太原西门子中国代理商通讯电缆供应商

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1问题提出
        可编程控制器（PLC）在众多程控系统中已得到了广泛的应用。它以其高性、逻辑控制的设计实现方便灵活的控制等优点，成为许多工程技术人员掌握的主要二次设备之一。
        在实际应用中，程控系统往往采用模拟屏上的设备灯来实时反映各设备状态，而模拟屏上各设备灯的亮、灭、闪等状态通常由PLC输出点直接控制，虽然PLC处理点灯问题也比较方便。但在设备灯很多（尤其是在百只以上）的情况下，如果仍由PLC直接控制点灯，一方面需占很多PLC输出点，即需很多输出模板和较多的投资。另一方面也占用了主机很多处理时间。当主机负荷较高，则会影响实时性。如果能设计出一种PLC扩展控制器，通过串行通信接受主机指令，点灯、熄灯、闪烁等工作由它自行完成，则一方面可以节省较多费用，另一方面可以简化PLC的编程，提高控制的实时性。
        笔者在设计半山电厂全厂输煤程控系统的模拟屏的点灯处理时就遇到了如下情况。该系统采用AB公司的大型可编程控制器PLC－5，由于模拟屏上需控制的设备灯的数量多达300多只，采用PLC直接控制点灯，则需要16点、24 V的开关量输出模板10多块，由于需显示皮带的流动效果，PLC需不停地对灯进行控制，影响程控的实时性。基于这种情况，笔者设计开发了以ATMEL89C2051单片机为的PLC扩展控制器实现点灯，它通过与PLC的CPU模块进行通讯来实现，以代替10多块PLC输出点。

2扩展控制器设计

2．1整体结构

AB公司的PLC－5的CPU模板带一个RS－232串行通信口，PLC自身编程及与上位机的通讯通过DH＋网实现，该串行口也可以由用户自己控制使用，因此，它可以用于实现与扩展控制器的通讯功能。
        半山电厂输煤程控系统采用的模拟屏上共有21条皮带，长短不一，都要考虑流动效果。采用分散控制方式，每条皮带设计1个扩展控制器，共21个扩展控制器，每扩展控制器可以控制6个输出点，21个扩展控制器采用主从式树型连接、异步串行通信。其组成结构如图1所示（点灯部分以9号皮带为例）。

2．2扩展控制器设计原理

2．2．1硬件设计  
ATMEL公司生产的MCS－51兼容系列单片机89C2051单片机，内含2 KBFlash Memory，外围电路简单，在微型控制器中设计相当方便。设置开关可设置控制器编号，控制器基本结构如图2所示。

        由图2可见，该控制器线路简洁，并不存在单片机系统中常见的外部数据RAM，外部程序ROM等外围芯片，只需加一片232通信转换芯片即可。整体尺寸为50 mm×50 mm，只有手掌般大小。输出功率部分用8050三管，开路集电输出，输出电流可达1 A以上，系统长皮带可有23只灯，每只灯额定电流只有20 mA，负载总电流不到0．5 A。
2．2．2扩展控制器软件设计 有
了以上的设计思路，2051的编程就变得比较容易了。基本实现方法是PLC将各条皮带的状态实时地分级传送至各皮带的的扩展控制器，各控制器识别自身的编号后取对应的灯信号信息实时刷新模拟屏点上状态灯。皮带灯滚动频率、滚动方式（明流动或暗流动）都由PLC程序直接控制（用户可在PLC的人机界面上修改）。
        该程序设置两个中断源，其一是串行口接收中断，接收点灯信息，其二是50 ms的内部时间中断，用来控制灯闪烁或灯流动。主程序流程框图如图3所示。

3 系统投用情况
        该系统自1998年11月在半山电厂安装运行，至今情况良好。由于扩展控制器与PLC之间的通信采用了光电隔离，使得整个点灯回路与PLC隔离，从硬件上保证了系统的性、性。
        使用了扩展控制器后，一方面节省了成本，另方面简化了PLC的编程，降低了PLC的CPU负荷，使PLC系统的实时性得到了很大的改善，提高了系统的性。

控制类产品名目繁多，各家叫法不一。通常使用的控制类产品包括DCS'>DCS、PLC两大类。我们又将DCS'>DCS的概念拓展到FCS。
DCS'>DCS（DistributedContorlSystem）,集散控制系统，又称分布式控制系统。
PLC（ProgramLogicControl）,可编程逻辑控制器。
FCS（FieldBusContorlSyestem），现场总线控制系统

发展到现在，DCS'>DCS和PLC之间没有一个严格的界线，在大多数人看来，大的系统就是DCS'>DCS，小的系统就叫PLC。当然，这么说也不是不可以，但是还不对。现在我们来重新建立这个观念。

1、处理单元(CPU)是PLC专题">PLC的控制。它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC投入运行时，它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。 

为了进一步提高PLC专题">PLC的可*性，近年来对大型PLC还采用双CPU构成冗余系统，或采用三CPU的表决式系统。这样，即使某个CPU出现故障，整个系统仍能正常运行。

2、存储器存放系统软件的存储器称为系统程序存储器。存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。

PLC专题">PLC常用的存储器类型

（1）RAM （Random Assess Memory） 这是一种读/写存储器(随机存储器)，其存取速度快，由锂电池支持。

（2）EPROM（Erasable Programmable Read Only Memory）这是一种可擦除的只读存储器。在断电情况下，存储器内的所有内容保持不变。(在紫外线连续照射下可擦除存储器内容)。（3）EEPROM (Electrical Erasable Programmable Read Only Memory)这是一种电可擦除的只读存储器。使用编程器就能很容易地对其所存储的内容进行修改。

PLC专题">PLC存储空间的分配

虽然各种PLC专题">PLC的CPU的大寻址空间各不相同，但是根据PLC的工作原理，其存储空间一般包括以下三个区域：

（1）系统程序存储区

（2）系统RAM存储区（包括I/O映象区和系统软设备等）

（3）用户程序存储区系统程序存储区：在系统程序存储区中存放着相当于计算机操作系统的系统程序。包括监控程序、管理程序、命令解释程序、功能子程序、系统诊断子程序等。由制造厂商将其固化在EPROM中，用户不能直接存取。它和硬件一起决定了该PLC专题">PLC的性能。

系统RAM存储区：系统RAM存储区包括I/O映象区以及各类软设备，如：逻辑线圈；数据寄存器；计时器；计数器；变址寄存器；累加器等存储器。

（1）I/O映象区：由于PLC专题">PLC投入运行后，只是在输入采样阶段才依次读入各输入状态和数据，在输出刷新阶段才将输出的状态和数据送至相应的外设。因此，它需要一定数量的存储单元(RAM)以存放I/O的状态和数据，这些单元称作I/O映象区。一个开关量I/O占用存储单元中的一个位（bit），一个模拟量I/O占用存储单元中的一个字（16个bit）。因此整个I/O映象区可看作两个部分组成：开关量I/O映象区；模拟量I/O映象区。

（2）系统软设备存储区 ：除了I/O映象区区以外，系统RAM存储区还包括PLC专题">PLC内部各类软设备（逻辑线圈、计时器、计数器、数据寄存器和累加器等）的存储区。该存储区又分为具有失电保持的存储区域和无失电保持的存储区域，前者在PLC断电时，由内部的锂电池供电，数据不会遗失；后者当PLC断电时，数据被清零。

1）逻辑线圈与开关输出一样，每个逻辑线圈占用系统RAM存储区中的一个位，但不能直接驱动外设，只供用户在编程中使用，其作用类似于电器控制线路中的继电器。 另外，不同的PLC专题">PLC还提供数量不等的特殊逻辑线圈，具有不同的功能。

2）数据寄存器与模拟量I/O一样，每个数据寄存器占用系统RAM存储区中的一个字(16 bits)。 另外，PLC专题">PLC还提供数量不等的特殊数据寄存器，具有不同的功能。

3）计时器

4）计数器

用户程序存储区
用户程序存储区存放用户编制的用户程序。不同类型的PLC专题">PLC，其存储容量各不相同。

3、电源

PLC专题">PLC的电源在整个系统中起着十分重要得作用。如果没有一个良好的、可*得电源系统是无法正常工作的，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去。

随着工业化程度的提高，范围内的环境污染越来越引起人们的关注。空气中硫化物和硝化物含量的逐年增加对人类的生存构成威胁。对工业废气进行脱硫脱硝现已有多种办法，而现阶段用高能电子束辐照烟气是比较有效、科学的方法 。很多国家都在积地研究。是其中关键的设备，其性能的好坏直接决定脱硫脱硝的效果。

１ 的结构及其特点

此类属于直流高压，交流３８０Ｖ／５０Ｈｚ输入电压经变频器转换为交流４００ＨＺ电压给初级线圈供电。次级线圈６６个，每一个次级输出电压经过倍压整流后串联，产生几兆伏的直流高压，由级联高压系统产生的电场用于加速电子。通过调解变频器的交流输出电压（即改变初级线圈电压）可达到改变能量或稳定能量的目的。束流强度通过灯丝进行调控。整个系统的滞后性比较严重，因此要求系统的性要高。整个系统及其控制如图１所示。

主要由八部分组成：①供电系统；②高压系统；③电子、加速管系统；④束流引出系统；⑤真空系统；⑥绝缘气体系统；⑦冷却系统；⑧计算机控制系统。

２ 硬件设计

计算机控制系统控制及其相关设备，控制系统组成原理图如图２所示。

根据的特点，要求控制系统长时间地运行，以适应工业现场环境并具有强的抗电磁干扰能力，因而我们采用集散控制系统，降低了故障危险。如果一个控制站发生故障不能正常工作，此信号会被别的控制站采集到而采取应急措施，避免了因故障而导致整个系统的崩溃。每一个控制站都有一套完整的控制、监测、报警功能。

在整个控制系统中，我们采用研华５８６工控机作为上位机，执行对下位机的管理、数据采集、数据处理、发布启动和关机命令、修改控制参数和运行参数、记录等功能；下位机采用可编程序控制器（ＰＬＣ）作为本地控制站。本系统有四个ＰＬＣ本控站，分别是：束流稳定系统本控站（ＰＬＣ１）、能量稳定系统本控站（ＰＬＣ２）、引出系统本控站（ＰＬＣ３）和辅助联锁本控站（ＰＬＣ４）。工控机通过ＰＣ／ＰＰＩ电缆（包括ＲＳ２３２／４８５转换口）实现ＰＰＩ通讯。ＰＣ／ＰＰＩ电缆的ＲＳ２３２端接到工控机的通讯口（ＣＯＭ１或ＣＯＭ２），各本控站进行简单并联即可。

我们采用德国西门子公司的ＰＬＣ作为本控站，其ＣＰＵ为２１６，用户程序大小４Ｋ字节，用户数据大小２．５Ｋ 字节，支持的数字量Ｉ／Ｏ为６４输入／６４输出，模拟输入可扩展到 ３１路，模拟输出可扩展到３１路，１２８个中断，中断事件２８个，ＰＩＤ回路７个。每个本控站使用的Ｉ／Ｏ扩展模块不相同。

２.１ 束流稳定控制站

束流稳定工作原理图如图３所示。

通过取样电阻ＲＳ采得后次级线圈上的电流信号（此信号代表电子束流大小），束流信号送到ＰＬＣ１的模拟输入端，经过ＰＬＣ１的比较、ＰＩＤ回路的运算后，由ＰＬＣ１的模拟输出端给出控制信号，经运放、光电隔离装置，去控制电子中的灯丝电流，构成闭环回路。而且束流信号与大电流设定进行比较，如果束流信号过大设定，由硬件给出保护信号。为保证电子的使用寿命，尽量减少束流的过调量和快地使束流稳定在给定值上，ＰＩＤ常数能在控制下做优化切换，并设有保护功能。

２.２ 能量稳定控制站

能量稳定系统工作原理图如图４所示。

通过分压电阻ＲＨ的束流能量Ｅ０的分压值，被送到ＰＬＣ２的模拟输入端，经过ＰＬＣ２的比较、ＰＩＤ回路的运算，后由ＰＬＣ２的模拟输出端给出控制信号；此信号控制变频器的输出电压，改变初级线圈上的电压值，达到稳定能量的目的。同样，从ＲＨ上的电压值与大能量设定进行比较，由硬件给出保护信号。

２.３ 束流引出系统控制站

该系统的主要作用是保证束流均匀穿越钛箔进入辅照加工物品，不致使束流过于集中在钛箔的局部区域，造成钛箔烧毁或寿命降低。该系统还可以使进入空气后的电子按所需要的轨迹运动，以满足一些特殊的辅照工艺要求。控制电子在Ｘ、Ｙ两个方向扫描，高频扫描（Ｙ）频率：１８００Ｈｚ；低频扫描（Ｘ）频率：１００～１２０Ｈｚ。给偏转线圈提供三角波电流，控制束流轨迹，使之在钛箔上均匀扫描。

２.４ 辅助联锁系统控制站

为了人员和设备的，该系统有两种工作模式：硬件工作模式和软件工作模式。在硬件工作模式下，系统通过自身的逻辑电路，分析各个相关设备、系统的工作状态，并根据输出相应信号来直接关闭，或禁止启动。另一种模式是软件工作模式。该系统还设置有专门的打火分析系统，以便在出现打火时能及时加以保护。

３ 软件设计

控制软件分为三层：操作员层、通讯层和现场控制层。在人机交互界面这部分，采用Ｋｉｎｇｖｉｅｗ５．０作为操作界面的编程软件。它运行于ＷＩＮ９５／９８ＮＴ平台，是３２位程序、实时多任务、多线程、支持国内外３１种ＰＬＣ。软件包括工艺流程图动态显示、操作显示、参数设定、运行参数实时显示、修改参数、控制命令发布、报警并打印报表等功能。

３.１ 束流稳定系统

此系统要求能实时控制束流大小，是通过控制电子灯丝电流来实现的。不允许灯丝电流过其大值实时采集束流大小，进行ＰＩＤ运算（包含比例、积分、微分回路），使系统达到稳定状态。为了能让数字计算机处理ＰＩＤ控制，连续算式离散化处理。计算机处理的ＰＩＤ算式如下：

Ｍｎ＝Ｋｃ×Ｅｎ＋ＫＩ×Ｅｎ＋ＭＸ＋ＫＤ×(Ｅｎ－Ｅｎ－１)

输出＝比例项＋积分项＋微分项

其中：

Ｍｎ——ｎ次采样时刻的计算值

ＫＣ——ＰＩＤ回路比例项增益

Ｅｎ——ｎ 次采样时刻的偏差值（是给定值与过程变量值之差）

Ｅｎ－１——ｎ－１次采样时刻的偏差值

ＫＩ——积分项比例常数

ＭＸ——积分项前值（在ｎ－１采样时刻的积分值）

ＫＤ——微分项比例常数

调用中断事件号２（即Ｉ０．１上升沿）控制束流值越界。正常工作时，Ｉ０．１为低电平，通过硬件比较束流值是否过大设定值；如过大值，硬件给出一高电平，并接到Ｉ０．１输入端口。这样就可以快速调用中断程序。部分程序如下：

ＬＤ ＳＭ０．０ ／／定义始能端

ＡＴＣＨ ０，２ ／／定义中断程序０为处理Ｉ０．１上升沿中断２的中断程序

ＥＮＩ ／／全局允许中断

ＬＤ ＳＭ５．０

ＤＴＣＨ ２ ／／如果发现Ｉ／Ｏ错误，禁止Ｉ０．１上升沿中断

ＬＤ Ｍ５．０

ＤＩＳＩ ／／当Ｍ５．０为ＯＮ时，禁止所有中断

．．． ．．．

ＭＥＮＤ

ＩＮＴ ０ ／／中断程序０

．．． ．．．

ＲＥＴＩ

３.２ 能量稳定系统

为增加程序的可读性，采用结构化程序设计。主程序如下：

ＬＤ ＳＭ０．１

ＣＡＬＬ ０ ／／调用初始化子程序

ＬＤ Ｉ０．１ ／／判定控制使能端

ＣＡＬＬ １ ／／调用能量稳定子程序

ＬＤＮ Ｉ０．１

ＣＡＬＬ ２ ／／调用电压稳定子程序

ＣＡＬＬ ３ ／／调用中断子程序

ＥＮＤ

在初始化子程序中，要检测系统是否正常工作，如不能正常工作，给出故障信号使不能加高压。然后给出初始化运行的各种参数。

在能量稳定和电压稳定子程序中，都要进行ＰＩＤ运算，输出模拟控制量，其过程类似于束流稳定系统。中断子程序起到快速处理故障作用。

在所有的系统中，都要采集外设信号。为了能读到正确的信号、大可能地减少干扰，同时考虑到控制的实时性，须对信号进行多次采样（一般来说采样５～１０次可满足要求）。

一、前言

事件记录在自动控制系统中，特别是在联锁保护系统中是的功能，它将控制系统发生的所有事件，如报警信息和操作信息分别按时间顺序进行记录，形成报表，以便进行系统运行状况及事故原因的分析。在PLC控制系统中，事件记录一般由上位机实现，要记录的信息由PLC通过通讯总线发送给上位机，上位机运行特定的软件对信息进行整理、记录，形成可打印的报表。若没有上位机，就无法进行事件的记录。

PCM 是美国GE公司PLC系统中的可编程智能模件，它本身含有一个的协处理器，既可立运行程序，也可与PLC的主CPU协同工作。本文作者充分利用此模件的特点对其进行编程，在模件中实现了事件的记录功能，并可将打印机直接挂在该模件上，脱离上位计算机进行实时打印。下文分析了其硬件连接和软件设计思想。

二、硬件实现方案

图1为PLC系统结构图。图中PCM位于PLC的主机架内，它有两个通讯口，其中COM1与上位机相连，COM2与打印机的串行口相连。

图1 PLC系统结构

PCM 是一种功能强大的可编程智能模件，它集CCM通讯模件和ASCII/BASIC模件的功能于一身，实现的通讯与编程。PCM通过主机架后背板与 PLC的CPU进行通讯，并可使用MegaBasic语言对用户数据和系统数据进行访问，将CPU中的数据读入自己的内存或将自己内存中的数据写入 MegaBasic程序和存储大量的数据。由于模件本身带有命的锂电池，所以在系统断电时可长时间保存已编辑好的程序和存储的数据。

上位计算机兼有编程器和监控站两方面的作用。作为编程器使用时，可对PCM进行在线或离线编程。在线编程需与PCM进行联机，进入PCM内部的BASIC编辑环境进行用户程序的编辑，编辑好的程序就已直接存在PCM内存中了；离线编程可脱离PCM，用MegaBasic语言进行程序编辑后，再与PCM联机，将生成的文件下装到PCM的内存中。系统在初始上电或PCM复位后开始运行程序。上位计算机作为监控站使用时，可以图形或列表的方式显示PCM内存中存储的数据，并将这些数据存储到硬盘中，以便保存重要的历史数据。

打印机与PCM以串行通讯方式进行联机，可按程序的要求打印PCM内存中的数据。计算机与打印机分别与PCM进行通讯，在功能上它们之间相互立，互不依赖。

三、软件设计

该系统的软件编程设计包括两个方面，一个是事件记录的程序设计，另一个是上位机软件的设计。

1、事件记录程序设计

这部分程序要实现两个功能，一是将事件记录到PCM的内存文件中，二是将事件即时输出到打印机。程序框图如图2所示。

图2 事件记录程序流程图

PCM 只与CPU进行数据交换，它不直接采集I/0模块上的数据，I/0模块上各个输入/输出点状态的变化和数据均被映象到CPU的数据表中。程序中采用PCM 不断扫描数据表的方法对所有的I/0点状态进行监视，一旦发现某点的状态发生变化（由0变为1或由1变为0），即将该点的特征信息和状态变化瞬间的时间按一定的顺序记录到内存文件中。该内存文件在程序初始化阶段建立，是一种二进制格式的文件，其数据存储的结构依所记录的I/0点的特征信息而定，一般每条记录占11～15个字节，记录的条数由PCM的内存大小决定，当内存文件记录满时，设计为自动新老记录。

打印功能可设计为即时打印、分段打印和存满打印。即时打印是当有事件发生时，该事件的信息被存入内存文件的同时，输出到打印机进行打印；分段打印指当内存文件中存入固定条数的记录时才进行打印；存满打印指当内存文件记录满时，一次性打印全部记录。本系统中采用了即时打印方案。

2、上位机软件设计

这部分程序也要实现两个功能，一是将PCM内存文件中的事件记录显示到CRT上，二是将所有这些记录存储到硬盘文件中。程序框图如图3所示。

图3 上位机软件流程图

从PCM内存文件中提取的事件和从CPU数据表中扫描的I/0状态以一定的屏幕格式显示在CRT上。为便于监视与查阅，程序中按照功能和I/0类别的不同设计了若干菜单选项，每一菜单下均以列表方式显示数据。

（1）事件记录查阅。按照PCM内存文件存储时的数据结构，提取完整的事件记录信息，逐条显示在屏幕上。程序设计了完善的浏览功能，可以方便地查阅任意一条记录信息。

（2）I/0状态监视。按照模块号和地址的顺序显示所有I/0点当前的状态及其变化。

程序设计在以下两种情况下需将PCM中的事件记录存储到硬盘文件中：

（1）PCM内存文件满时。这时PCM的内存记录作为一页存入硬盘文件，下一页可续存入相同的文件中，也可另存文件。存储文件名以一定的规则和顺序进行设置，便于查找与处理。

（2）退出监控状态时。这时若PCM内存记录不足一页，程序仍以一页存入硬盘。

四、结束语

本文所实现的系统具有如下特点：记录的信息既可在CRT上即时显示，也可在打印机上即时打印，并可存储于硬盘之中。事件的记录在下位机PLC中进行，既可脱离上位机CRT和打印机立工作，也可与它们协同工作，增强了系统的灵活性和适应能力。该系统已实现了在工业控制中的应用，且运行良好。