国产化可编程控制装置的开发研究:可编程中央控制系统

　　摘 要：可编程序控制器（PLC）是电气控制领域的一项关键技术。我国的PLC技术起步晚，目前大多数引进国外产品。而在我国，很多工业控制现场（比如中、小型水电站）综合自动化系统只需简单的顺序控制，这就造成了引进装置的功能、费用浪费。基于此目的研制出投资少，功能简单的可编程控制装置，应用于小水电站等工业控制中具有现实意义。
　　关键词：可编程控制装置 小水电站 自动化
　　
　　前言
　　可编程控制器(PLC)是以计算机为基础的专用控制装置。相比国外而言，我国的PLC技术比较薄弱。我国的PLC装置生产厂家不能形成一定的规模，但在工业应用方面很灵活，大部分采用国外的PLC产品。尤其是我国的大中型水电站，一般强调采用国外PLC技术，因其具有完善可靠的自动控制功能，以及能够自动起、停甚至事故自动停机等功能。小水电站与大中型水电站的条件有所区别，小水电站的工业现场相对较简单，对PLC的功能要求相对较简单。从而，引进国外的PLC装置提高了成本，同时造成了功能上的浪费。所以，开发一项我国自主研制的应用于小型水电站等不复杂工业现场的PLC装置将十分有意义。
　　一、可编程控制器的设计研究
　　本装置的开发主要针对中小型水电站控制系统，完成对现场测量信号（转速、温度、电量、非电量（模拟量和开关量））的处理和对现场设备的控制（即开关量输出信号）。采用模块化设计、总线结构、方便功能扩展。采用先进的处理芯片进行数据处理，使装置不仅能进行逻辑运算、计数、控制、定时等功能、而且能提高数据处理速度、抗干扰能力等。通过串口RS232、RS485完成与上位机的实时监控。板间通讯通过CPU的控制信号进行。
　　（一）装置功能模块设计
　　小水电可编程控制器装置采用模块化结构，由CPU（主控板）模块，电源模块，I/O（开入/开出）模块，A/D模块，各模块均通过背板上的系统总线相互连接起来构成一个系统。CPU、电源模块为装置的核心组成，CPU为开入、开出、A/D模块共设计了8个扩展位置，在这8个位置上可任意配置开入、开出和AD插件。装置使用19寸4U标准机箱。机箱后部采用16PIN凤凰端子17条和RS485、CAN、GPS接线端口。每块开关量输入输出板都具有30路开入或者开出。每块板卡都具有标准的硬件方式，便于用户的安装和使用。
　　整个装置的信号流图如图2-1：
　　图1-1：装置信号流图
　　1.主控板模块设计简介
　　PLC主控板是装置的基本插件之一，固定在装置的第五个插槽中，是装置软硬件的核心。主控板负责协调所有软、硬件关系和各项控制任务，如完成I/O信号处理、控制计算、与网络通信控制处理功能。主控板的性能将直接影响系统功能的可用性、实时性、可维护性和可靠性。
　　（1）主控板的运行方式有三种方式：运行方式、编程方式、监视方式。
　　1）运行方式 监控程序首先命令运行信号灯亮，然后进入开机处理程序。先输入采样信号，进入语句执行准备程序。取语句、分析语句和执行语句，直到结束指令为止。同时，进行两个运行中的判断。一是判断标志寄存器中的信息，是否允许输出。如允许，调用输出刷新新程序。如不允许，调用关闭输出程序，运行处理结束。二是判断是否要关机。如要关机，监控转入停机处理。如不停机，又进入运行管理。在停机处理中，关闭运行指示信号灯，保存内存内容，关闭输出，启用判别工作方式程序，以便响应用户对工作方式的选择。
　　2）编程方式 监控程序先进行编程准备，进行编程初始化，进行键盘操作准备工作。调用键盘操作入口程序；调用显示程序；调用键盘扫描程序；调用按键译码、分类、处理程序，进行在线编程。编程结束，返回到开机处理程序。
　　3）监视方式 在硬件系统中设置了时间监视器（WDT），又称看门狗、来辅助自诊断。在每次扫描前，WDT均复位。如果CPU出现故障，或用户程序执行时间超过，即超过WDT对扫描周期时间的设定值，PLC就不能进行复位操作，则说明了系统硬件或用户程序发生了故障，使扫描周期超时，WDT自动发出故障报警信号，PLC停止运行。WDT监视时间设定值一般为扫描周期时间的2～3倍，约为100～200ms，用户可根据实际运行时间予以设定。
　　（2）主控板结构
　　主控板由中央处理器、存储器、标准电源、通信接口等组成。中央处理器是PLC主机模块的心脏和大脑，本装置的中央处理器采用Motorola公司生产的高性价比、低功耗的16位定点DSP56800系列中的DSP56F807，该芯片是具有极高的处理数据的能力，能更快更准确的执行算术运算和逻辑运算。同时主控板上有译码器、时序发生器和操作控制器等元器件，负责译制二进制代码并调用，发出控制信号、协调各个部分的正常工作。主控模块的设计要考虑用户程序存储器的容量，存储器的容量与输入/输出点数。数据处理的数量、程序的复杂度等因素。
　　主控板前端有LED显示，用户可以通过其直观的分析装置的模式。
　　1）运行模式：即装置处于正常的运行状况，用户编写的程序被循环执行。
　　2）服务模式：即当用户需要输入用户程序时或更改部分参数设置时可以通过上位机软件来使装置处于暂停状态，各个I/O模块也停止工作。当用户程序下载完毕后装置将自动切换到运行模式。
　　（3）主控板原理图如图2-2：
　　图1-2：主控板原理图
　　1）主控板采用DSP56F807芯片完成接收程序、运行程序和监控系统运行的功能。芯片的内部程序FLASH存储系统程序、内部数据FLASH存用户程序、外扩RAM存中间数据。
　　接受程序：CPU对系统程序和用户程序通过串口接收，系统程序包括编译程序、系统管理程序、上电初始化程序、驱动程序、输入输出刷新程序以及一些常用的子程序、中断程序、监控程序等，经测试合格后，固化在只读存储器（ROM）中。用户根据生产工艺及其控制要求编制的程序，可因工艺流程和控制要求的变动，予以变动或改写，存储在随机存储器（RAM）中，即可以读，又可以写。CPU接受系统程序和执行系统程序，调用系统程序进行编译和编辑，然后，经测试存放在RAM中。当输入控制信号，执行用户程序时，则把用户程序转存到内存中，再进行处理运算，用于控制之中。
　　运行程序：无论是系统程序，还是用户程序，在执行的时候都必须把它们调入内存（或在内存中直接调用）。其过程是：CPU通过控制总线发出操作命令，通过地址总线读取数据存放的地址，通过数据总线读取指令和操作数据，将他们存入指令寄存器。然后，通过译码器对程序中的指令代码逐条翻译，变成控制信号，同时信号合成，经放大形成可驱动指令代码信号的脉冲，去驱动负载元器件。监控系统运行：PLC可工作在运行状态，也可以工作在监控状态对系统实施监控。并可以工作在编程状态，修改程序，改变相关数据和监控系统运行状态。
　　2）存储器
　　装置中的存储器主要用于存放系统程序、用户程序和工作状态数据数字系统对处理的数据是步步存储，然后才调用，从而加强控制的逻辑性，提高可靠性。比如：对采集的信号要在输入后马上映象存储，CPU调度过程中首先缓存，再参与译码、运算处理。对运算处理后的数据中间结果或最终结果，必须存储后，才能调用处理或输入锁存器（对输出加以缓存）。系统程序或者用户程序经测试合格，将其指令和数据分区存储，并根据程序和数据的重要性用不同的存储器存放。比如：系统程序固化在ROM 中，用户程序则放在随机存储器RAM中。
　　CPU对存储器寻找存取地址、存取数据和对存取的操作通过三总线（地址线、数据线和控制总线）。它们或直接与CPU相连接，或通过信息总线与CPU相连接。地址线一般直接连接到CPU的地址总线上。有时采用行地址和列地址分时输入的方法，用多路开关控制，通过行选通信号RAS和列选通信号CAS将地址存入存储器。控制线传送CPU向存储器发出的各种控制命令信号。如读命令（RD）、写命令、存储器请求、存储器刷新、取指令和检查存储器的命令信号等。通过DSP数据总线D0～D15地址总线A0～A15、外扩64KRAM 存储中间数据。
　　（4）看门狗电路MAX705。使系统在受到干扰或用户程序出错而造成程序执行混乱或跳飞的时候，自动对板内CPU及各功能部件进行有效的复位，以快速恢复到系统的正常运行状况。8位外部数据总线。控制信号输入、输出接口逻辑采用EPM7128SQC100实现，逻辑功能用VHDL语言编程实现，并可实现输出自检功能。各插件数据、控制线与背板总线通过限流电阻连接，电源插件插槽1个，CPU插件插槽1个，扩展插件插槽8个。
　　（5）主控板上有通信接口。装置通过串口与上位机通过传输介质连结，进行用户程序的下载、数据交换。
　　2.开入开出板（ I/O 板）模块设计简介
　　PLC的输入输出（I/O）通道就是输入/输出接口电路的组合，也就是说，I/O通道是由若干个输入/输出接口电路组成的。输入接口电路又分为直流输入接口电路，直流输入接口电路由滤波电容C、分压电阻R1、R2、发光二极管和光敏三极管组成。其中，阻容滤波，滤除输入信号的高次谐波。发光二极管和光敏三极管组成光电耦合。光电耦合具有光电隔离的抗干扰作用。并将直流（DC）24V 输入信号转换成标准的（5V）信号。该接口电路在现场开关闭合，使输入接口电路与外接电源构成工作回路时，输入控制信号，经滤波、光耦合、将控制信号输入。交流输入接口电路中将交流（AC）110V/220V 输入信号转换成标准信号。该输入接口电路在现场开关闭合后，使输入接口电路与外接电源构成工作回路，经滤波，双向耦合以及标准信号转换，将控制信号输入。I/O点数和I/O通道是衡量PLC的CPU处理数据能力的两个参数，但一般的PLC都以I/O点数给出。CPU一次处理数据的位数就是一条通道具有的位数。在控制中，接线端子的编号与I/O映像区对应的地址编号是一致的，内部逻辑位随扫描的进程可以反复使用。
　　开入板结构原理如图2-3 所示。
　　图1-3：开入板结构原理图
　　板块上的发光二极管显示了每路输入的状态。当一个通道有开关量输入时，板块前端相应的指示灯会亮。输入信号经锁存器74HC245接入数据总线。由4位控制线完成输入通道选择。高电平对应着灯亮，所输入的开关量为高电平，正常情况下，所对应的指示灯会亮。以15V为基准，大于15V的信号经过光电隔离处理转换成24V输出电压信号，15V以下的电压信号，通过光电隔离电路处理转换为0V输出电信号。
　　装置的开入板具有两组输入，每组16个端子，其中一个端子是共地端，组与组之间不共地， 但同组信号共地。每块板提供个30个开关量输入端，同时用户可以根据需要在8个扩展槽中可以任意配置该板件的个数。信号由端子IN1～IN15接入装置，信号负端接到共地端。接线端子如图2-4 所示。
　　图1-4：输入板接线端子图
　　开入板参数如表2-1：
　　表1-1：开入板参数表
　　3.开出板模块设计简介
　　开关量输出板实现30路开关量输出，通过中间继电器驱动电动控制装置不提供中间继电器工作电源，并且采用光电隔离技术。用户可以根据需要选择使用开关量输出板的个数，板卡可以插在8个插槽的任意位置，本装置最多可以安装8块输出板，提供30*8=240路输出。开关量输出板开关量输出分两组，与开关量输入板相同每16路为1组，组与组之间具有不同的公共端。两组各15盏灯对应30个开出。指示灯显示了每路输出对应内部继电器开关的开合状态，结构原理可参看图2-6。开关量输出板的输出为直流信号，接线图2-5所示：
　　图1-5：输出板接线端子图
　　开出信号由数据总线经74HC573锁存后，由光电隔离输出，其结构原理图2-6。
　　图1-6：开出板结构原理图
　　4.电源模块
　　外接电源一般采用电源模块，电源模块一般应达到“3C”认证所要求的标准。装置采用的外购电源，是可编程控制器的基本插件之一，为装置提供2个24V和1个5V直流电源。电源模块在装置中的位置是固定在最右边的电源插槽中。
　　5.AD模块
　　在模拟量输入模块中，增加了模拟量电压信号或电流信号转换为标准电压（5V）信号和将模拟量标准电压信号转换为数字量的电路，然后，经光电耦合，输入锁存器。修改程序实现AD采集量程与拨码开关的对应关系。模拟量采集板是小水电PLC装置的扩展插件之一，主要用于模拟输入量的测量及数据处理。提供16路差分输入通道，可对0～5V、-5V～+5V、-10V～+10V以及4～20mA范围的输入信号进行采集转换，提供FIFO缓存，单片机智能管理，与PLC装置总线兼容，可直接插于1～7#扩展插槽，通过8位总线与PLC装置的CPU进行数据交换。拨码开关用于确定AD板量程，对应关系如表2-2：
　　表1-2：拨码开关对应的量程
　　输入类型选择
　　输入为电流量：该输入通道跳线短接；
　　通过制作小型外接电路串进4～20mA电流，并将输入通道跳线短接，测试电流测量的正确性。
　　输入为电压量：该输入通道跳线断开。
　　通过制作小型外接电路并联输入-10V～10V电压，并将输入通道跳线断开，拨动拨码开关选择合理的量程，测试电压测量的正确性。
　　一个A/D板对应16个模拟量，每个模拟量对应一个IR字。IR字的分配从115开始，当把A/D插入其中一个槽中之后，可以通过各种梯形图指令从对应的IR寄存器中读入相应通道的数字量。从端子T1到端子T2的IN1～IN16分别对应插槽中IR最底位～IR最高位。
　　结构原理如图2-7：
　　图1-7：A/D板原理图
　　6.核心器件选型：
　　主控板包括微控制器（含有内部程序FLASH、内部数据FLASH、内部程序FLASH存储系统程序、内部数据FLASH存储用户程序），64K外扩RAM；外扩64KRAM通过微控制器数据总线、地址总线存储中间数据等核心器件。
　　（1）中央处理器采用Motorola公司推出DSP56F807，该芯片是高性价比、低功耗的16位定点DSP56800系列中的一种数字信号处理器。
　　1）处理速度：DSP56F807芯片是面向电机控制系统的高性能嵌入式控制器，具有多总线和流水线结构，进一步提高了指令执行速率和扩展能力，该芯片处理速度快，操作速率达40 MIPS（百兆条指令/秒）。
　　2）结构优势：DSP采用双哈佛结构，而传统的CPU多为冯.诺依曼结构。支持并行处理，即在DSP处理数据空间运算与数据传输的同时可以并行的从程序空间读取下一条指令。内核设计的特点之一：DSP56F807芯片兼具高效率数字信号处理能力和MCU（Micro Control Unit）的实时控制能力；与其他的通用DSP相比，其具有更丰富的I/O口和多种外围设备以及丰富的存储单元，它在单一的DSP芯片上集成了通用的I/O模块GPIO（最大可用GPIO引脚32根）、2个异步通讯模块SCI、1个同步串行外设模块SPI、4×4路A/D变换模块、用于各类电机控制的多路脉冲宽度调制6通道PWM 模块、4个定时器模块Timer 等外设模块，实现了完全的单片化。另外，它的片内程序Flash 60K、程序RAM 2K、数据Flash 8K、数据RAM 4K，引导Flash2K。同时实现总线不出芯片、完全的单片化、并且抗干扰能力强。采用56800 Hawk V1内核。
　　其功能模块图如图2-8：
　　图1-8：DSP56F807 功能模块图
　　（2）外扩RAM芯片采用CY7C1021CV33，存储中间数据。
　　（3）CPLD采用EPM7128SQC100-10
　　EPM7128是可编程的大规模逻辑器件，为ALTERA公司的MAX7000系列产品，具有高阻抗、电可擦等特点，可用门单元为2500个，管脚间最大延迟为5ns，工作电压为+5V。采用CPLD方案的优点：在不更改硬件的基础上，可以部分修改电路功能，具有可塑性。硬件电路具有保密性。电路板上芯片数量少。
　　（4）采用MAX125进行AD转换。MAX125是14 位同步AD转换芯片；MAX705微处理器监控电路减少在系统中被要求监视提供电源功能的部件数和复杂性。显著的改善了系统的可靠性和准确性。
　　（二）装置模块通信方案
　　主控板前端带有通信接口，用于与PC机进行数据交换。PC机通过RS232串口经LINK 适配器与RS485连接，完成用户程序到装置的下载以及数据交换。用户通过OMRON公司的CX-Programmer4.0软件对装置的在线监控和编程。编程语言可以使用梯形图或者语句表等。
　　上位机通过串口RS485下发读取指令，将内存区域中的数据传送到上位机来检验数据的正确性，或者通过RS485串口，发送写指令将数据写进相应的内存区域中去。如图2-9 所示：
　　图1-9：DSP通讯接口
　　二、软件程序设计
　　整个装置的底层程序大致分为以下几个部分：初始化程序、主程序，定时器中断服务程序、串行口中断服务程序(发送和接收)、各个部分包含其调用的子程序。
　　1.初始化程序：CPU（DSP56F807）各个功能模块寄存器的初始化、各个存储器的初始化、外扩RAM的初始化，定时器的初始化、GPIO端口初始化等等。
　　2.主程序：在装置初始化和顺控程序下载完成时对顺控程序进行扫描。扫描生成子程序表和跳转表的同时，检查顺控程序的正确性，不正确不与执行且不更新输入输出；RS232、RS485的通信处理；程序在主循环中根据编程工具决定PLC的工作状态，当处于编程状态时，完成与OMRON编程软件的通讯实现梯形图的下载功能和监视功能（可设置指令参数），但顺控程序不执行输入输出不更新；当处于监视状态时，完成梯形图程序的指令解释、输入输出更新处理和监视功能（可设置指令参数）；当处于运行状态时，完成梯形图程序的指令解释、输入输出更新处理和监视功能（不可设置指令参数）。
　　3.定时器中断程序，完成GPS对时、计时等功能。
　　4.串口1 通讯中断程序，接收或发送编程软件的通讯数据，实现顺控程序的下载和在线调试。串口2通讯中断程序，实现与后台监控软件之间的通讯数据交换，和RS232串口通讯兼容。
　　图2-1：主程序流程图
　　三、小结
　　1.论文论述了装置的CPU插件、开入插件、开出插件和A/D插件的设计方案，以及装置模块通讯方案；
　　2.对CPU插件的部分核心器件的选型作了描述；
　　3.论文简单的介绍了装置的软件开发，描述装置软件开发的各个部分：总体、底层和通讯部分；
　　[参考文献]
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　　（作者单位：西南林业大学机械与交通学院 云南昆明）

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