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一、plc和智能模塊的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢

PLC是一種在繼電邏輯控制之后迅速發(fā)展起來的計(jì)算機(jī)工業(yè)自動(dòng)控制裝置，其強(qiáng)大的抗干擾能力和可靠度被廣泛運(yùn)用于多種工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備中。隨著對(duì)PLC研究的深入和技術(shù)的發(fā)展成熟，越來越多的復(fù)雜自動(dòng)控制系統(tǒng)紛紛將PLC作為了首選技術(shù)。與多年前的PLC功能相比，如今的PLC廠商已開發(fā)出各種各樣的配套功能模塊，智能化的處理能力也在不斷增強(qiáng)，完全能夠適應(yīng)各類工藝生產(chǎn)流程，如輸入輸出模塊，便是現(xiàn)今應(yīng)用范圍最廣的PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)智能模塊，其實(shí)現(xiàn)了采集外部模擬量和控制內(nèi)部數(shù)字量的兩種功能，甚至有一些品牌的輸入輸出模塊已完全嵌入了A/D和D/A的功能，滿足了市場的需要。然而，隨著舊工藝舊設(shè)備的改造和工業(yè)控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度提高，原廠配套的智能模塊出現(xiàn)了功能性瓶頸，具有一定的滯后性，且因定制造價(jià)過高的原因，國內(nèi)外開始對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)智能模塊展開了更深層次的研究。

二、基于PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)構(gòu)成PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)是通過PLC對(duì)工業(yè)生產(chǎn)中的儲(chǔ)位、壓力、流量和溫度等生產(chǎn)要素進(jìn)行控制的一種智能化系統(tǒng)，在此過程中，需進(jìn)行PID的運(yùn)算，通常在PLC廠家可以采購到配套的PID控制程序和過程控制模塊，對(duì)于生產(chǎn)要素的采集和輸出都有較為方便的控制方法，但基于價(jià)格和操作性的原因，不少PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)還是采取自己編程的方式，這對(duì)于復(fù)雜的PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)更多需求和工藝調(diào)整的控制策略，具有成本更低和操控性更強(qiáng)的特點(diǎn)。PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)的工作流程主要是：通過測量感應(yīng)元件對(duì)信號(hào)進(jìn)行反饋輸入，進(jìn)入A/D模塊轉(zhuǎn)變?yōu)橄到y(tǒng)能夠識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，再與控制參數(shù)進(jìn)行比對(duì)，接著進(jìn)入PID運(yùn)算單元，得到偏差結(jié)果的計(jì)算，最后由D/A模塊轉(zhuǎn)變信號(hào)輸出至執(zhí)行元件，開始動(dòng)作的執(zhí)行。

2、PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)的智能化實(shí)現(xiàn)本文以儲(chǔ)料儲(chǔ)存和輸送控制為例子，采用三菱公司生產(chǎn)的FX2N-48MR-001PLC對(duì)PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)的智能化實(shí)現(xiàn)過程進(jìn)行具體介紹。

（1）儲(chǔ)位的采集：寄存器M21閉合檢測儲(chǔ)位并選擇輸入通道讀取儲(chǔ)位值信號(hào)，A/D模塊開始工作，再經(jīng)緩沖存儲(chǔ)器讀取進(jìn)入輔助繼電器中，最后將數(shù)字信號(hào)儲(chǔ)存入寄存器，等待PID的運(yùn)算。

（2）PID的運(yùn)算：首先，我們要初始化設(shè)定PID的固定指令參數(shù)表，即設(shè)定檢測時(shí)間、增益濾波、微積分增益等參數(shù)。其次，設(shè)置獨(dú)立的PID指令寄存器，當(dāng)PID出現(xiàn)運(yùn)算錯(cuò)誤時(shí)，及時(shí)調(diào)整寄存器的ON和OFF狀態(tài)，中斷指令，而實(shí)際采集儲(chǔ)位值信號(hào)時(shí)，也是通過中斷和跳轉(zhuǎn)指令和子程序調(diào)用指令來運(yùn)算的。

（3）電動(dòng)閥的輸出：電動(dòng)閥主要作為進(jìn)出料控制的手段，是通過PID的控制和D/A模塊的轉(zhuǎn)換，將PID運(yùn)算的模擬量結(jié)果進(jìn)行輸出工作，其輸出值會(huì)儲(chǔ)存在輔助繼電器和緩沖儲(chǔ)存器中，觸發(fā)輸出通道進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換的過程。

三、基于PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)的上位監(jiān)控設(shè)計(jì)

1、上位監(jiān)控介紹基于PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)的上位監(jiān)控是由組態(tài)軟件對(duì)上下位的通信進(jìn)行銜接，且實(shí)時(shí)監(jiān)控并記錄PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)行情況的管理方法。其采用組態(tài)軟件對(duì)PLC、智能模塊以及設(shè)備儀表等進(jìn)行采集現(xiàn)場信號(hào)的工作，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行到報(bào)警參數(shù)設(shè)置范圍內(nèi)的狀態(tài)時(shí)，組態(tài)軟件會(huì)以監(jiān)控界面和移動(dòng)終端設(shè)備等途徑提醒工作人員。同時(shí)，該上位監(jiān)控軟件對(duì)歷史數(shù)據(jù)能夠進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和儲(chǔ)存，便于對(duì)數(shù)據(jù)變量配置進(jìn)行優(yōu)化和完善。

2、上位監(jiān)控界面設(shè)計(jì)上位監(jiān)控界面設(shè)計(jì)分為兩個(gè)步驟，一是畫面的開發(fā)，通過組態(tài)軟件對(duì)工業(yè)流程圖的圖形圖表繪制，根據(jù)各設(shè)備的位置、規(guī)格和連接方式，通過縮小比例的顯示方式表示在計(jì)算機(jī)屏幕中；二是工程變量的設(shè)置，監(jiān)控界面中的工程變量往往用于集中進(jìn)行生產(chǎn)監(jiān)控和預(yù)警控制，因畫面的直觀效果，自動(dòng)控制系統(tǒng)能夠在監(jiān)控界面中隨時(shí)發(fā)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)各個(gè)環(huán)節(jié)的運(yùn)行狀態(tài)，簡而言之，設(shè)置工程變量即是在畫面開發(fā)之后對(duì)各生產(chǎn)要素和連接方式的屬性定義。

3、遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)計(jì)隨著互聯(lián)網(wǎng)的高速發(fā)展，遠(yuǎn)程監(jiān)控與PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)合起來，成為了PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)的一個(gè)很重要的智能模塊。組態(tài)軟件中內(nèi)嵌有B/S結(jié)構(gòu)，可以讓自動(dòng)控制系統(tǒng)的監(jiān)控手段脫離現(xiàn)場的監(jiān)控，隨時(shí)隨地對(duì)工業(yè)生產(chǎn)進(jìn)行監(jiān)控和管理，亦可設(shè)置純?yōu)g覽權(quán)限，只能訪問監(jiān)控界面，進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)觀察，該方式已成為了上位監(jiān)控的重要發(fā)展方向。

四、基于PLC自動(dòng)控制系統(tǒng)的智能模塊設(shè)計(jì)

為滿足PLC應(yīng)用于各種自動(dòng)控制系統(tǒng)的要求，配套輸入口的模塊購買成本十分高昂，而且相對(duì)固定的性能和無法擴(kuò)展的弊端對(duì)于小型自動(dòng)控制系統(tǒng)和老工藝改造項(xiàng)目具有較差的靈活性。針對(duì)于此，本節(jié)將闡述智能輸入輸出口模塊在PLC應(yīng)用中的二次設(shè)計(jì)過程。

1、智能輸入輸出口模塊的設(shè)計(jì)方案智能輸入輸出口的設(shè)計(jì)主要通過編程來自定義種類各異的邏輯功能，實(shí)現(xiàn)與PLC聯(lián)通信息，輸入輸出模擬量，并于上位監(jiān)控界面中顯示的功能。其中，智能輸入輸出口模塊核心控制器采用單片機(jī)作為主機(jī)來完成通信的傳輸和數(shù)據(jù)的控制，PLC作為輔機(jī)來對(duì)兩者進(jìn)行聯(lián)通。而單片機(jī)邏輯電路設(shè)計(jì)交由CPLD來完成，所有模塊和輸入輸出外設(shè)都經(jīng)過CPLD與單片機(jī)利用總線連接，實(shí)現(xiàn)抑制容易、兼容性強(qiáng)等特點(diǎn)。

2、硬件模塊設(shè)計(jì)

（1）單片機(jī)模塊單片機(jī)是智能輸入輸出口模塊的核心部分，本文對(duì)單片機(jī)的選擇為兼容8051指令代碼的單片機(jī)，該類型單片機(jī)的功耗、速度和抗擾性能都得到了市場的良好反響。其次，該類型的單片機(jī)采取外部晶振模式并內(nèi)置2個(gè)30pF電容對(duì)波特率的把握較為穩(wěn)定和快速。由于STC12LE5A60S2和CPLD的供電電源為3.3V，所以可以直接進(jìn)行總線連接。同時(shí)，本文將單片機(jī)的ALE引腳、中斷、P2和WR/RD接口與CPLD連接，易于控制矩陣式鍵盤的操作。

（2）CPLD模塊CPLD是自定義邏輯編程開發(fā)的專用集成電路，其利用配套的輸入軟件、開發(fā)軟件和仿真軟件對(duì)內(nèi)部邏輯燒寫實(shí)現(xiàn)電路設(shè)計(jì)、仿真和優(yōu)化的制作過程。在CPLD的選擇上，首選電源電壓為3.3V的CMOSEPLD，滿足管腳數(shù)量大于144個(gè)、I/O口大于116個(gè)的高性能和高密度要求。

（3）D/AC和A/DC模塊D/AC模塊的主要作用是輸出0~5V的模擬量，為滿足不同電路的設(shè)計(jì)要求，其輸入方式應(yīng)滿足市面常見的直接數(shù)字和單、雙緩沖并存的輸入方式，至于模擬信號(hào)是否在轉(zhuǎn)換后通過電流形式輸出還是電壓輸出，本文對(duì)此不作要求；A/DC模塊的主要作用是轉(zhuǎn)換數(shù)字量信號(hào)，并經(jīng)單片機(jī)發(fā)送至PLC進(jìn)行PID運(yùn)算。按照常見的自動(dòng)化控制系統(tǒng)的要求，A/DC模塊必須具備8路采集通道，且采集精度應(yīng)符合8位分辨率的要求。

3、軟件模塊設(shè)計(jì)

（1）CPLD程序的編寫CPLD程序的編寫主要是對(duì)總線地址譯碼、讀寫時(shí)序、數(shù)碼管掃描、鍵盤自動(dòng)掃描的操作，通常采用AHDL語言來完成工作。其編程流程為：首先，進(jìn)行總線地址譯碼，獲取單片機(jī)對(duì)A/DC和D/AC模塊的讀寫時(shí)序，通過讀寫時(shí)序判斷A/DC和D/AC模塊的轉(zhuǎn)換狀態(tài)；其次，傳輸采集數(shù)據(jù)給單片機(jī)，通過對(duì)數(shù)碼管的1KHz信號(hào)掃描模式，將數(shù)據(jù)顯示與LED上；最后，根據(jù)鍵盤自動(dòng)掃描200Hz信號(hào)的結(jié)果，判斷單片機(jī)中斷的按鍵動(dòng)作，輸出至總線。

（2）單片機(jī)程序的編寫單片機(jī)程序的編寫主要是對(duì)主程序、功能菜單程序、顯示程序和模塊通信和控制進(jìn)行設(shè)計(jì)。此過程是對(duì)智能輸入輸出口模塊人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)，應(yīng)以簡單便捷的操控設(shè)計(jì)為原則，滿足通信和控制模塊的功能性需求。

4、PLC和智能輸入輸出口模塊的串行通信實(shí)現(xiàn)PLC和智能輸入輸出口模塊的串行通信實(shí)質(zhì)上是模擬量和數(shù)字信號(hào)的傳輸通信，其通訊數(shù)據(jù)以每幀10個(gè)字符為單位進(jìn)行傳輸工作，并采用STX作為起始標(biāo)志，ETX作為結(jié)束標(biāo)志，中間部分為命令碼和校驗(yàn)碼，通訊模式通常使用9600bps串口波特率和相同的傳輸數(shù)位，此過程中數(shù)據(jù)的讀寫工作均交由單片機(jī)完成，即將單片機(jī)作為編制通信程序的主機(jī)，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信的需求。

作者：馬婷單位：江蘇省連云港財(cái)經(jīng)高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校