基于CP1H的聯(lián)網(wǎng)通訊控制系統(tǒng)及應(yīng)用

宋 超，鐘世橋

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第四十三研究所，安微合肥230088；2.國家國防科技工業(yè)局軍工項(xiàng)目審核中心，北京10000)

隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，對設(shè)備的控制要求逐步提高。為了實(shí)現(xiàn)一些比較復(fù)雜的控制，需要很多智能儀表、PLC及工業(yè)控制計(jì)算機(jī)等對其進(jìn)行綜合控制。在綜合控制的過程中，這些智能儀表之間，或者儀表與PLC之間，PLC與工業(yè)控制計(jì)算機(jī)之間，都需要交換大量的數(shù)據(jù)和信號(hào)。傳統(tǒng)的控制方式都是一個(gè)信號(hào)用一對接線，接線量大，接線相對復(fù)雜，容易出錯(cuò)，且不易維修。采用RS485通訊的方式來將智能儀表與PLC、工業(yè)控制計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行控制，因?yàn)?路通訊線僅2根，大大簡化了設(shè)備的接線，節(jié)省了硬件開支，而且便于系統(tǒng)維修。極大地方便了設(shè)備的安裝和使用。

盡管通過RS485通訊聯(lián)網(wǎng)的控制方式使得設(shè)備的可靠性大為提高，也提高了設(shè)備在現(xiàn)場的安裝調(diào)試的效率。但是，系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)卻相當(dāng)復(fù)雜。如目前中國電子科技集團(tuán)公司第四十三研究所一部使用的某設(shè)備，為德國進(jìn)口，價(jià)格高昂。并且由于中國電子科技集團(tuán)公司第四十三研究所一部為軍工生產(chǎn)線，所用設(shè)備依賴進(jìn)口缺乏供給保障的可靠性。

在上述應(yīng)用背景下，本文設(shè)計(jì)了一種使用OMRON公司CP1H作為控制核心的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)通過通訊聯(lián)網(wǎng)的控制方式來控制一臺(tái)熱板真空干燥設(shè)備。

1 系統(tǒng)方案及硬件設(shè)計(jì)

該設(shè)備的控制部分要求可以設(shè)置工藝曲線，工藝曲線包括步驟號(hào)、溫度目標(biāo)值、步驟結(jié)束條件(包括：時(shí)間，溫度，壓強(qiáng)&溫度)、持續(xù)時(shí)間、充抽氣(選擇抽真空或充氮?dú)?、真空度、溫度警戒線(包括上限和下限)。

步驟結(jié)束條件決定了該步驟何時(shí)中止。例如：若選擇“時(shí)間”為控制條件，則不論溫度是否升到設(shè)定值，不論真空度是否達(dá)到設(shè)定值，當(dāng)?shù)竭_(dá)設(shè)定時(shí)間，該步驟都會(huì)中止并轉(zhuǎn)向下一步驟；若選擇“壓強(qiáng)&溫度”作為控制條件，則壓強(qiáng)、溫度都到達(dá)設(shè)定值后開始計(jì)時(shí)，時(shí)間達(dá)到“持續(xù)時(shí)間”設(shè)定的值后，該步驟中止并轉(zhuǎn)向下一步驟。

整條工藝曲線要求可設(shè)定步驟超過1000步，并且能夠存儲(chǔ)多條不同的工藝曲線。

根據(jù)該設(shè)備的控制要求，設(shè)計(jì)系統(tǒng)如圖1所示：

圖1 控制系統(tǒng)框圖

整個(gè)系統(tǒng)以PLC為核心構(gòu)成。可以分為溫度控制系統(tǒng)、真空控制系統(tǒng)和人機(jī)交互系統(tǒng)三個(gè)子系統(tǒng)。

PLC選用OMRON公司的CP1H，該機(jī)型指令處理速度快，基本指令0.1μs，特殊指令0.3μs；程序容量大，可達(dá)20K步。具有兩個(gè)通訊端口，支持2路RS232/422或4路RS485通訊，完全滿足本控制系統(tǒng)的要求。

溫度控制系統(tǒng)由5臺(tái)溫控儀、5塊固態(tài)繼電器模塊、5組加熱元件和5只熱電偶共同組成。溫控儀選用日本島電生產(chǎn)的SR94智能溫控儀。0.3級(jí)控制精度、自帶二組專家PID參數(shù)、兩路報(bào)警和事件輸出，以及通訊功能。

真空控制系統(tǒng)由一臺(tái)真空計(jì)、一臺(tái)真空泵，一只充氣電磁閥和一只抽氣電磁閥組成。真空計(jì)采用DZA1(ZDZD1)08真空計(jì)。采用美國AD公司16位高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及高穩(wěn)定微處理機(jī)監(jiān)控新型線路及ZJ-52金屬電阻規(guī)管(國外稱皮拉尼規(guī))，并帶有自選通訊模塊。

人機(jī)交互系統(tǒng)由研華工業(yè)控制計(jì)算機(jī)及液晶顯示屏組成。在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行VB編寫的上位機(jī)程序，可以進(jìn)行溫度曲線存儲(chǔ)、溫度控制、設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測與記錄、異常報(bào)警以及各控制參數(shù)修改等功能的操作。

溫度控制系統(tǒng)與真空控制系統(tǒng)分別獨(dú)立完成對溫度和真空度的控制，然后實(shí)時(shí)與PLC保持通訊，將測量值傳輸給PLC。PLC再根據(jù)所執(zhí)行的工藝程序來進(jìn)行干預(yù)，將控制數(shù)據(jù)傳輸給各個(gè)智能儀表。同時(shí)PLC將檢測數(shù)據(jù)通訊給工業(yè)計(jì)算機(jī)，用來做人機(jī)界面顯示和數(shù)據(jù)記錄。

2 軟件設(shè)計(jì)

軟件共分為兩個(gè)部分，PLC部分和上位機(jī)VB部分。

2.1 PLC部分

PLC是實(shí)現(xiàn)控制的核心，負(fù)責(zé)執(zhí)行工藝曲線、數(shù)據(jù)傳輸?shù)取３绦蛟O(shè)計(jì)采用模塊式設(shè)計(jì)方法，將不同結(jié)束條件的程序步驟分別單獨(dú)寫成子程序，例如：以“時(shí)間”為結(jié)束條件的程序步驟，編號(hào)為1號(hào)子程序，然后通過調(diào)用步驟1來執(zhí)行此段子程序。這樣，通過將不同的步驟編號(hào)組合起來，就形成了工藝曲線程序。由于PLC的內(nèi)存量大，最多可支持2 000步工藝曲線程序。

工藝曲線程序通過上位機(jī)編寫，并且存儲(chǔ)于上位機(jī)中。當(dāng)需要執(zhí)行時(shí)，通過計(jì)算機(jī)與PLC通訊，將曲線下載到PLC中，由PLC開始執(zhí)行。

圖2 程序啟動(dòng)流程圖

如圖2所示，PLC和智能儀表初始化結(jié)束以后，首先判斷設(shè)備處于自動(dòng)運(yùn)行還是手動(dòng)運(yùn)行模式下，若處于自動(dòng)運(yùn)行模式下，則開始自動(dòng)調(diào)用工藝程序中的當(dāng)前執(zhí)行段程序。調(diào)用當(dāng)前執(zhí)行段程序后，PLC將相關(guān)參數(shù)下傳到各個(gè)儀表中，并驅(qū)動(dòng)相應(yīng)器件開始工作。然后判斷是否達(dá)到當(dāng)前段執(zhí)行結(jié)束條件。若不滿足條件，繼續(xù)執(zhí)行本段程序，然后再次判斷；若滿足結(jié)束條件，則調(diào)用下一段程序，直到程序結(jié)束符出現(xiàn)為止。

程序在執(zhí)行過程中，PLC同時(shí)要與5塊SR94，1臺(tái)真空計(jì)，1臺(tái)計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊。由于RS485通訊為單工通訊，在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)就不能接收數(shù)據(jù)，反之也一樣。如果不進(jìn)行合理安排，那么在收發(fā)數(shù)據(jù)過程中，必然會(huì)產(chǎn)生沖突。因此，將SR94和真空計(jì)地址依次編為1～6。在工作時(shí)，如圖2所示，在調(diào)用程序段之初，按照地址順序，將所有參數(shù)下傳至儀表。每寫一個(gè)參數(shù)到一塊儀表，都要等待其應(yīng)答，若應(yīng)答錯(cuò)誤，則重復(fù)寫入指令。若重復(fù)若干次之后仍無正確應(yīng)答，則將此儀表標(biāo)記為通訊失敗并跳過此塊儀表寫此參數(shù)到下一塊儀表。等所有儀表寫完，再次寫通訊失敗的儀表，若再次失敗，則返回通訊失敗信號(hào)而中止程序并發(fā)出報(bào)警。在寫參數(shù)到儀表中時(shí)，中斷讀取儀表測量值的通訊過程。當(dāng)下傳數(shù)據(jù)結(jié)束以后，按照地址順序循環(huán)讀取測量值。讀取儀表測量值時(shí)，若某塊儀表讀取失敗，則忽略此儀表，讀取下一地址的數(shù)據(jù)。同時(shí)，PLC對計(jì)算機(jī)采取被動(dòng)通訊，即由計(jì)算機(jī)讀取PLC，這樣，計(jì)算機(jī)按照固定的周期掃描PLC的數(shù)據(jù)內(nèi)存區(qū)，進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄，與PLC對儀表的通訊互不干擾。

PLC選擇無協(xié)議通訊模式，使用RXD/TXD通訊指令，按照智能儀表和真空計(jì)各自的通訊協(xié)議收發(fā)數(shù)據(jù)進(jìn)行通訊。PLC與計(jì)算機(jī)之間采用HostLink連接方式，以計(jì)算機(jī)主動(dòng)、PLC被動(dòng)的方式進(jìn)行通訊。

2.2 VB部分

該設(shè)備的工藝曲線程序，在計(jì)算機(jī)內(nèi)被定義為“烘烤文件”以便存儲(chǔ)、調(diào)用。

2.2.1 關(guān)于調(diào)用“烘烤文件”

(1)可以調(diào)用、新建、編輯、存檔、修改單獨(dú)的“烘烤文件”。

(2)被調(diào)出的每個(gè)烘烤文件應(yīng)包含：設(shè)置該烘烤文件的名稱、通過該文件可以新建其他文件、可以修改(增加、刪除、修改)本文件的任何內(nèi)容、“烘烤文件”的主要部分是對烘烤條件的設(shè)置(包括：步驟號(hào)，烘烤溫度，持續(xù)時(shí)間，抽充氣，真空度，溫度警戒線)。

2.2.2 關(guān)于烘烤啟動(dòng)界面(見圖3)

圖3 軟件主界面

(1)可以實(shí)時(shí)顯示該烘箱五層熱板每層熱板的溫度、壓強(qiáng)、當(dāng)前執(zhí)行烘烤文件名稱、當(dāng)前執(zhí)行的程序段序號(hào)及剩余時(shí)間；

(2)可以隨時(shí)啟動(dòng)/中止“烘烤文件”。調(diào)用任意的“烘烤文件”；

(3)如果設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)異常則報(bào)警，并可以根據(jù)情況自行切斷該烘箱的電源。

2.2.3 關(guān)于數(shù)據(jù)記錄

可以連續(xù)記錄每天以來的烘箱的相關(guān)情況(包括烘箱開始運(yùn)行的時(shí)間，中止的時(shí)間，溫度、壓強(qiáng)和報(bào)警中斷情況)。每天為一個(gè)周期，每個(gè)周期的數(shù)據(jù)OFFICE ACCESS的形式存儲(chǔ)在固定的文件夾中。

2.2.4 關(guān)于使用權(quán)限

權(quán)限由高到低分為管理員和操作員兩個(gè)等級(jí)，可分別設(shè)置賬號(hào)和密碼。管理員可以增加和刪除所有帳戶。操作員不能執(zhí)行帳戶的增加和刪除。管理員可以執(zhí)行“烘烤文件”的所有內(nèi)容。操作員只能調(diào)用“烘烤文件”但不能修改、新建或刪除“烘烤文件”。

3 結(jié)論

本文介紹了一種基于ONRON的CP1H型PLC的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)通過通訊聯(lián)網(wǎng)的控制方式來控制一臺(tái)熱板真空干燥設(shè)備。使得設(shè)備的可靠性大為提高，也提高了設(shè)備在現(xiàn)場的安裝調(diào)試的效率。從設(shè)備的現(xiàn)場應(yīng)用來看，效果極佳。

[1]宋伯生.PLC編程實(shí)用指南[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[2][美]Richard Mansfield.廖衛(wèi)東.趙軍譯.Visual Basic 4.0編程手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社.1996.

[3]實(shí)用電工手冊[M].江西科學(xué)技術(shù)出版社.1992.

[4]胡壽松.自動(dòng)控制原理(第五版)[M].北京：科學(xué)出版社.2007.