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0引言
用來(lái)控制混凝土、飼料、水泥等產(chǎn)品的配料生產(chǎn)工藝過(guò)程的配料控制系統(tǒng),具有實(shí)時(shí)、多任務(wù)的控制特點(diǎn),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(gè)部門(mén)的網(wǎng)絡(luò)化生產(chǎn)管理中,生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)需要通過(guò)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(shí)掌握生產(chǎn)即時(shí)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(chǎng)總線技術(shù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)平臺(tái)、通信協(xié)議等定制軟件平臺(tái),本質(zhì)是一個(gè)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(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行控制的過(guò)程中,同時(shí)傳送各個(gè)工作站數(shù)據(jù)至服務(wù)器,實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)控制、信息決策一體化,適用于網(wǎng)絡(luò)化的過(guò)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(guò)程要實(shí)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(shí)現(xiàn)管理層(由企業(yè)各部門(mén)如生產(chǎn)調(diào)度、物料管理、財(cái)務(wù)管理、總工程師、總經(jīng)理等組成)通過(guò)中心交換機(jī)與下一級(jí)的控制網(wǎng)絡(luò)連接,從而監(jiān)控整個(gè)控制系統(tǒng)、提取生產(chǎn)數(shù)據(jù)、分析報(bào)表;控制層(由工程師、操作員組成)可實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)的程序編制、數(shù)據(jù)分析和存儲(chǔ);設(shè)備層(生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)),包括控制器、智能儀表、1/0模塊及現(xiàn)場(chǎng)總線等,各種信號(hào)的采集、轉(zhuǎn)換由智能儀表、1/0模塊完成,控制器則實(shí)現(xiàn)邏輯控制回路的處理。
作為整個(gè)配料控制系統(tǒng)的核心,配料控制器的工作原理是:通過(guò)對(duì)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(hào),控制生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)配料,采集生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)電磁閥、稱重傳感器、料斗、電子皮帶稱等相關(guān)控制對(duì)象信息,再反饋給系統(tǒng),完成系統(tǒng)對(duì)監(jiān)控對(duì)象的控制,并將實(shí)時(shí)生產(chǎn)信息上傳到服務(wù)器。
本文所設(shè)計(jì)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(diǎn):是整個(gè)配料控制系統(tǒng)的控制核心;本質(zhì)上是一個(gè)嵌人式系統(tǒng),設(shè)計(jì)時(shí)需要進(jìn)行硬件選型、配置和軟件開(kāi)發(fā);是基于以太網(wǎng)的分布式控制系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、多任務(wù)控制;具有專用控制器控制穩(wěn)定、運(yùn)行效率高的特點(diǎn)。
2控制器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
配料控制器相當(dāng)于是在工控機(jī)的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的軟控制器,根據(jù)工作要求,它的邏輯可實(shí)時(shí)定義、能基于以太網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)傳遞,實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)控制、信息決策一體化。從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來(lái)看,該配料控制器實(shí)際上是一個(gè)嵌人式系統(tǒng),融合了軟、硬件技術(shù),在設(shè)計(jì)過(guò)程中,為了實(shí)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(guò)程中各特定對(duì)象如電磁閥、智能儀表等的控制要求,還要解決整個(gè)控制系統(tǒng)中各個(gè)設(shè)備互聯(lián)和遠(yuǎn)程控制的問(wèn)題,即要考慮現(xiàn)場(chǎng)總線的支持能力、生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析存儲(chǔ)功能、網(wǎng)絡(luò)化功能等,還要為后續(xù)的系統(tǒng)升級(jí)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(yùn)行效率高的特點(diǎn)。
由于PC平臺(tái)具有豐富的軟件支持和強(qiáng)大的處理器功能,因此設(shè)計(jì)時(shí)選擇以工控機(jī)為基礎(chǔ)作為硬件平臺(tái),再開(kāi)發(fā)定制控半,推制器制器軟件平臺(tái)。設(shè)計(jì)過(guò)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(yùn)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(jì)
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(shí)時(shí)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(jì)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(duì)來(lái)說(shuō)都稍大,但它有重要優(yōu)勢(shì):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(shí),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(duì)外有多根仲裁線,使用了IM181后,其外部讀寫(xiě)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(jì)
控制器在整個(gè)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(guò)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(chǎng)?？刂破鞯能浖_(kāi)發(fā)過(guò)程包括系統(tǒng)初始化、通訊協(xié)議制定和信息顯示存儲(chǔ)等,包括3個(gè)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(shí)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(chǔ)模塊,顯示、存儲(chǔ)生產(chǎn)數(shù)據(jù)。
2.2.1系統(tǒng)初始化模塊
設(shè)計(jì)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(xiàng)任務(wù):初始化硬件設(shè)備(由主板BIOS和由匯編語(yǔ)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(shí)模式轉(zhuǎn)換到保護(hù)模式(由匯編語(yǔ)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(guò)程是:(1)主板BIOS自檢,將啟動(dòng)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(cuò)誤則報(bào)錯(cuò)且停機(jī);沒(méi)有錯(cuò)誤則禁止中斷,初始化GDTR、IDTR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ProfibusDP現(xiàn)場(chǎng)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(jì)過(guò)程中,在工控機(jī)主板上添加Profibu。主站卡(IM180)以擴(kuò)展控制器的接口數(shù)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(shí),沒(méi)有外界的請(qǐng)求也可以主動(dòng)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(dòng)器、傳感器等設(shè)備,它們沒(méi)有總線控制權(quán),只對(duì)接收到的信息給予確認(rèn)或當(dāng)主站發(fā)出請(qǐng)求時(shí)向它發(fā)送信息。設(shè)計(jì)過(guò)程中,將所設(shè)計(jì)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(chǎng)的各種相關(guān)智能儀表作為從站。對(duì)Profibus主站卡設(shè)置過(guò)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(dòng)向下位機(jī)發(fā)出指令,下位機(jī)被動(dòng)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(duì)話交流模式。ProfibuS主站卡和系統(tǒng)配置完成后,整個(gè)ProfibusDP系統(tǒng)是主從結(jié)構(gòu),主站對(duì)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(chǔ)模塊
配料控制器在正常工作過(guò)程中,需要嚴(yán)格地協(xié)調(diào)控制各臺(tái)配料秤(或各條配料生產(chǎn)線),對(duì)料位、流量及時(shí)準(zhǔn)確地進(jìn)行監(jiān)控和調(diào)節(jié),所以在設(shè)計(jì)過(guò)程中,選擇了實(shí)時(shí)性良好的Nucleus實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。Nucleus實(shí)時(shí)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(jì)中控制器控制方案通過(guò)組態(tài)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn),組態(tài)軟件主要解決的問(wèn)題有:與現(xiàn)場(chǎng)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(bào)警界限和系統(tǒng)報(bào)警;實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的在線監(jiān)測(cè);實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、歷史數(shù)據(jù)的查詢;應(yīng)用系統(tǒng)運(yùn)行是否穩(wěn)定可靠?？刂破髟诠ぷ鬟^(guò)程中連接一臺(tái)安裝了組態(tài)軟件的計(jì)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(pán)中運(yùn)行實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)過(guò)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(yǔ)
本文設(shè)計(jì)的配料控制器是一款專為混凝土、飼料、水泥等配料過(guò)程設(shè)計(jì)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(jiǎn)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(shí)利用網(wǎng)絡(luò)功能,實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)實(shí)時(shí)信息到企業(yè)管理層的即時(shí)傳遞,具有較好的應(yīng)用前景。

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