并将处理结果送入CPU或直接输出，这样可提高PLC的处理速度并节省存储器的容量。
     综上，表3归纳了选择I/O模块的一般规则。    
 表3 选择PLC的I/O接口模块的一般规则
 

  三、存储器类型及容量选择
     PLC系统所用的存储器基本上由PROM、EPROM及RAM三种类型组成，存储容量则随机器的大小变化，一般小型机的大存储能力6kB，中型机的大存储能力可达64kB，大型机的大存储能力可上兆字节。使用时可以根据程序及数据的存储需要来选用合适的机型，必要时也可专门进行存储器的扩充设计。
      PLC的存储器容量选择和计算的种方法是：根据编程使用的节点数计算存储器的实际使用容量。二种为估算法，用户可根据控制规模和应用目的，按照表4的公式来估算。为了使用方便，一般应留有25%～30%的裕量，存储容量的方法是生成程序，即用了多少字。知道每条指令所用的字数，用户便可确定准确的存储容量。表4同时给出了存储器容量的估算方法。
 表4 控制目的估算存储器容量的方法
 

    四、编程器和外部设备的选择
     在系统的实现过程中，PLC的编程问题是非常重要的。用户应当对所选择PLC产品的软件功能及编程器有所了解。通常情况下，小型控制系统一般选用价格的简易编程器，如果系统较大或多台PLC共用，可以选用功能强、编程方便的图形编程器。如果有个人计算机，可以选用能在个人计算机上运行的编程软件包。同时，为了防止因干扰、锂电池电压下降等原因破坏RAM中的用户程序，可以选用EEP-ROM模块作为外部设备。
     五、实例
     （一）利用三菱PLC实现对印刷机的控制
     印刷机的一套电气设计属于系统设计，为了使产品性能稳定，易于维护，采用以PLC为主控器的控制方案。印刷机要求易于操作，精度高，输入、输出点较多，因此采用双机通讯。上位机采用三菱的FX2N-80MR、FX2N-80MR自带I/O接口，可以接40点输入，40点输出，主要负责主传动的控制，各机组离合器的控制，以及气泵，气阀的控制等。下位机采用三菱FX2N-64MR、FX2N-64MR可以接32点输入，32点输出，主要负责水辊电机的控制，主传动的调速输出，调版电机数据采集等。上位机与下位机采用RS485, 通讯，通讯方便，。同时选用了一台三菱5.7寸触摸屏，主要负责水辊电机速度显示，调版显示，以及整机故障显示等。本系统运行，维护方便，操作简便直观，大大提高了胶印机的档次。
     （二）欧姆龙（OMRON）PLC在石油加工工业中的应用
     在石油加工工业中，大型旋转机组是装置设备的重要组成部分，重油催化裂化气压机组的联锁-自保系统从满足工艺生产需求出发，考虑到性、性、经济性、可扩展性等因素，采用了OMRON公司生产的CPM2AH型PLC进行系统构建，CPM2AH自带I/O接口，可以接36点输入，24点输出，输出形式是继电器，并且通过RS232C串口与PC机通讯，使生产过程表现稳定，动作，在事故状态下对机组及生产装置实行了自我保护，杜绝了恶性事故的扩大和蔓延，了显著的效果。
     六、结束语
     随着科技的不断进步，PLC的种类日益繁多，功能也逐渐增强。文章中尽管归纳了一些选用PLC的方法，但在实际工作中还一定要依据实际情况做出适当的调整，以便设计出满足期望的工业控制系统。

 气流纺织为传统成熟的纱线纺织技术.随着纺织行业对纱线的品质要求的提高,对绵纱的丝纺控制愈加细微,于是如纱线的接头长度﹑支数﹑张力等成为纱纺的关键指针.

针对以上要求,国内纺织制造业正以性能﹑稳定的PLC逐步取代国外流行以单片机为控制的纺纱系统,另外随着人机接口-触摸屏﹑变频器的应用推广,一些前的企业及时地将人机接口﹑变频整合在该行业电气控制系统中,为精彩的控制增添新的亮点.如该的先头代表企业之一浙江省***机械公司开发的型号***气流纺织机,就全部采用了闽台DELTA公司(中达电通股份有限公司)的PLC,矢量型变频器(VFD-B),节能风机﹑水泵型变频器(VFD-P) ﹑触摸屏(PWS-3760)等主要电控产品,该系统采用单台人机接口-触摸屏通过RS-485总线,实时对PLC进行监控﹑参数调整﹑断纱自动报警等多项功能.本系统的PLC通过调整160多个电磁铁开合时间来实现纱线接头长度及纱线支数的调整,由于受电磁线圈消磁特性及纱线粘度﹑引纱电机的速度等综合影响,电磁铁的开合时间亦通常有0.02-0.06秒的卫小调整来满足生产的需要.所以该系统单台人机接口的点睛运用,在有效控制成本的基础上,大地提高了生产效率及生产工义指针. 该系统PLC的I/O共计996点,面对如此庞大的系统设计及其成本的压力,设计者却一反传统的大而大做,巧妙地利用DELTA公司PLC(自带485口)及人机接口共同支持MODBUS协议的特点,根据纺纱工义的要求,将996点分为10台PLC主机的小系统,仅用双绞线将传统的10台PLC与人机接口连为统一的"大系统",真正做到了大系统小设计. 

在一个负载不断变化的引纱﹑喂给主轴上,实现纱线的支数稳定地控制,无疑都会采用速度死循环控制来实现,但在一定的物质成本限制下而达到的控制,将是今天乃至明天甚至将来工业控制的境界.而该系统全部采用DELTA公司的B型矢量变频器,该型变频器在有效控制励磁电流﹑转矩电流的基础上,利用PG速度反馈卡,轻松简单地实现纱线支数的稳定控制.另外,整条生产线的不间断的气流控制上也选用了DELTA公司P系列风机﹑水泵型变频器,而根据风机阻力与转速平方成正比特性开发的P型变频器,结合现场断纱的非同时性﹑非连续性,进行有级控制进风流量,使该套设备在用户使用不足一年中即可回收所有变频器的成本.

引人注目的是,例利用人机接口-触摸屏COM2 (DELTA公司的人机接口INTERFACE为2S/1P)口与三台变频器直接通讯,摆脱了"变频器 PLC 触摸屏"的传统模式.该系统精心大胆的设计,主要利用了DELTA公司人机接口的宏功能(综合数据处理﹑逻辑运算﹑通讯等功能),用软件开放出一自由协议口,使不同协议的智能单元能够在一个控制平台上实现相对统一和整合,同时减轻了同一总线上的通讯负荷和风险.在实际应用中,该系统的引纱﹑喂给电机的频率及相互匹配系数,可直接通过触摸面板快捷地调整和电流的实时监控,并且使线上所有10多台PLC程序严格的一致,增加了PLC应急互换性,实现了多层控制单一化,复杂简单化.

纵观整个控制系统,简洁﹑准确﹑节能﹑人性化的设计风格无不透着现代设计者的匠心具.同时也折射出新世纪传统控制产业的方向和主流.

1、前言
    可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用了可编程序的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术操作等面向用户的指令，并通过数字式或模拟式输入输出控制各种类型的机械的生产过程。可编程控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系统联成一个整体、易于扩充其功能的原则设计。早期的PLC以数字量的顺序控制为主，提供了简单的慢速的通信功能（只支持RS232、RS485、多采用Modbus协议），现在的PLC不仅具有逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术操作，而且还具有A / D、D / A转换，数值计算和数据处理等功能。它既可以对开关量进行控制，也可以对模拟量进行控制，随着PLC功能不断扩充，它还有通讯联网功能，举例C200HX / HG / HE的OMRON PLC的CPU内的RS - 232C端口和外设端口支持通信功能就有与编程设备（如编程器，LSS，或SSS （中文版））进行通信、与个人计算机和其它外设进行上位机链接通信、与个人计算机和其它外设进行RS - 232C、与其它PC进行1:1、再有是与装有NT链接接口的可编程终端（PT）进行NT链接通信（1:1、1:N），本课题就是基于OMRON PLC的链接通信（有通信协议），用VC++开发的上位机与PLC间的通信。

2、OMRON PLC的通信协议
   目前，随着PLC的快速发展，越来越多的PLC生产厂商开发了它与计算机的通信功能（主要是利用计算机串口进行通信），本文是以C200HE PLC为例，作详细阐述，本文的通信协议采用的是上位机链接通信。上位机链接通信通过在上位机与PLC之间交换命令和应答实现的。在一次交换中传输的命令和应答数据称为一帧，一个帧多可包含131个数据字符。
命令帧格式
从上位机发送一个命令时，按下示的格式排列命令数据 

   @符号置于每个命令的开头，节点号是用来辨识每一台PLC的节点，在本文中，它设置PLC的DM6558单元中，识别码设置两字符的命令代码，设置通信是读写PLC的哪个寄存器单元，例读写IR / SR区时它的识别码设置分别为RR和WR，读写DM区分别为RD和WD。正文设置命令参数，包括所要读写PLC寄存器单元的起始地址和字数。FCS是设置两字符的帧检查顺序码，是一个转换成2个ASCII字符的8位数据，这8位数据为从帧开始到正文结束（即FCS之前）所有数据执行“异或”操作的结果。终止符设置“*”和回车（CHR $（13））两字符，表示命令结束。命令帧可以有多131个字符长。一个等于或大于132字符的命令分成若干帧。命令分段，使用回车定界符（CHR $（13））。
应答帧格式

    识别码和正文取决于接收到的上位机联结命令，结束码表示命令完成的状态（即是否有错误发生），当应答过132字符，它分成若干帧。结束码是应答帧中表示PLC应答的信息。例结束代码为00表示正常结束，13表示FCS错误，14表示格式错误，15表示入口码数据错误，18表示帧长度错误，A3表示传输数据时因FCS错误引起终止，A8表示传输数据时因帧长度错误引起终止。
    本文的上位机命令帧包括读写PLC单元中的数据的命令。读命令帧为：@01RR0100000141* + CHR $（13），意思是上位机读取节点为1的PLC中的IR0100单元中的内容。写命令帧为：@01WR0100000171* + CHR $（13），意思是写一个数到节点为1的PLC的IR0100单元中。



3、系统结构图
下图是计算机与PLC通信的组成系统图

上位计算机与多个PLC进行通信，连接一个RS232 / 422电平转换器，RS422采用平衡发送接收方式，它具有传输距离长、抗干扰能力强和多点通信能力，多可以接32台PLC，如图1所示，每一台PLC都挂一个COM06单元进行RS422方式连接，所有的PLC与计算机间的通讯采用的是PLC上位机链接通信协议。
3.1 硬件设置
    RS232 / 422转换器的设置开关拨到422方式，OMRON PLC上的COM06通信板单元同样设置为422方式和四线制。
3.2 参数设置
    上下位机的通信波特率设置为9600，数据格式设置为E，7，2。
3.3 节点设置
    在PLC的DC6558单元中设置节点号00（初始值）~ 31（号机）。

4、用Visual C++6.0编写串行通信程序
    本文的上位机链接通信程序是用Visual C++6.0编写的，主要是利用VC++中的一个通信控件来实现的。
    利用MFC AppWizard ( exe ) 建立一个基于对话框，支持Activex控件，命名为Transcomn的应用程序。然后在对话框中加入一些控件，其中那个电话形状的控件是在系统中注册过的Microsoft Communications Control，由它进行通讯时得设置它的一些属性如表1。

如今工业控制产品已发展到一个追求个性化、差异化的阶段。传统的PLC产品已经无法满足加细分化的市场需求，为了满足这种需求，出现了嵌入式PLC产品。

    一、嵌入式PLC

    嵌入式PLC是将PLC系统软件构建于控制器内，根据用户控制需要定制硬件，以PLC的应用方式解决对象控制问题的PLC。它由两部分组成：嵌入式PLC系统软件和芯片组

    1、嵌入式PLC系统软件

    嵌入式PLC系统软件将PLC语言(梯形图语言)、CAN总线嵌入到单片机中,使单片机的产品开发从使用汇编语言变为使用PLC梯形图语言,并具有CAN总线的互连特性。

    该系统软件具有以下特点：1.以梯形图语言为内核,添加了中断管理系统,能实现PLC无法实现的硬实时操作；2.强化运算能力,增加了CANBUS函数库、浮点数库、自整定PID、嵌入式WEB等,丰富了PLC的功能；3.提供开放式扩展结构,支持三方开发扩展单元的接线；4.增加了网络互连功能,在远程端加载浏览器后,即可实现远程监控。

    系统软件包括三个部分。
   
    ① 嵌入式PLC内核：它完成实时任务调度、梯形图语言解释、执行、通讯等基本功能，并提供二次开发驱动接口；
    ② 二次开发驱动程序　通过系统软件提供的外挂，使用内核开发各种面向具体对象个性化、差异化的驱动程序；
    ③ 终端应用程序　指面向工艺流程控制的梯形图语言程序

    2、嵌入式PLC芯片组

    EASY CORE 1.00 是一个加载了嵌入式PLC系统软件的芯片组，作为一款加载了系统软件的硬件平台，可以用来设计通用和PLC。

    1）芯片组基本性能：

    ① 供电：+5V 200mA，RAM掉电保护5年。
    ② CPU： C8051F040。
    ③ 嵌入扩展能力

    ·32 IO：可复用成SPI、I2C接口及外中断、外计数、AD等。
    ·4 AD： 12位精度，100 KPS。
    ·2 DA： 12位精度，100 KPS。

    ④ 通信接口

    ·CANBUS：系统软件管理，使用工具软件CANSet构建CANBUS总线网络。
    ·UART0：系统软件管理，用于梯形图编程、监控，支持人机界面及用户驱动程序下载。
    ·UART1：系统软件管理，用于下载CANBUS网络参数、构建RS485网络及支持三方设备互连。

嵌入式PLC是基于Cygnal公司的C8051f040芯片开发的，所以二次程序的开发使用51汇编语言。开发选择的编译器是KEIL C51，因为它可以生成我们所需要的.HEX文件。

    内核留出了七个用户嵌入程序接口，我们只需要充分理解各个接口的功能就可了进行二次开发了，需要熟悉如下内容：a、内核功能b、内核结构c、内核任务管理d、内核存储空间分配。由于系统软件中已经加入了232通信、485通信和CAN通信的功能，所以16路模拟量PLC的二次驱动软件的开发主要集中在模拟量的AD转换和PLC资源区中AD值的实时刷新上。

    （1）程序规划

    T4中断：完成AD转换和16个通道的切换程序

    USER_SCAN：PLC资源区中AD值的刷新。

    AD转换过程如下：每一通道连续采样16次，采样完后得到累加和，然后启动下一通道的AD转换。

    PLC资源区中AD值的刷新过程如下：在梯形图扫描周期结束时进行，把各路AD值的累加和求平均值后放入PLC的资源区的对应位置处。

    （2）程序代码

    INIT_AD ;AD初始化
    MOV  SFRPAGE,  #ADC0_PAGE
    MOV  REF0CN,  #07H ;内部参考电压输出到VERF;启动内部温度传感器
    MOV  AMX0CF,  #00H ;单性输入
    MOV  ADC0CF,  #0B8H ;D7--D3=SYSCLK/采样时钟-1
         ;采样转换时钟=1US
         ;D2--D0=GAIN
         ;000 GAIN=1
    MOV  ADC0CN,  #90H ;启动AD采样
    MOV  AD_CHANNEL, #00H ;AD通道号，初值为0
    MOV  AD_COUNT,  #00H ;16次采样次数计数。初值为0
    RET
    SAMPLE_AD         ;AD采样开始
    MOV  SFRPAGE, #ADC0_PAGE ;AD控制寄存器页    
    MOV  A,  AD_CHANNEL  ;采样值的累加和是一个字基地址为#XAI,偏移地址为AD_CHANNEL
    RL  A
    MOV  DPTR,  #XAI  ;XAI存放16次采样值的累加和
    ADD  A,   DPL   ;低字节相加
    MOV  DPL,  A
    MOVX A,   @DPTR
    MOV  B,   A
    MOV  A,   ADC0L
    CLR  C
    ADDC A,   B
    MOVX @DPTR,  A
    INC  DPTR     ;高字节相加
    MOVX A,   @DPTR
    MOV  B,   A
    MOV  A,   ADC0H
    ANL  A,   #0FH
    ADDC A,   B
    MOVX @DPTR,  A   ;#XAI中存放格式为低字节、高字节
    MOV  SFRPAGE, #ADC0_PAGE ;AD控制寄存器页
    MOV  ADC0CN, #090H  ;启动下次AD采样
  
    INC  AD_COUNT
    MOV  A,   AD_COUNT
    CLR  C
    SUBB A,   #16 
    JNC  FILL_XAI_XAD   ;当16次采样完成后,把XAI中16个采样和（2字节）存放到XAD RET

    3、驱动程序的嵌入

    在KEIL C51中编译上述程序。使用下载工具软件“DOWNHEX”，把生成的.HEX文件通过串口下载到芯片组的固定地址处，使得内核可以调用它，从而完成二次驱动程序的开发。到此，16路模拟量PLC的开发工作基本完成。

    三、功能介绍

    基于嵌入式PLC开发的多路模拟量网络节点具有以下功能：

    1. 采集工业现场的多路热电偶信号；
    2. 支持三菱、台达等多家人机界面；
    3. 支持梯形图编程（86条指令）；
    4. 支持CANbus互连（多机并联运行或扩展单元连接）等。

    这里简要介绍下该网络节点的梯形图功能应用。嵌入式PLC的系统软件中内置了温度转换函数，其功能是把热电偶毫伏信号对应的AD值转化成温度值。适用于任意分度热电偶输入信号，应用于不同的控温场合，配合PID调节，使受控温度精度可达±1℃。

    下面的梯形图程序就是把一路热电偶信号转换成温度值，该信号AD值放在D5000，转换后的温度值存放在D5160中。

目前，实现对机动车排放污染进行有效控制已成为我国环境保护一项刻不容缓的任务，需要在生产中对汽车尾气污染物进行检测。本文就一种符合EU-2标准，基于嵌入式bbbbbbs CE操作系统和组态王6.0组态软件的集工况模拟、样气采集、样气分析于一体的汽车尾气污染物智能检测系统进行介绍。

    一、系统综述

    整个系统由控制单元、底盘测功机、尾气取样单元、分析仪器单元以及相关辅助设备组成。底盘测功机模拟汽车的工况，然后尾气取样系统对样气进行的定量采集，后由分析仪器单元对样气中的污染物浓度加以定量检测，控制单元实现对整个系统的自动控制。其中控制单元采用嵌入式系统作为控制单元，系统操作站为运行bbbbbbs CE嵌入式操作系统和组态王6.0嵌入版组态软件的工控机，负责发布命令给作为现场控制及命令执行元件的PLC。同时工控机与远程上位PC之间采用TCP／IP协议进行通讯。

    精简的bbbbbbs CE嵌入式操作系统使运行于该操作系统上的嵌入版组态王6.0组态软件的执行效率很高，可以满足设备现场运行的需要。

    1. 工作原理

  系统总体示意图如图1所示。打开引擎的汽车在底盘测功机上模拟各种行驶工况，其尾放的污染物在鼓风机作用下经环境空气滤清器后进入尾气取样系统采样器，进行定容稀释取样（CVS）。分析仪器分别从背景气袋中、稀释排气气袋取样气进行分析，测量得出污染物的体积浓度。汽车尾气中污染物的排放值由以下公式进行计算：

    mi=1/S*V*di*ci/106 （i for HC、NOx、CO）

    式中：mi一排出的污染物的质量；S一行使距离；V一温度为273K，大气压力为101.33KPa的基准条件下稀释排气总容积，单位：m3；di—各种污染物在温度273K，大气压力101.33 KPa时的密度；dCO=1.25kg／m3；dHC=0.619kg／m3；dNO2=2.05kg／m3（排气中NOx的浓度用NO2当量表示）；ci —稀释排气中污染物的容积浓度，10-6。
   
    2. 控制系统的工作过程

    工控机通过CVS系统和分析单元的传感器测量数据，通过数据采集模块转换为符合RS-485规范的数字信号，传送给触摸屏，触摸屏将测量数据通过TCP／IP协议传送给PC机（上位机），完成数据处理工作。同时，触摸屏根据采集信号的数值判断目前的工作状态，将控制指令发送给分析单元和CVS系统的PLC。分析单元的PLC主要完成对分析仪器进行一系列气路切换、量程转换的操作，CVS系统PLC主要对CVS进行流程控制，实现自动清洗、采样等一系列功能。控制指令经PLC处理后，转换为直接的继电器开闭信号，实现打开和关闭CVS系统电磁阀、取样泵的任务。另外，配电箱还为风机提供了380V动力电的开关，可手动控制风机的启动与停止。控制系统结构框图如图2所示。

二、系统硬件组成

    为了确保系统的准确性和性，本文选用了工控领域中稳定的bbbbbbs CE嵌入式操作系统作为工控机的控制。数据采集模块、PLC、继电器等元件性能稳定，采集和控制精度高，响应速度快。

    1. 工控机

    作为操作站的工控机基于嵌入式操作系统bbbbbbs CE和嵌入式组态软件组态王6.0（128点）开发的客户端应用程序。bbbbbbs CE嵌入式系统的优越性在于其设备管理简单，支持不同类别的设备，支持即插即用的管理模式和设备节能控制；处理系统的输入输出具有实时响应能力。

    组态王嵌入版6.0提供了基于嵌入式操作系统的开发平台，由于组态王嵌入版6．0的稳定性较高，占用系统资源较小，组态软件本身提供大量通用设备的驱动程序，开发，故选用组态王嵌入版6.0作为开发工具。

    硬件选用的是ADVANTECH-研华TPC064触摸屏（嵌入式一体化工控机），其主要系统参数如下：

    液晶显示器尺寸：5.7"TFT；CPU主频：ARM9266MHz；内存：64M；CF卡：64M。
   
    触摸屏对外接口主要有四个RS232接口、两个RS485接口、一个USB接口，1个10／100M网络接口。
   
    采用工控机的方式，可多串口输入，处理速度快、，而且触摸屏有良好的人机对话界面，操作简便、直观，满足了检测设备实时操作和实时显示的功能。

  2. PLC
   
    本文选用SIMATIC S7-200系列PLC，主模块与工控机通过RS-232串口通讯，用step7-Microwin实现软件编程。PLC作为一种专门用于工业生产过程控制的现场设备，具有性高、适应性强、通讯和编程方便、结构模块化的特点。
   
    PLC执行操作站发出的指令并进行报警处理等简单的运算。整个系统中PLC控制的硬件开关量共有24个，其中分析仪器单元有5个三通电磁阀和一个取样泵，CVS单元有7个两通电磁阀、8个三通电磁阀和三个泵。

    3. 传感器与数据采集模块
   
    系统中分析仪器单元测量浓度值经后面板的输出端子以模拟量输出，CVS单元的流量计量单元测量数据由传感器以模拟量输出，具体的传感器包括：

标准长径喷嘴流量计：BYW-S-80，4 m3／min～8 m3／min，喷管直径80mm，用于主流道恒定流量测量；

数字压力变送器：BYD-8，标准长径喷嘴流量计压力测量，输出信号4 mA～20mA DC，24V；

电容式压差变送器：1151DP3E22M183，标准长径喷嘴流量计、后端压力差测量，输出信号4-20mA DC，24V；

防爆型数字温度变送器：BWD-8，标准长径喷嘴流量计后端温度测量，输出信号4 mA ～20mA DC，24V，量程0～50℃；

压力变送器：CS20FUCIIIERC3Lm（3）A，用于控制样气取样袋压力并保护之，输出信号4 mA ～20mA DC，供电范围15 V ～28VDC。

数据采集模块：研华16通道A／D PCL-818数据采集卡。

    4. 通讯模块
   
    系统通讯方式分为两种：串口通讯和TCP／IP协议通讯。PLC和数据采集模块与工控机之间为串口通讯；工控机与PC机之间采用TCP／IP协议进行通讯。硬件参数如下：工控机网卡：1个10／100M网络接口；PC机网卡-TP-bbbb，100M。
   
    三、系统软件设计
   
    本嵌入式控制系统的编程分为两部分，一是PLC软件编程，实现对工作单元的现场控制；二是操作站触摸屏的编程，触摸屏根据传感器的测量数据判断目前的工作状态，然后将控制指令发送给各单元的PLC，同时生成交互式的人机对话界面。
   
    1. PLC编程
   
    （1） 控制流程描述
   
    分析仪器单元的PLC负责气路和量程切换的操作，CVS单元的PLC主要对CVS系统进行流程控制，实现自动清洗、自动采样等一系列功能控制。以CVS系统为例，PLC控制CVS单元排气过程，将气囊中的废空；然后控制清洗过程，进行管路清洗；后控制自动采样，将背景气体和稀释气体分别抽到两个气囊，为分析仪器的气体分析做好准备。上述过程主要包含对泵、阀开关和定时延时的控制。控制过程如图3所示。

   （2）控制程序

    整个控制程序我们采用程序代码编程，它较之梯形图、功能模块灵活、方便，结构紧凑。主程序模块为：

    LD  SM0.1    ／／初始化，调用子程序0
    CALL  SBR_0
    S    M2.0，4  ／／设置程序执行标志位
    LD    M0.1  ／／启用等待程序
    A    M2.0  ／／M2．0设为1
    LPS
    LD    M8.1  ／／有复位请求
    ALD
    CALL  SBR_I／／调用子程序1
    ／／SBR_0：
    LD    SM0.0
     …．．    ／／初始化泵阀状态
    CRET
    ，，SBR_I：
    LD    SM0.0
    LD    M3.0
     …．．    ／／控制CVS工作流程
    CRET
   
    2. 触摸屏控制程序设计
   
    系统中操作站我们采用触摸屏实现交互式人机对话。包括5个主要界面：系统主界面、CVS界面、分析仪器界面、报表和历史数据查询打印界面、手动界面。设计以按钮形式简便、直观地来控制PLC运行，有显示操作状态和数据、故障报警以及报表查询等功能。

    四、结束语

    整个系统满足汽车生产厂家现场监测汽车尾气污染物含量的要求。通过简单直观的人机对话界面实现复杂的操作，克服以往监测系统性低、故障率高、操作复效率低等缺点，从而有效地提高了我国汽车生产厂家生产管理水平。

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