烟台西门子一级代理商DP电缆供应商

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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。 

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SA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、性高、逻辑顺序控制能力强等优点，在自动化控制领域具有的优势。但有一大遗憾：其封闭式架构、封闭式系统（研发具备自己或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Wi）、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，而是一个立的基于嵌入式PC技术的系统，适合应用于小型的SA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其相似：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）的五种标准语言和软逻辑。由于以上特点，PC-Based PLC将会加开放和标准化，能适应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 bbbbbs）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，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、性以及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等不要过两块，尤其是 I-8060、I-8063、I-8064、I-8065、I-8069这些功率模块为一块。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bbbbbbs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bbbbbbs 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bbbbbbs环境中，采用多线程技术，可以有效地利用 bbbbbbs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，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，但是如有四、六个……，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，配置图见图1 所示。 

2.4 电源配置 

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性，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，或减小干扰的影响，是保护和抑制噪声的重要手段，对提高I-8000系统的稳定性、性其重要。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。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型接法中性端要接于电源回路接地上，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。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单接地，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、登记其繁琐，有时还容易出现错磅和漏磅现象，不容易管理，并且给统计、计量工作带来了大的困难，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。系统架构图件图2所示。 

图2：基于I－8411的分布式计量架构图 

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  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，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，出保护值，出现过压故障。因此增加再生制动单元，否则会干扰SA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标准语言开发工具的发展，PC-Based PLC或嵌入式控制器将加开放和标准化，功能将会加强大、数据通信能力将会强、数据处理能力快。能适应加复杂的工业控制需求。 

1 存在的问题 

在水泥生产线上的各个控制环节，PLC作为局部工艺线控制单元的应用已不胜枚举，比如窑、磨的辅助控制，各类高低压电动机的控制、各类除尘设备的控制、各类仪表检测单元的控制等等。但在应用的过程中，不少企业尤其是中小企业经常遇到以下问题：一是控制装置大多是配套供应商开发的成套装置，配套的说明书都比较简陋，操作方面的内容较为详细，但对PLC的配套原始资料和梯形图（时序）则往往不予介绍提供，一旦出现问题，企业自身技术人员则往往束手无策；二是所选用的PLC基本上是进口产品，器件出现硬故障后订购周期较长，容易影响生产，而就近所能购置到的又往往不是原来，受自身设备水平限制难以实现自我替换；三是各企业电气维护人员水平参差不齐，中小企业的技术人员大多不具备一定的时序编制基础，没有相当的调试能力，对软故障的处理常无可奈何；四是所用PLC较多，难以配齐手操编程器；五是个别供货商借机敲诈，以站不住脚的“保护知识产权”为由索要数倍的，企业难以承受。其实，从PLC 本身而言，只不过是一种在当今电气控制领域运用相当普遍的器件而已，已不再是不可掌握的高技术产品。以下笔者结合自身经历介绍PLC替换的一些经验和具体事例。  

2 PLC概述及替换基本原则 

工业用PLC的部件是CPU及内存RAM、电源板（DC12/24V）、电池、接口模块、继电器（无触点开关）等，一般还包括发光管/显示屏、I/O 输入输出端子、程序模块和PC电缆的接口、键盘等。现在水泥生产线上通常应用的PLC分为两个大类：一是功能较单一、结构简单的小型（基本型）PLC，无 I/O扩展能力；二是功能强大、点数较多、带有扩展槽的的中、大型PLC，有I/O扩展能力。在中小型水泥生产线和自动化水平不是很高的自控场合，基本上采用小型PLC，特别是单机除尘器、大风机调速控制、预热器吹堵清灰等控制功能单一的环节，小型PLC的应用十分普遍。从PLC的来看，西门子、三菱、欧姆龙、AB、ABB等用的比较多；从结构性能来讲，大同小异，但互换性存在一定的问题。当确定在用的PLC本体出现故障时，我们要判断出所出故障是硬件受损还是软故障，软故障可采用手操编程器和PC机依照程序（梯形图）进行诊断恢复，硬件受损换受损部件甚至是整台PLC。在整台换过程中要注意几个问题：要考虑选用同一同型号的，PLC不同于一般开关控制电器，需将所需时序通过PLC通讯口输入后方能投入使用，这要配备OP（手操编程器）和PC机方能实现，这是普通维护人员办不到的；其次要考虑在没有同型号的情况下选用功能相近的同一的替代，若没有同一的则选用功能相近的不同的，但要特别注意电源电压等级一致性，I/O口数量不得少于原配PLC，原来应用所编时序可在新换PLC上运行，还有必要的外围电路的相应改造等等。 

3 Φ3.5/3m×60m窑窑尾玻纤袋除尘器PLC的替换实例 

2001年5月，我厂Φ3.5/3m×60m余热发电窑窑尾玻纤大布袋除尘器控制柜内元件——美国AB公司生产的固定式 PLC（SLC5001747－L30C）出现故障，经有关技术人员诊断CPU板损坏，除尘器只能手动操作，经与供货商联系，因国内无、供货周期太长、要价太高而只能作罢。 

玻纤袋收尘控制PLC原工作顺序如下： 

1）PLC上电自检完毕后，按照卸灰1室→卸灰2→卸灰3室→卸灰4室，依次类推到8室，卸灰基准值为3min，每室工作间隔5s，卸灰完毕后，反吹风机启动，持续30s。 

2）进入清灰状态 

室排气反吹阀开启，然后零阀开启，反吹基准值为30s，零阀关闭延续1min沉降粉尘，然后室排气反吹阀关闭。 

二室排气反吹阀开启……依此类推持续到八室。 

3）各室清完灰后进入大间隔30min，而后进行再次循环重复以上工作。   

我们在此情况下决定选用就近可以购买得到的三菱PLC替代，重新编程并对

外围电路加以局部改造，具体改造方案概述如下： 

1）根据AB公司SLC500的结构特点、供电电压（AC120/240V双组）和除尘器控制所用实际I/O口的数量，决定选用三菱公司的MELSECF1－60MR（AC110/220V）取代，其各项指标能够满足要求。 

2）重新编制时序（略），并根据车间要求将PLC工作时序加以改动，具体改动如下：卸灰状态在重复4遍后再进入反吹清灰状态，清灰完毕后取消大间隔30min而直接再进入卸灰状态，如此进行工作循环。 

3）经程序调试和外部线路改造后一次试机成功。 

CEMS中有很多种监测方法：比如烟气SO2自动分析仪的原理有电导法、非分散红外吸收法（动态范围较窄）、紫外吸收法、紫外荧光法、火焰光度法和定电位电解法。采用方式主要有：（1）直接抽气采样法（2）稀释抽气采样法（包括烟道内稀释和烟道外稀释，占85.5%，主要为欧美产品）；（3）在线直接测量法；（4）定电位电解法。

CEMS环保行业有两个典型的特点： 

·一是典型的SA应用；

·二是数据及报表处理比较复杂。

·ABB AC500 PLC 和FameView在这两方面做的为出色；

·ABB PLC集成有MODBUS 主、从协议，通讯灵活；

·可配置的开关量、模拟量模块，集成简单；

·AC500的模块和端子分离，预接线方便；

·FameView强大而简单的数据库连接功能，存储各种数据到各种数据库中；

·根据需求能提供各种打印报表；

·能通过宽带/ADSL/GPRS/CDMA/电话拨号向站提供实时数据和历史数据；

·提供站软件，能接收和管理100个分站的数据；

·FameView近三年已成功应用到900多套CEMS子站和多个站。

AC500 PLC的部分开关量通道可以通过软件设为输入或输出，这大大的方便了用户的使用和适应现场的变化。而模拟量模块上的每个通道都可以根据用户的需求接入：电流，电压和热电阻信号，可以在同一个模块上接入各种不同的分析信号，简化了系统。 

近年来，由于CEMS系统的要求越来越高，使得“组态软件+PLC”的组合模式在CEMS系统中的应用越来越广泛，并已逐步取代以前惯用的“上位软件+单片机+板卡”，成为CEMS系统中实现数据采集及控制的。

FameView组态软件和ABB公司的AC500系列PLC共同开发的CEMS系统，以其稳定的通讯能力和强大的数据处理能力，逐渐为业界所认可。

AC500系列PLC是ABB公司的产品，其中烟气上用了一款CPU是PM571，它的特点是： 

1、24VDC供电，64K程序内存，1K字节指令执行时间0.3mS；

2、用户程序密码保护，支持多任务、浮点运算；

3、集成RS232/RS485、以太网RJ45；

4、CPU面板上能显示状态、诊断信息；

5、串口直接支持MODBUS 主、从协议

6、支持多种语言编程FBD、IL、LD、ST、SFC、CFC

7、可以用SD卡扩展128M的数据空间

在没有上位监控子站的系统中，AC500 PLC的串口除了可以作为Modbus通讯外，还可以通过Modem 直接和GPRS 等系统相连，并可以在就地用SD卡储存高达128M 的历史数据。

系统概述： 

烟气污染物排放总量数据监测系统（CEMS），根据使用需要的不同，可以选择不同的测量参数（如：SO2、NOX、CO、CO2、O2、颗粒物、温度、压力、流速、湿度等）。这些参数数值一般由各类分析仪采集烟道中气体进行测量分析后传送到上位机，由上位机对其进行处理、运算、存储、报表等。同时，上位机还要作为服务器与环保行政主管部门进行远程通讯，向其提供数据。

一、概述 

某纺织机械厂使用Kinco PLC已在多种型号的梳棉机上定型应用。针对纺织机械智能化、集成化操作要求，客户希望通过PLC连接两台变频器，并通过文本屏设定和显示变频器参数。步进科技利用新推出的双串口CPU306EX对原系统改造，顺利实现了客户新增功能，变频器选用的是伦茨（LENZE）SMD系列。这里我们不再重复机械的工艺过程，介绍Kinco K3系列PLC与伦茨变频器通讯的过程。 

二、CPU306EX双串口PLC的通讯说明 

CPU306EX带有两个串行通讯口，Port0物理层是RS232/485可选，集成了三种通讯协议：①MODBUS RTU从站协议；②自由通讯协议； ③与EasyProg软件通讯的协议。Port1物理层是RS485，集成了二种通讯协议：①MODBUS RTU从站协议;②自由通讯协议。在本应用中Port0与文本屏通讯，采用MODBUS RTU从站协议。Port1与两台变频器通讯，采用自由通讯协议。 

三、伦茨SMD系列变频器的通讯说明 

伦茨SMD系列变频器通讯协议是MODBUS RTU从站协议。用MODBUS通讯时，需注意以下几点： 

1. 通讯线按如下方式连接： 

A（PLC）→71（台变频器）→71（二台变频器） 

B（PLC）→72（台变频器）→72（二台变频器） 

2. 参数设定（区分大小写）： 

C01：8（MODBUS通讯协议） 

C25：1（通讯参数9600，8，N，1） 

台变频器地址： 

C09：2（站号为2） 

二台变频器地址： 

C09：3（站号为3） 

3. 端子28要与20短接。 

4. 需要设定低速、高速、加速时间、减速时间对应的寄存器如下： 

设定低速段C37（4AH） 

设定高速段C38（4BH） 

设定加速时间C12（3DH） 

设定减速时间C13（3EH） 

5. 需要读变频器当前频率寄存器如下： 

读频率C50（50H） 

6. 采用通讯方式给变频器参数设定新值时，要对变频器执行操作。给寄存器49（31H）传参数0即可。（W49=0） 

四、CPU306EX与伦茨SMD系列变频器的通讯说明 

CPU306EX与伦茨变频器采用自由口通讯协议，CPU端需模拟MODBUS主站。 

MODBUS数据格式如下： 

通讯数据（信息帧）格式 

通讯信息传输过程： 

当通讯命令由发送设备（CPU）发送至接收设备（变频器）时，符合相应地址码的从机接收通讯命令，并根据功能码及相关要求读取信息，如果CRC校验无误，则执行相应的任务，然后把执行结果（数据）返送给主机。返回的信息中包括地址码、功能码、执行后的数据以及CRC校验码。如果CRC校验出错就不返回任何信息。 

地址码：就是每台变频器的站号，是的。 

功能码：MODBUS通讯规约可定义的功能码为1到127。这里只用到了03和06。 

数据区：数据区包括需要由从机返送何种信息或执行什么动作。 

CPU内部用了一个500mS定时器来控制通讯，每500mS读一次变频器的频率。次读个变频器，二次读二个变频器，然后再返回读个，周而复始。当文本屏要设定数据时，暂停定时器停止通讯，设定成功后返回正确信息。如果设定不成功，返回错误信息并提示重新设定。若不成功次数过5次即报警，认为PLC不能与该变频器通讯。