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0 引言

用來控制混凝土 、飼料 、水泥等產品的配料生產工藝過程的配料控制系統(tǒng) , 具有實時 、多任務的控制特點 , 目前經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線 、企業(yè)多個部門的網絡化生產管理中, 生產現場的實時數據需要通過控制電腦 , 再利用服務器上傳到企業(yè)管理層 , 這樣管理層就不能及時掌握生產即時數據 。 本文研究了一種配料控制器 ,服務于以太網 ,在工控機的基礎上 , 利用現場總線技術實時操作系統(tǒng)平臺 、通信協議等定制軟件平臺 ,本質是一個嵌人式系統(tǒng) ,融合軟 、硬件技術 , 可在使用中代替?zhèn)鹘y(tǒng)的工控機+ PLC ,在對生產過程進行控制的過程 中, 同時傳送各個工作

站數據至服務器 ,實現生產控制、信息決策一體化 ,適用于網絡化的過程控制系統(tǒng) 。

 1 控制器的工作原理

混凝土 、飼料 、水泥等配料的生產過程要實現網絡化生產管理 ,需要進行結構分層 ,包括管理層 、控制層 、設備層 。配料控制系統(tǒng)采用本配料控制器后 , 可實現管理層(由企業(yè)各部門如生產調度 、物料管理、財務管理 、總工程師 、總經理等組成)通過中心交換機與下一級的控制網絡連接 , 從而監(jiān)控整個控制系統(tǒng)、提取生產數據 、分析報表;控制層(由工程師、操作員組成)可實現對整個控制系統(tǒng)的程序編制 、數據分析和存儲;設備層 (生產現

場),包括控制器、智能儀表 、1/ 0 模塊及現場總線等 ,各種信號的采集、轉換由智能儀表 、1/ 0 模塊完成 ,控制器則實現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 , 控制生產現場配料 , 采集生產現場電磁閥、稱重傳感器、料斗 、電子皮帶稱等相關控制對象信息 , 再反饋給系統(tǒng) , 完成系統(tǒng)對監(jiān)控對象的控制 ,并將實時生產信息上傳到服務器 。

本文所設計的配料控制器屬于配料行業(yè)的專用控制器 ,具有如下技術特點:是整個配料控制系統(tǒng)的控制核心;本質上是一個嵌人式系統(tǒng) ,設計時需要進行硬件選型 、配置和軟件開發(fā);是基于以太網的分布式控制系統(tǒng) ,可實現實時、多任務控制;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)結構設計

配料控制器相當于是在工控機的基礎上開發(fā)的軟控制器 ,根據工作要求 ,它的邏輯可實時定義 、能基于以太 網絡進行現場數據傳遞 ,實現生產現場控制 、信息決策一體化 。從系統(tǒng)結構來看 , 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 , 在設計過程 中, 為了實現專用控制器特有的硬件體系和軟件結構 ,除了要達到配料生產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)中各個設備互聯和遠程控制的問題 , 即要考慮現場總線的支持能力 、生產數據分析存儲功能 、網絡化功能等 , 還要為后續(xù)的系統(tǒng)升級留有足夠的資源 ,并體現專用控制器的控制響應穩(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 ,因此設計時選擇以工控機為基礎作為硬件平臺, 再開發(fā)定制控半, 推制器制器軟件平 臺。 設計過程中 ,將編譯生成的文件下載到 目標控制器上進行調試運行 , 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 、數據通信線路等 ,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 主站卡可滿足設計要求 。

控制器的硬件選擇以工控機為基礎 ,雖然工控機的質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數據及將解算后產生的控制信息送至生產現場 ?？刂破鞯能浖_發(fā)過程包括系統(tǒng)初始化 、通訊協議制定和信息顯示存儲等 , 包括 3 個模塊 ,各模塊的任務分別是:(l) 系統(tǒng)初始化模塊 , 負責初始化硬件設備、加載應用程序 、將實模式轉換到保護模式 ;(2) 通訊模塊 , 負責解算系統(tǒng)的控制邏輯 ,采集生產數據 ,傳送數據;(3) 信息顯示存儲模塊 ,顯示 、存儲生產數據 。

  2.2.1 系統(tǒng)初始化模塊

設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:初始化硬件設備(由主板 BIOS 和由匯編語言混合編譯生成的程序模塊完成)、加載應用程序(由BootLoader模塊完成)、將實模式轉換到保護模式 (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 , 將啟動控制權交 給初始化引導程序;(2)引導程序 自檢 , 發(fā)現錯誤則報錯且停機;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) 將程序寫人內存 , 完成初始化 。

  

 2.2.2通訊模塊

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

Profibus DP 系統(tǒng)分為主站和從站 :主站決定總線的數據通信 , 當主站得到總線控制權(令牌)時 ,沒有外界的請求也可以主動發(fā)送信息;從站是外圍設備 ,典型的從站包括 1/ 0 裝置 、電磁閥、驅動器、傳感器等設備 , 它們沒有總線控制權 , 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 。 設計過程中,將所設計 的控制器作為主站連接到 ProfibuSDP系統(tǒng)上 , 而生 產配料 現場 的各種 相 關智 能儀 表作 為從 站 。 對Pr ofi bu s主站卡設置過程中 ,將通訊的上位機部分設置為事件激發(fā) , 下位機部分設置為中斷響應 , 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)是主從結構 ,主站對從站擁有操控權和總線控制權 ,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 ,需要嚴格地協調控制各臺配料秤(或各條配料生產線) , 對料位 、流量及時準確地進行監(jiān)控和調節(jié) ,所以在設計過程中,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 ,還具有任務控制 、任務通信、任務同步 、內存管理 、可編程 、標準的輸人/輸出設備接口等功能。

設計中控制器控制方案通過組態(tài)軟件來實現 , 組態(tài)軟件主要解決的問題有:與現場設備之間進行數據采集和數據交換;將采集到的數據與上位機圖形界面的相關部分連接 ;數據報警界限和系統(tǒng)報警;實時數據的在線監(jiān)測;實時數據的存儲 、歷史數據的查詢;應用系統(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。 設計過程中使用 了北京昆侖通態(tài)公司 的MCGS 組態(tài)軟件。

 

 3 結語

本文設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 , 同時利用網絡功能 , 實現了生產實時信息到企業(yè)管理層的即時傳遞 ,具有較好的應用前景 。

 

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