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0 引言

用來控制混凝土 、飼料 、水泥等產(chǎn)品的配料生產(chǎn)工藝過程的配料控制系統(tǒng) , 具有實時 、多任務(wù)的控制特點 , 目前經(jīng)常利用可編程邏輯控制器(PLC )作為核心控制裝置 , 但是在包括多條生產(chǎn)線 、企業(yè)多個部門的網(wǎng)絡(luò)化生產(chǎn)管理中, 生產(chǎn)現(xiàn)場的實時數(shù)據(jù)需要通過控制電腦 , 再利用服務(wù)器上傳到企業(yè)管理層 , 這樣管理層就不能及時掌握生產(chǎn)即時數(shù)據(jù) 。 本文研究了一種配料控制器 ,服務(wù)于以太網(wǎng) ,在工控機的基礎(chǔ)上 , 利用現(xiàn)場總線技術(shù)實時操作系統(tǒng)平臺 、通信協(xié)議等定制軟件平臺 ,本質(zhì)是一個嵌人式系統(tǒng) ,融合軟 、硬件技術(shù) , 可在使用中代替?zhèn)鹘y(tǒng)的工控機+ PLC ,在對生產(chǎn)過程進行控制的過程 中, 同時傳送各個工作

站數(shù)據(jù)至服務(wù)器 ,實現(xiàn)生產(chǎn)控制、信息決策一體化 ,適用于網(wǎng)絡(luò)化的過程控制系統(tǒng) 。

 1 控制器的工作原理

混凝土 、飼料 、水泥等配料的生產(chǎn)過程要實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化生產(chǎn)管理 ,需要進行結(jié)構(gòu)分層 ,包括管理層 、控制層 、設(shè)備層 。配料控制系統(tǒng)采用本配料控制器后 , 可實現(xiàn)管理層(由企業(yè)各部門如生產(chǎn)調(diào)度 、物料管理、財務(wù)管理 、總工程師 、總經(jīng)理等組成)通過中心交換機與下一級的控制網(wǎng)絡(luò)連接 , 從而監(jiān)控整個控制系統(tǒng)、提取生產(chǎn)數(shù)據(jù) 、分析報表;控制層(由工程師、操作員組成)可實現(xiàn)對整個控制系統(tǒng)的程序編制 、數(shù)據(jù)分析和存儲;設(shè)備層 (生產(chǎn)現(xiàn)

場),包括控制器、智能儀表 、1/ 0 模塊及現(xiàn)場總線等 ,各種信號的采集、轉(zhuǎn)換由智能儀表 、1/ 0 模塊完成 ,控制器則實現(xiàn)邏輯控制回路的處理 。

作為整個配料控制系統(tǒng)的核心 , 配料控制器 的工作原理是:通過對系統(tǒng)輸入和操作指令的分析 、處理 ,接受系統(tǒng)的控制指令 ,輸出控制信號 , 控制生產(chǎn)現(xiàn)場配料 , 采集生產(chǎn)現(xiàn)場電磁閥、稱重傳感器、料斗 、電子皮帶稱等相關(guān)控制對象信息 , 再反饋給系統(tǒng) , 完成系統(tǒng)對監(jiān)控對象的控制 ,并將實時生產(chǎn)信息上傳到服務(wù)器 。

本文所設(shè)計的配料控制器屬于配料行業(yè)的專用控制器 ,具有如下技術(shù)特點:是整個配料控制系統(tǒng)的控制核心;本質(zhì)上是一個嵌人式系統(tǒng) ,設(shè)計時需要進行硬件選型 、配置和軟件開發(fā);是基于以太網(wǎng)的分布式控制系統(tǒng) ,可實現(xiàn)實時、多任務(wù)控制;具有專用控制器控制穩(wěn)定 、運行效率高的特點 。

 

 2 控制器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

配料控制器相當于是在工控機的基礎(chǔ)上開發(fā)的軟控制器 ,根據(jù)工作要求 ,它的邏輯可實時定義 、能基于以太 網(wǎng)絡(luò)進行現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳遞 ,實現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場控制 、信息決策一體化 。從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來看 , 該配料控制器實際上是一個嵌人式系統(tǒng) ,融合了軟 、硬件技術(shù) , 在設(shè)計過程 中, 為了實現(xiàn)專用控制器特有的硬件體系和軟件結(jié)構(gòu) ,除了要達到配料生產(chǎn)過程中各特定對象如電磁閥、智能儀表等的控制要求 ,還要解決整個控制系統(tǒng)中各個設(shè)備互聯(lián)和遠程控制的問題 , 即要考慮現(xiàn)場總線的支持能力 、生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析存儲功能 、網(wǎng)絡(luò)化功能等 , 還要為后續(xù)的系統(tǒng)升級留有足夠的資源 ,并體現(xiàn)專用控制器的控制響應(yīng)穩(wěn)定 、運行效率高的特點。

由于 PC 平臺具有豐富的軟件支持和強大的處理器功能 ,因此設(shè)計時選擇以工控機為基礎(chǔ)作為硬件平臺, 再開發(fā)定制控半, 推制器制器軟件平 臺。 設(shè)計過程中 ,將編譯生成的文件下載到 目標控制器上進行調(diào)試運行 , 成功后再將控制器投人正常工作。 

 

 2.1控制器的硬件設(shè)計

控制器硬件包括工控機和主站卡 , 以滿足其信息處理和實時控制的要求 。工控機包括主板 、電源模塊 、數(shù)據(jù)通信線路等 ,主板 的 配 置 是 研 祥 FSC esl713VNA Intel 845 G V 芯 片 集 、P entium 4 處理器 , 配以 P rofibuS 主站卡可滿足設(shè)計要求 。

控制器的硬件選擇以工控機為基礎(chǔ) ,雖然工控機的質(zhì)量和體積相對來說都稍大 , 但它有重要優(yōu)勢:工控機 自身電源具有多電壓直流輸出能力, 可以為其他設(shè)備(例如主站卡)供 電;主板完全兼容 P CV /I SA 總線標準 , 方便添加 P CI 功能板卡;接上顯示器即可方便程序的移植。

Profibus 主站卡包括母板IM 181 和主接口板 IM 180 ,使用時 , IM 18O 插人 IM 181 , 再裝 人 工 控 機 的 IS A插 槽 。IM 18 O 接 口模塊 主要 由專用集 成 電 路A PSC Z 芯 片 、SOC 165 微 處 理 器 和 F LA SHE PR O M 和 雙 口 R A M組 成 ,它對外有多根仲裁線 , 使用了IM 18 1 后 ,其外部讀寫仲裁線只能從寄存器內(nèi)讀取 , 寄存器要占雙端口RA M 下端 8 Byt e的空間。

 

 2.2控制器的軟件設(shè)計

控制器在整個系統(tǒng)中的功能主要有:是配料控制系統(tǒng)的核心 、負責解算組態(tài)邏輯 、通過主站卡采集生產(chǎn)數(shù)據(jù)及將解算后產(chǎn)生的控制信息送至生產(chǎn)現(xiàn)場 ?？刂破鞯能浖_發(fā)過程包括系統(tǒng)初始化 、通訊協(xié)議制定和信息顯示存儲等 , 包括 3 個模塊 ,各模塊的任務(wù)分別是:(l) 系統(tǒng)初始化模塊 , 負責初始化硬件設(shè)備、加載應(yīng)用程序 、將實模式轉(zhuǎn)換到保護模式 ;(2) 通訊模塊 , 負責解算系統(tǒng)的控制邏輯 ,采集生產(chǎn)數(shù)據(jù) ,傳送數(shù)據(jù);(3) 信息顯示存儲模塊 ,顯示 、存儲生產(chǎn)數(shù)據(jù) 。

  2.2.1 系統(tǒng)初始化模塊

設(shè)計中所用的基本硬件是工控機 , 而且控制器是在保護模式下工作的 ,所以控制器的系統(tǒng)初始化主要完成 3 項任務(wù):初始化硬件設(shè)備(由主板 BIOS 和由匯編語言混合編譯生成的程序模塊完成)、加載應(yīng)用程序(由BootLoader模塊完成)、將實模式轉(zhuǎn)換到保護模式 (由匯編語言混合編譯生成的程序模塊完 成)?？刂破飨到y(tǒng)初始化的過程是 :( 1) 主 板 BIOS 自檢 , 將啟動控制權(quán)交 給初始化引導程序;(2)引導程序 自檢 , 發(fā)現(xiàn)錯誤則報錯且停機;沒有錯誤則 禁 止 中 斷 , 初 始 化GDT R 、IDT R 表;(3) 建立 1/ 0 接口;(4) 將程序?qū)懭藘?nèi)存 , 完成初始化 。

  

 2.2.2通訊模塊

控制器系統(tǒng)的通訊應(yīng)用了 Prof ibus DP 現(xiàn)場總線技術(shù) , 工控機本身帶有串口,而且都是 RS一232 串口, 數(shù)量也有限, 設(shè)計過程 中 , 在工控機主板 上添加 Profibu 。主站 卡 (IM 180) 以擴 展控制器的接 口數(shù)量 。

Profibus DP 系統(tǒng)分為主站和從站 :主站決定總線的數(shù)據(jù)通信 , 當主站得到總線控制權(quán)(令牌)時 ,沒有外界的請求也可以主動發(fā)送信息;從站是外圍設(shè)備 ,典型的從站包括 1/ 0 裝置 、電磁閥、驅(qū)動器、傳感器等設(shè)備 , 它們沒有總線控制權(quán) , 只對接收到的信息給予確認或當主站發(fā)出請求時向它發(fā)送信息 。 設(shè)計過程中,將所設(shè)計 的控制器作為主站連接到 ProfibuSDP系統(tǒng)上 , 而生 產(chǎn)配料 現(xiàn)場 的各種 相 關(guān)智 能儀 表作 為從 站 。 對Pr ofi bu s主站卡設(shè)置過程中 ,將通訊的上位機部分設(shè)置為事件激發(fā) , 下位機部分設(shè)置為中斷響應(yīng) , 即上位機主動向下位機發(fā)出指令 ,下位機被動接收指令以及反饋執(zhí)行指令情況 , 在上 、下位機之間形成對話交流模式 。Pr of ibu S主站卡和系統(tǒng)配置完成后 , 整個 Pro fibus D P 系統(tǒng)是主從結(jié)構(gòu) ,主站對從站擁有操控權(quán)和總線控制權(quán) ,從站在主站的控制下使用總線以及正常工作 。

 2.2.3信息顯示存儲模塊

配料控制器在正常工作過程中 ,需要嚴格地協(xié)調(diào)控制各臺配料秤(或各條配料生產(chǎn)線) , 對料位 、流量及時準確地進行監(jiān)控和調(diào)節(jié) ,所以在設(shè)計過程中,選擇了實時性 良好的 Nucleus實時操作系統(tǒng) 。Nucleus實時操作系統(tǒng)除了具有普通操作系統(tǒng)的功能 ,還具有任務(wù)控制 、任務(wù)通信、任務(wù)同步 、內(nèi)存管理 、可編程 、標準的輸人/輸出設(shè)備接口等功能。

設(shè)計中控制器控制方案通過組態(tài)軟件來實現(xiàn) , 組態(tài)軟件主要解決的問題有:與現(xiàn)場設(shè)備之間進行數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)交換;將采集到的數(shù)據(jù)與上位機圖形界面的相關(guān)部分連接 ;數(shù)據(jù)報警界限和系統(tǒng)報警;實時數(shù)據(jù)的在線監(jiān)測;實時數(shù)據(jù)的存儲 、歷史數(shù)據(jù)的查詢;應(yīng)用系統(tǒng)運行是否穩(wěn)定可靠 ?？刂破髟诠ぷ鬟^程中連接一臺安裝了組態(tài)軟件的計算機或嵌人式一體化觸摸屏 ,將控制方案在組態(tài)軟件里進行編輯 , 生成的程序下載到控制器硬盤中運行實現(xiàn)。 設(shè)計過程中使用 了北京昆侖通態(tài)公司 的MCGS 組態(tài)軟件。

 

 3 結(jié)語

本文設(shè)計的配料控制器是一款專為混凝土 、飼料 、水泥等配料過程設(shè)計的控制器 ,可在配料控制系統(tǒng)中取代傳統(tǒng)的工控機+ PLC模式及傳統(tǒng)的下位機 、上位機模式 ,減少了中間環(huán)節(jié) ,使硬件更加簡潔 ,優(yōu)化了當前配料行業(yè)通常采用 PLC 作為控制器的單一體系 , 同時利用網(wǎng)絡(luò)功能 , 實現(xiàn)了生產(chǎn)實時信息到企業(yè)管理層的即時傳遞 ,具有較好的應(yīng)用前景 。

 

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