基于軟PLC的電氣控制器設計

劉興松 楊執中 邊黨偉 秦幸妮 李紅麗

(西北機電工程研究所，陜西 咸陽 712099)

科學技術的發展對電氣控制系統的控制精度、可靠性和快速性提出了更高的要求。而可編程控制器(Programmable Logic Controller，PLC)因具有可靠性高、體積小、功耗低及抗干擾能力強等優點，在電氣控制系統中得到了廣泛的應用[1]。

近年來，由于傳統硬件PLC無通信接口，調試不方便，以傳統硬件PLC為核心設計的電氣控制器將增加外圍電路的復雜性、結構膨大、控制方式復雜。隨著開放式控制系統的發展需求，傳統的硬件PLC表現出兼容性差、抗干擾能力差、不易更改、擴展能力差、可維護性差及成本較高等缺點，這些問題成為制約其發展的主要因素。因此，軟PLC作為一項新興技術，它不僅具有傳統PLC所具有的開關量控制、模擬量控制、數學運算及數值處理等功能，而且還朝網絡化、智能化方向發展，遠超出了傳統PLC涵蓋的范圍[2]。計算機技術的快速發展及工業自動化領域的IEC61131國際標準的推出和實施，極大地促進了軟PLC技術的出現和發展。

因此，選用具有高可靠性、抗干擾能力強、易在線更改、易調試操作、易維護，具有通信接口的新型軟PLC為核心設計電氣控制器將成為發展趨勢。筆者介紹了以軟PLC為核心的電氣控制器的構成、軟硬件設計、特點和應用。

1 電氣控制器的硬件部分①

1.1 主控器的選擇

SPN-MH18型PLC是針對電氣控制系統設計的緊湊的、多功能的新型軟PLC，具有可靠性高、抗干擾能力強、易操作及編程方式靈活等特點，符合IEC61131-3標準的要求[3]。筆者選擇該軟PLC作為電氣控制器核心控制器件，可以采用梯形圖語言、圖形語言和ST文本高級語言3種PLC編程語言編程，在一個項目里可以根據實際需要采用不同的語言編寫程序，且不影響整個程序的編譯和執行。

該軟PLC能夠滿足電氣系統的環境適應性要求：工作溫度為-50～80℃；防護等級為IP67，可以耐受嚴寒、高溫、振動、濕氣及沖擊等惡劣環境，模塊安裝方便而不需要另外的保護措施。開關網絡以硬件方式實現I/O端口的靈活配置，利用編輯環境可以模擬系統實現，同時可以實現在線實時動態調試。因此，該軟PLC非常滿足各種惡劣環境下電氣控制系統的控制器的要求。且該軟PLC具有豐富的片上資源，內含128KByte的數據存儲空間和256KByte的程序存儲空間，為實現復雜的控制算法提供了保障；具有豐富的I/O資源，可滿足系統對外圍信號的采集，具有符合CAN2.0規范的總線接口可以實現同其他單體之間的信息傳遞，幾乎不需要系統擴展即可滿足控制系統對硬件資源的需求。因而，采用該軟PLC為控制核心設計的控制器，不僅可減少元器件的種類和數量，簡化設計，而且可提高系統的可靠性。

1.2 電氣控制器組成

電氣控制器主要由軟PLC和信號轉換電路組成。電氣控制器硬件結構如圖1所示。

圖1 電氣控制器結構

軟PLC的主要功能是通過輸入輸出模塊接收信號轉換電路的輸入信號，以滿足軟PLC的控制運算要求；同時輸出控制信號至信號轉換電路，以驅動各種負載。同時利用CAN通信模塊與上位機進行通信，實現信息的傳遞。

信號轉換電路主要負責接收各種負載信號，把采集到的信號轉換信號類型，送給軟PLC，以滿足軟PLC的功能需求。信號轉換電路的基本原理如圖2所示。

圖2 信號轉換電路基本原理

2 電氣控制器的軟件系統

電氣控制器的軟件開發平臺為CoDeSys。該開發平臺符合IEC61131-3標準，具有穩定的特性和豐富完善的底層函數庫。該軟PLC擁有CoDeSys編程接口，實時操作系統(RTS)和底層引導程序(BootLoader)固化在處理器內部閃存中，CoDeSys應用層固化在外部閃存中，PLC運行時應用程序啟動部分被安裝在外部閃存中，應用程序可以通過CoDeSys或者MOBA CAN2Flash專用工具下裝到控制器中，RTS定時調用應用程序。軟PLC在工作時按照如圖3所示的順序執行。

圖3 軟PLC的執行順序

2.1 PLC軟件功能的實現

電氣控制器軟件采用模塊化設計，主要功能是完成系統初始化，通過中斷方式接收系統外部信號，采集控制信息進行運算并輸出控制量。初始化部分完成對硬件的基本配置，包括I/O口的配置、CAN通信模塊的初始化(包括內存地址的分配、CAN總線端口的初始化以及波特率設置和濾波方式參數的設置)以及PLC程序循環時間的設置等。

電氣控制器的控制程序采用軟PLC中常用的梯形圖語言、指令語言和結構文本語言相結合的方式。軟PLC軟件對系統狀態連續巡查，對來自外部的信號進行檢測，保證系統始終在控制范圍內，發現故障時系統自動報警。在系統工作時，將系統反饋信號與給定信號比較，對差值進行綜合處理，處理后的值作為輸出值送入下一環節，用于對負載的控制[2]。控制系統的軟件流程如圖4所示。

圖4 軟件流程

2.2 CAN通信

電氣控制系統以控制器為節點，利用控制器的CAN通信模塊，通過CAN總線定時向上位機傳送控制系統的工作狀態信息，同時接收上位機傳送給控制系統的指令信息，采用標準CAN2.0通信方式。在發送條件成立時，控制器周期性地通過CAN_IITX功能塊發送數據信息，數據信息中包含數據幀ID號、幀格式、數據長度及數據等信息。當控制器需要接收數據時根據數據幀的ID號決定是否為所需信息，若是則通過CAN_II_BUFF_INIT功能塊把數據接收到緩存中，與內存中的數據比較，若數據有變化，則通過CAN_II_GET_MSG功能模塊取所需的數據信息，對系統進行相應的控制。

利用控制器集成CAN通信模塊中的功能模塊函數進行通信的方式簡單明了，方便開發人員開發調試。

3 工程應用

以軟PLC為核心的控制器具備通信功能、信息存儲功能，采用多種編程方式，程序簡潔；PLC控制器的內部硬件電路與外部接口信號完全隔離，軟件可以設置不同的參數對各種信號進行抗干擾平滑處理，增強了整個控制系統的抗干擾能力。

該電氣控制器的程序執行周期為10ms，集成的CAN通信模塊作為通信工具，實時向上位機提供系統狀態。按筆者提出的方法設計的電氣控制器目前已經成功應用于某電氣控制系統中。

4 結束語

目前，隨著PLC的擴展能力和通信能力的發展，將以高度集成化為一體的軟PLC為發展前景，且以軟PLC為核心的控制器將逐步發展成為一類解決自動化問題的有效而便捷的方式。

筆者采用基于IEC61131-3標準的SPN-MH18 型軟PLC為核心的電氣控制器，簡化了外圍接口設計，降低了成本，提高了工作可靠性；而且其集成化編程開發環境遵循IEC標準，方便用戶的編程和開發，有利于用戶程序在不同的PLC的移植和轉換。