基于PLC組態(tài)分析原理的自動化編程控制系統(tǒng)設(shè)計

吳海翔，盛亞英

（1.浙江省人民醫(yī)院杭州醫(yī)學院附屬人民醫(yī)院，杭州 310000；2.溫州醫(yī)科大學附屬眼視光醫(yī)院，溫州 325027）

0 引言

在信息技術(shù)的支持下，現(xiàn)代工業(yè)得到了空前的發(fā)展，工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用了大量自動化設(shè)備，不僅實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的自動處理，而且在設(shè)備的測試和監(jiān)控上也實現(xiàn)了自動化，節(jié)省了大量人力物力成本[1]。從目前的自動化技術(shù)應(yīng)用環(huán)境來看，用戶以及企業(yè)對自動化編程控制提出了更高的要求，常規(guī)的編程控制受到封閉式體系架構(gòu)的限制，并不能完全滿足用戶需求[2]。

從目前的應(yīng)用形勢看，自動化控制多數(shù)使用簡單的數(shù)字和模擬控制，過度依賴上位機，系統(tǒng)工程往往結(jié)合了多個廠家的硬件，這些硬件各自具有不同的屬性參數(shù)，在協(xié)同工作上并不能實現(xiàn)完全的系統(tǒng)同步，導致系統(tǒng)控制水平低[3]。面對這一情況，提出自動化編程控制系統(tǒng)的設(shè)計，在翻閱了大量參考資料后，將PLC組態(tài)分析原理應(yīng)用到系統(tǒng)設(shè)計中。PLC在工業(yè)領(lǐng)域中具有非常優(yōu)越的性能，其組態(tài)分析針對控制的各個模塊，能夠根據(jù)控制系統(tǒng)的設(shè)計要求將各個控制模塊組成一個完整的回路，實現(xiàn)穩(wěn)定的自動化控制，設(shè)計基于PLC組態(tài)分析原理的自動化編程控制系統(tǒng)，有助于解決上述常規(guī)的編程控制系統(tǒng)中存在的問題。

1 基于PLC組態(tài)分析原理的自動化編程控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

在系統(tǒng)硬件設(shè)計中，針對原有的編程控制系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化和改良。編程控制系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 編程控制系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

在系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，硬件部分包括處理器的定制和外部設(shè)備的連接，在設(shè)計系統(tǒng)硬件部分時，基于PLC組態(tài)分析原理，將系統(tǒng)硬件部分與PLC外接設(shè)備相連接。設(shè)備添加情況如圖2所示。

圖2 設(shè)備連接向?qū)?/p>

在完成設(shè)備的添加后，定義與PLC設(shè)備相對應(yīng)的I/O變量。針對選定的PLC設(shè)備，使用基于FPGA的軟CPU內(nèi)核作為系統(tǒng)硬件的核心，采用NiosII/s作為標準的多位處理器，支持系統(tǒng)硬件部分的緩存和調(diào)試[4]。

將接入的PLC設(shè)備分別與NiosII/s處理器、通信模塊相連接，實現(xiàn)從PLC端口到通信I/O接口間的映射。定義的I/O中包含4個寄存器，每個寄存器具有不同的功能，其中數(shù)據(jù)寄存器負責輸入輸出系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)，其偏移地址為0字節(jié)；方向寄存器控制每一個輸入輸出的引腳方向，偏移地址為4字節(jié)；中斷控制寄存器控制輸入輸出中斷的使能，偏移地址為8字節(jié)；邊沿捕捉寄存器負責輸入的邊沿捕捉，偏移地址是12字節(jié)。以上設(shè)計的I/O接口在系統(tǒng)工作時，均采用邊沿觸發(fā)模式控制外部設(shè)備[5]。

2 基于PLC組態(tài)分析原理的自動化編程控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 PLC組態(tài)與系統(tǒng)通信設(shè)計

基于PLC組態(tài)分析原理設(shè)計編程控制系統(tǒng)，將組態(tài)王軟件默認為硬件，根據(jù)組態(tài)王內(nèi)部設(shè)置的各個設(shè)備驅(qū)動，設(shè)計PLC組態(tài)與控制系統(tǒng)之間的通信方式。

設(shè)計中采用PPI通訊和串行通訊方式，在上位機上設(shè)置PPI參數(shù)默認值，建立起上位機與PLC組態(tài)之間的通信連接，使用向?qū)ФxPLC組態(tài)，設(shè)置PLC地址和通訊，實現(xiàn)兩者之間的通信。兩者之間的通訊地址如下所示：

PPI0-PPIB63→VB200-VB263；

在PLC組態(tài)與系統(tǒng)通信連接建立后，設(shè)計流程控制指令，用于控制編程。首先，根據(jù)自動化編程控制要求，添加控制標簽指令，指令格式為：

Label(n)；

其中Label是控制標簽指令的關(guān)鍵字，n是標簽的序號。指定跳轉(zhuǎn)指令的關(guān)鍵字是Goto，整體的格式為：

GotoLabel(n)；

在控制編程過程中，往往存在大量跳轉(zhuǎn)指令，為了保證編程的正常進行，使用條件判斷指令對IO點的狀態(tài)進行判斷，如果判斷后IO點的狀態(tài)是目標狀態(tài)，則實現(xiàn)跳轉(zhuǎn)；如果IO點的狀態(tài)并不是目標狀態(tài)，則不跳轉(zhuǎn)，直接執(zhí)行下一條控制指令。判斷指令格式如下：

其中If表示條件判斷的關(guān)鍵字，on/off表示期望狀態(tài)，分別是真和假，n表示IO點的序號，m表示指定標簽的序號。在以上控制指令的支持下，與控制輔助函數(shù)相配合，實現(xiàn)自動化編程控制。

2.2 控制輔助函數(shù)設(shè)計

自動化編程控制輔助函數(shù)包括控制參數(shù)的單維合成與分解函數(shù)和多項式配置函數(shù)。設(shè)計中，給定控制矩陣和四元數(shù)，表達形式如下：

公式中α表示控制參數(shù)的純量，σT表示控制參數(shù)的向量，控制矩陣與四元數(shù)之間的相互轉(zhuǎn)換函數(shù)為：

式中H_to_Q(H)表示控制矩陣轉(zhuǎn)換為四元數(shù)的函數(shù)，Q_to_H(Q)表示四元數(shù)轉(zhuǎn)換為控制矩陣的函數(shù)。給定初始控制參量E0和終止控制參量E1，獲得包含控制參數(shù)的單維合成函數(shù)：

公式中[W，n]表示獲得的控制參數(shù)，n表示控制參數(shù)維度。控制參數(shù)的分解函數(shù)是單維合成的逆運算，在W、n和E0已知的情況下，則控制參數(shù)的單維分解函數(shù)為：

其中Ex表示系統(tǒng)實際工作時的控制參數(shù)。對于自動化編程控制中的多項式配置，給定已知參數(shù)起始控制參量和終止控制參量，默認系統(tǒng)起始控制到終止控制的時間為T，則解出的多項式配置解為：

公式中K表示求得的多項式解，表示形式是集合，getPPara(E0，E1，T)表示控制多項式配置的參數(shù)求解函數(shù)，多項式配置的數(shù)量由PLC組態(tài)確定，得到的解的個數(shù)與多項式的數(shù)量相同。編程自動化控制中存在插補情況，根據(jù)上述內(nèi)容確定插補計算函數(shù)，給定控制多項式配置的系數(shù)β，插補的時間節(jié)點t，確定的插補計算函數(shù)為：

公式中c=getPPos(β，T，t)表示插補計算函數(shù)，c表示控制插補分量。根據(jù)上述內(nèi)容整理控制輔助流程：給定各項已知參數(shù)，獲得控制矩陣：

獲得控制參量的單維合成參數(shù)，如式(4)所示，由控制時間和插補時間確定整個編程流程。至此，基于PLC組態(tài)分析原理的自動化編程控制系統(tǒng)設(shè)計完成。

3 基于PLC組態(tài)分析原理的自動化編程控制系統(tǒng)測試與分析

3.1 系統(tǒng)測例配置

在自動化編程控制系統(tǒng)設(shè)計完成后，通過功能測試對系統(tǒng)整體進行驗證與分析，根據(jù)系統(tǒng)的整體架構(gòu)和基本功能，從系統(tǒng)安裝與卸載、啟動與退出、控制過程管理、編程控制類庫管理、控制工具、腳本編輯六個方面展開研究，具體的測試內(nèi)容和與預期設(shè)定如表1所示。

表1 系統(tǒng)測例配置

按照表中的各項測例，測試設(shè)計的自動化編程控制系統(tǒng)各項功能執(zhí)行是否正常。將系統(tǒng)出現(xiàn)bug的情況分為4類，第一類標記為A，系統(tǒng)出現(xiàn)嚴重錯誤，程序引起死機或數(shù)據(jù)庫發(fā)生鎖死；第二類標記為B，系統(tǒng)功能測試中存在較嚴重的錯誤，如程序接口錯誤，數(shù)據(jù)缺省等；第三類標記為C，系統(tǒng)測試中出現(xiàn)一般性錯誤，如信息格式錯誤、操作界面錯誤等；第四類是系統(tǒng)出現(xiàn)較小錯誤，如輸入輸出內(nèi)容不規(guī)范，界面不規(guī)范等。針對表中的各個方面，自動化編程控制系統(tǒng)測試結(jié)果如表2所示。

表2 系統(tǒng)測試bug類型及數(shù)量

觀察表中顯示的系統(tǒng)測試結(jié)果可知，在各個系統(tǒng)測例中，部分測例在測試前存在一般錯誤和較小的錯誤，在測試完成后，測試bug全部為0，由此可知，系統(tǒng)在運行過程中各項功能能夠正常實現(xiàn)，系統(tǒng)運行可靠。

單一的測試只能系統(tǒng)功能的完善，對于實際應(yīng)用的情況，還需要通過進一步的對比研究來證明，針對自動化編程控制系統(tǒng)的脈沖同步問題，引入兩種常規(guī)的編程控制系統(tǒng)，設(shè)計數(shù)據(jù)同步對比測試，在測試結(jié)束后，根據(jù)測試結(jié)果對比分析各個編程控制系統(tǒng)的實際性能。

3.2 數(shù)據(jù)同步測試結(jié)果與分析

在測試編程控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)同步性能時，在Modbus主站調(diào)試軟件上運行系統(tǒng)，針對實驗中每一個編程控制系統(tǒng)，在Modbus軟件上創(chuàng)建多個主機，每個主機支持保持寄存器的查詢和設(shè)置，在Modbus軟件上模擬系統(tǒng)的運行，監(jiān)測各個系統(tǒng)下數(shù)據(jù)的變化。為了保證實驗的可靠性，設(shè)置Modbus調(diào)試軟件內(nèi)的各項參數(shù)，統(tǒng)一測試條件。具體設(shè)置如圖3所示。

圖3 Modbus軟件通信參數(shù)設(shè)置

從圖中的波特率、端口號、數(shù)據(jù)位等參數(shù)的設(shè)置，限制了系統(tǒng)的工作環(huán)境，避免了實驗中外界環(huán)境的變換對系統(tǒng)測試產(chǎn)生干擾。在設(shè)置完成后，將編程信息下載到系統(tǒng)中，運行編程控制系統(tǒng)，觀察Modbus內(nèi)數(shù)據(jù)的變化，實驗結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)同步測試結(jié)果

對比觀察以上測試結(jié)果可知，在圖中顯示的接收數(shù)據(jù)的位置內(nèi)能明顯看出，三種編程控制系統(tǒng)均實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的接收，說明系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理功能正常，對編程信息識別讀取正常，但是從Modbus顯示的數(shù)據(jù)可知，三組結(jié)果中，只有提出的控制系統(tǒng)測試結(jié)果在1s、2s、3s依次顯示，并且顯示正常，而其他兩組實驗結(jié)果中，數(shù)據(jù)不連續(xù)，并且寄存器地址異常。由此可知，設(shè)計的基于PLC組態(tài)分析原理的編程控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)在定時器中同步正常，無擾動，該系統(tǒng)優(yōu)于常規(guī)的編程控制系統(tǒng)。

4 結(jié)語

本文以PLC組態(tài)分析原理作為基礎(chǔ)，在原有的編程控制系統(tǒng)的支持下，重新設(shè)計了自動化編程控制系統(tǒng)，從硬件和軟件兩方面進一步完善了控制系統(tǒng)的各項功能。為了證明系統(tǒng)的可行性，在編程控制系統(tǒng)設(shè)計完成后，針對系統(tǒng)的各項功能進行了驗證，同時將常規(guī)的編程控制系統(tǒng)作為對比項，證明了設(shè)計的編程控制系統(tǒng)擁有高水平的同步性，在實際應(yīng)用中數(shù)據(jù)同步及時，無擾動。雖然本文設(shè)計的控制系統(tǒng)實現(xiàn)了預期目標，實現(xiàn)了編程控制的基本功能，但是由于技術(shù)經(jīng)驗的不足，控制系統(tǒng)還有晉升的空間，在后續(xù)研究中，總結(jié)現(xiàn)階段的研究和經(jīng)驗，從編程和算法上不斷改進和優(yōu)化，在通信上也可以嘗試不同的通訊協(xié)議實現(xiàn)遠程自動化控制，逐漸完善控制系統(tǒng)。