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PC-Based PLC嵌入式控制器及其实际应用策略

2014/2/13    来源:互联网        
关键字:PC-Based  PLC  嵌入式  
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,同时列举了两种PC-Based PLC产品 I-8000以及ADAM5510分别在分布式油料计量与统计管理系统以及分布式无线煤气管道监控系统中的应用。

1 PC-Based PLC的概念

  PC-Based PLC也称嵌入式控制器,是近几年随着嵌入式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而发展的,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,也不想PLC那么封闭,而是一个独立的基于嵌入式PC技术的开放式的控制系统,适合应用于小型的SCADA系统。如泓格的I-8000系列、Advantech的ADAM5510系列, 其主机内部是40MHz主频的80188 CPU,操作系统为兼容DOS的MiNIOS7(I-8000系列)或者ROMDOS(ADAM5510),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:首先再PC上编写扣住任务程序,并将其编译好后传送到主机内的RAM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。总之,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。

2 基于PC-Based PLC架构系统的应用策略

  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:诸如I-8000或者ADAM5510 控制器的CPU仅仅是一款主频只有40MHz地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地稳定性。通常而言,在一个控制器中,一般不要超过两块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或者ADAM5510控制器的供电一般为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,诸如继电器输出模块不要超过两块,尤其是功率继电器模块最好为一块。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控制模块,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,配置图见图1所示。

 配置图

  图1:配置图

  2.4 电源配置

  假如一个控制系统有多块PC -Based PLC控制器,考虑到系统的经济性以及安全性,最好每两块控制器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或ADAM5510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地功率器件,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。制器的接地线与电源线、动力线分开。PC-Based PLC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。

责任编辑:陈浩
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