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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(jī)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(jī)+PLC,在對生產(chǎn)過程進(jìn)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).

配料控制器的工作原理

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(jìn)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(jī)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(jìn)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(dāng)于是在工控機(jī)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(jìn)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(dá)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(yuǎn)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(qiáng)大的處理器功能,因此設(shè)計時選擇以工控機(jī)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(biāo)控制器上進(jìn)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(jī)和主站卡,以滿足其信息處理和實時控制的要求.工控機(jī)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FSCesl713VNAIntel845GV芯片集，Pentium4處理器,配以ProfibuS主站卡可滿足設(shè)計要求.控制器的硬件選擇以工控機(jī)為基礎(chǔ),雖然工控機(jī)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(jī)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PCV/ISA總線標(biāo)準(zhǔn),方便添加PCI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IM181和主接口板IM180,使用時,IM18O插人IM181,再裝人工控機(jī)的ISA插槽.IM18O接口模塊主要由專用集成電路APSCZ芯片，SOC165微處理器和FLASHEPROM和雙口RAM組成,它對外有多根仲裁線,使用了IM181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RAM下端8Byte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(fù)責(zé)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.控制器的軟件開發(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(fù)責(zé)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(hù)模式;(2)通訊模塊,負(fù)責(zé)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(jī),而且控制器是在保護(hù)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BI()S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(rèn)或當(dāng)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Profibus主站卡設(shè)置過程中,將通訊的上位機(jī)部分設(shè)置為事件激發(fā),下位機(jī)部分設(shè)置為中斷響應(yīng),即上位機(jī)主動向下位機(jī)發(fā)出指令,下位機(jī)被動接收指令以及反饋執(zhí)行指令情況,在上，下位機(jī)之間形成對話交流模式.ProfibuS主站卡和系統(tǒng)配置完成后,整個ProfibusDP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(yán)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(zhǔn)確地進(jìn)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Nucleu.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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(jī)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.控制器在工作過程中連接一臺安裝了組態(tài)軟件的計算機(jī)或嵌人式一體化觸摸屏,式轉(zhuǎn)換到保護(hù)模式(由匯編語言混合編譯生成的程序模塊完成).控制器系統(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(dǎo)程序;

(2)引導(dǎo)程序自檢,發(fā)現(xiàn)錯誤則報錯且停機(jī);沒有錯誤則禁止中斷,初始化Gl)TR，11)TR表;

(3)建立1/0接口;

4)將程序?qū)懭藘?nèi)存,完成初始化.

配料控制器系統(tǒng)初始化

2.2.2通訊模塊

控制器系統(tǒng)的通訊應(yīng)用了ProfibusDP現(xiàn)場總線技術(shù),工控機(jī)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(jī)主板上添加Profibu.主站卡(IM180)以擴(kuò)展控制器的接口量.ProfibusDP系統(tǒng)分為主站和從站:主站決定總線的數(shù)據(jù)通信,當(dāng)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(rèn)或當(dāng)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Profibus主站卡設(shè)置過程中,將通訊的上位機(jī)部分設(shè)置為事件激發(fā),下位機(jī)部分設(shè)置為中斷響應(yīng),即上位機(jī)主動向下位機(jī)發(fā)出指令,下位機(jī)被動接收指令以及反饋執(zhí)行指令情況,在上，下位機(jī)之間形成對話交流模式.ProfibuS主站卡和系統(tǒng)配置完成后,整個ProfibusDP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(yán)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(zhǔn)確地進(jìn)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Nucleu.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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(jī)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.控制器在工作過程中連接一臺安裝了組態(tài)軟件的計算機(jī)或嵌人式一體化觸摸屏,將控制方案在組態(tài)軟件里進(jìn)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(jī)+PLC模式及傳統(tǒng)的下位機(jī)，上位機(jī)模式,減少了中間環(huán)節(jié),使硬件更加簡潔,優(yōu)化了當(dāng)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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