0 引言

用来控制混凝土 、饲料 、水泥等产品的配料生产工艺过程的配料控制系统 , 具有实时 、多任务的控制特点 , 目前经常利用可编程逻辑控制器(PLC )作为核心控制装置 , 但是在包括多条生产线 、企业多个部门的网络化生产管理中, 生产现场的实时数据需要通过控制电脑 , 再利用服务器上传到企业管理层 , 这样管理层就不能及时掌握生产即时数据 。 本文研究了一种配料控制器 ,服务于以太网 ,在工控机的基础上 , 利用现场总线技术实时操作系统平台 、通信协议等定制软件平台 ,本质是一个嵌人式系统 ,融合软 、硬件技术 , 可在使用中代替传统的工控机+ PLC ,在对生产过程进行控制的过程 中, 同时传送各个工作站数据至服务器 ,实现生产控制、信息决策一体化 ,适用于网络化的过程控制系统 。

 1 控制器的工作原理

混凝土 、饲料 、水泥等配料的生产过程要实现网络化生产管理 ,需要进行结构分层 ,包括管理层 、控制层 、设备层 。配料控制系统采用本配料控制器后 , 可实现管理层(由企业各部门如生产调度 、物料管理、财务管理 、总工程师 、总经理等组成)通过中心交换机与下一级的控制网络连接 , 从而监控整个控制系统、提取生产数据 、分析报表;控制层(由工程师、操作员组成)可实现对整个控制系统的程序编制 、数据分析和存储;设备层 (生产现

场),包括控制器、智能仪表 、1/ 0 模块及现场总线等 ,各种信号的采集、转换由智能仪表 、1/ 0 模块完成 ,控制器则实现逻辑控制回路的处理 。

作为整个配料控制系统的核心 , 配料控制器 的工作原理是:通过对系统输入和操作指令的分析 、处理 ,接受系统的控制指令 ,输出控制信号 , 控制生产现场配料 , 采集生产现场电磁阀、称重传感器、料斗 、电子皮带称等相关控制对象信息 , 再反馈给系统 , 完成系统对监控对象的控制 ,并将实时生产信息上传到服务器 。

本文所设计的配料控制器属于配料行业的专用控制器 ,具有如下技术特点:是整个配料控制系统的控制核心;本质上是一个嵌人式系统 ,设计时需要进行硬件选型 、配置和软件开发;是基于以太网的分布式控制系统 ,可实现实时、多任务控制;具有专用控制器控制稳定 、运行效率高的特点 。

 2 控制器的系统结构设计

配料控制器相当于是在工控机的基础上开发的软控制器 ,根据工作要求 ,它的逻辑可实时定义 、能基于以太 网络进行现场数据传递 ,实现生产现场控制 、信息决策一体化 。从系统结构来看 , 该配料控制器实际上是一个嵌人式系统 ,融合了软 、硬件技术 , 在设计过程 中, 为了实现专用控制器特有的硬件体系和软件结构 ,除了要达到配料生产过程中各特定对象如电磁阀、智能仪表等的控制要求 ,还要解决整个控制系统中各个设备互联和远程控制的问题 , 即要考虑现场总线的支持能力 、生产数据分析存储功能 、网络化功能等 , 还要为后续的系统升级留有足够的资源 ,并体现专用控制器的控制响应稳定 、运行效率高的特点。

由于 PC 平台具有丰富的软件支持和强大的处理器功能 ,因此设计时选择以工控机为基础作为硬件平台, 再开发定制控半, 推制器制器软件平 台。 设计过程中 ,将编译生成的文件下载到 目标控制器上进行调试运行 , 成功后再将控制器投人正常工作。

 2.1控制器的硬件设计

控制器硬件包括工控机和主站卡 , 以满足其信息处理和实时控制的要求 。工控机包括主板 、电源模块 、数据通信线路等 ,主板 的 配 置 是 研 祥 FSC esl713VNA Intel 845 G V 芯 片 集 、P entium 4 处理器 , 配以 P rofibuS 主站卡可满足设计要求 。

控制器的硬件选择以工控机为基础 ,虽然工控机的质量和体积相对来说都稍大 , 但它有重要优势:工控机 自身电源具有多电压直流输出能力, 可以为其他设备(例如主站卡)供 电;主板完全兼容 P CV /I SA 总线标准 , 方便添加 P CI 功能板卡;接上显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 ,使用时 , IM 18O 插人 IM 181 , 再装 人 工 控 机 的 IS A插 槽 。IM 18 O 接 口模块 主要 由专用集 成 电 路A PSC Z 芯 片 、SOC 165 微 处 理 器 和 F LA SHE PR O M 和 双 口 R A M组 成 ,它对外有多根仲裁线 , 使用了IM 18 1 后 ,其外部读写仲裁线只能从寄存器内读取 , 寄存器要占双端口RA M 下端 8 Byt e的空间。 

 2.2控制器的软件设计

控制器在整个系统中的功能主要有:是配料控制系统的核心 、负责解算组态逻辑 、通过主站卡采集生产数据及将解算后产生的控制信息送至生产现场 。控制器的软件开发过程包括系统初始化 、通讯协议制定和信息显示存储等 , 包括 3 个模块 ,各模块的任务分别是:(l) 系统初始化模块 , 负责初始化硬件设备、加载应用程序 、将实模式转换到保护模式 ;(2) 通讯模块 , 负责解算系统的控制逻辑 ,采集生产数据 ,传送数据;(3) 信息显示存储模块 ,显示 、存储生产数据 。

  2.2.1 系统初始化模块

设计中所用的基本硬件是工控机 , 而且控制器是在保护模式下工作的 ,所以控制器的系统初始化主要完成 3 项任务:初始化硬件设备(由主板 BIOS 和由汇编语言混合编译生成的程序模块完成)、加载应用程序(由BootLoader模块完成)、将实模式转换到保护模式 (由汇编语言混合编译生成的程序模块完 成)。控制器系统初始化的过程是 :( 1) 主 板 BIOS 自检 , 将启动控制权交 给初始化引导程序;(2)引导程序 自检 , 发现错误则报错且停机;没有错误则 禁 止 中 断 , 初 始 化GDT R 、IDT R 表;(3) 建立 1/ 0 接口;(4) 将程序写人内存 , 完成初始化 。

 2.2.2通讯模块

控制器系统的通讯应用了 Prof ibus DP 现场总线技术 , 工控机本身带有串口,而且都是 RS一232 串口, 数量也有限, 设计过程 中 , 在工控机主板 上添加 Profibu 。主站 卡 (IM 180) 以扩 展控制器的接 口数量 。

Profibus DP 系统分为主站和从站 :主站决定总线的数据通信 , 当主站得到总线控制权(令牌)时 ,没有外界的请求也可以主动发送信息;从站是外围设备 ,典型的从站包括 1/ 0 装置 、电磁阀、驱动器、传感器等设备 , 它们没有总线控制权 , 只对接收到的信息给予确认或当主站发出请求时向它发送信息 。 设计过程中,将所设计 的控制器作为主站连接到 ProfibuSDP系统上 , 而生 产配料 现场 的各种 相 关智 能仪 表作 为从 站 。 对Pr ofi bu s主站卡设置过程中 ,将通讯的上位机部分设置为事件激发 , 下位机部分设置为中断响应 , 即上位机主动向下位机发出指令 ,下位机被动接收指令以及反馈执行指令情况 , 在上 、下位机之间形成对话交流模式 。Pr of ibu S主站卡和系统配置完成后 , 整个 Pro fibus D P 系统是主从结构 ,主站对从站拥有操控权和总线控制权 ,从站在主站的控制下使用总线以及正常工作 。

 2.2.3信息显示存储模块

配料控制器在正常工作过程中 ,需要严格地协调控制各台配料秤(或各条配料生产线) , 对料位 、流量及时准确地进行监控和调节 ,所以在设计过程中,选择了实时性 良好的 Nucleus实时操作系统 。Nucleus实时操作系统除了具有普通操作系统的功能 ,还具有任务控制 、任务通信、任务同步 、内存管理 、可编程 、标准的输人/输出设备接口等功能。

设计中控制器控制方案通过组态软件来实现 , 组态软件主要解决的问题有:与现场设备之间进行数据采集和数据交换;将采集到的数据与上位机图形界面的相关部分连接 ;数据报警界限和系统报警;实时数据的在线监测;实时数据的存储 、历史数据的查询;应用系统运行是否稳定可靠 。控制器在工作过程中连接一台安装了组态软件的计算机或嵌人式一体化触摸屏 ,将控制方案在组态软件里进行编辑 , 生成的程序下载到控制器硬盘中运行实现。 设计过程中使用 了北京昆仑通态公司 的MCGS 组态软件。

 3 结语

本文设计的配料控制器是一款专为混凝土 、饲料 、水泥等配料过程设计的控制器 ,可在配料控制系统中取代传统的工控机+ PLC模式及传统的下位机 、上位机模式 ,减少了中间环节 ,使硬件更加简洁 ,优化了当前配料行业通常采用 PLC 作为控制器的单一体系 , 同时利用网络功能 , 实现了生产实时信息到企业管理层的即时传递 ,具有较好的应用前景 。

 

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