0引言
用來控製混凝土、飼料、水泥等產品的配料生產工藝過程的配料控製係統,具有實時、多任務的控製特點,目前經常利用可編程邏輯控製器(PLC)作為核心控製裝置,但是在包括多條生產線、企業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製電腦,再利用服務器上傳到企業管理層,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製器,服務於以太網,在工控機的基礎上,利用現場總線技術實時操作係統平台、通信協議等定製軟件平台,本質是一個嵌人式係統,融合軟、硬件技術,可在使用中代替傳統的工控機+PLC,在對生產過程進行控製的過程中,同時傳送各個工作站數據至服務器,實現生產控製、信息決策一體化,適用於網絡化的過程控製係統。
1控製器的工作原理
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、控製層、設備層。配料控製係統采用本配料控製器後,可實現管理層(由企業各部門如生產調度、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製網絡連接,從而監控整個控製係統、提取生產數據、分析報表;控製層(由工程師、操作員組成)可實現對整個控製係統的程序編製、數據分析和存儲;設備層(生產現場),包括控製器、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,控製器則實現邏輯控製回路的處理。
作為整個配料控製係統的核心,配料控製器的工作原理是:通過對係統輸入和操作指令的分析、處理,接受係統的控製指令,輸出控製信號,控製生產現場配料,采集生產現場電磁閥、稱重傳感器、料鬥、電子皮帶稱等相關控製對象信息,再反饋給係統,完成係統對監控對象的控製,並將實時生產信息上傳到服務器。
本文所設計的配料控製器屬於配料行業的專用控製器,具有如下技術特點:是整個配料控製係統的控製核心;本質上是一個嵌人式係統,設計時需要進行硬件選型、配置和軟件開發;是基於以太網的分布式控製係統,可實現實時、多任務控製;具有專用控製器控製穩定、運行效率高的特點。
2控製器的係統結構設計
配料控製器相當於是在工控機的基礎上開發的軟控製器,根據工作要求,它的邏輯可實時定義、能基於以太網絡進行現場數據傳遞,實現生產現場控製、信息決策一體化。從係統結構來看,該配料控製器實際上是一個嵌人式係統,融合了軟、硬件技術,在設計過程中,為了實現專用控製器特有的硬件體係和軟件結構,除了要達到配料生產過程中各特定對象如電磁閥、智能儀表等的控製要求,還要解決整個控製係統中各個設備互聯和遠程控製的問題,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,還要為後續的係統升級留有足夠的資源,並體現專用控製器的控製響應穩定、運行效率高的特點。
由於PC平台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台,再開發定製控半,推製器製器軟件平台。設計過程中,將編譯生成的文件下載到目標控製器上進行調試運行,成功後再將控製器投人正常工作。
2.1控製器的硬件設計
控製器硬件包括工控機和主站卡,以滿足其信息處理和實時控製的要求。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FSCesl713VNAIntel845GV芯片集、Pentium4處理器,配以ProfibuS主站卡可滿足設計要求。
控製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PCV/ISA總線標準,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,IM18O插人IM181,再裝人工控機的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,它對外有多根仲裁線,使用了IM181後,其外部讀寫仲裁線隻能從寄存器內讀取,寄存器要占雙端口RAM下端8Byte的空間。
2.2控製器的軟件設計
控製器在整個係統中的功能主要有:是配料控製係統的核心、負責解算組態邏輯、通過主站卡采集生產數據及將解算後產生的控製信息送至生產現場。控製器的軟件開發過程包括係統初始化、通訊協議製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)係統初始化模塊,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,負責解算係統的控製邏輯,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係統初始化模塊
設計中所用的基本硬件是工控機,而且控製器是在保護模式下工作的,所以控製器的係統初始化主要完成3項任務:初始化硬件設備(由主板Bioses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)。控製器係統初始化的過程是:(1)主板Bioses自檢,將啟動控製權交給初始化引導程序;(2)引導程序自檢,發現錯誤則報錯且停機;沒有錯誤則禁止中斷,初始化GDTR、IDTR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
控製器係統的通訊應用了ProfibusDP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(IM180)以擴展控製器的接口數量。
ProfibusDP係統分為主站和從站:主站決定總線的數據通信,當主站得到總線控製權(令牌)時,沒有外界的請求也可以主動發送信息;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,它們沒有總線控製權,隻對接收到的信息給予確認或當主站發出請求時向它發送信息。設計過程中,將所設計的控製器作為主站連接到ProfibuSDP係統上,而生產配料現場的各種相關智能儀表作為從站。對Profibus主站卡設置過程中,將通訊的上位機部分設置為事件激發,下位機部分設置為中斷響應,即上位機主動向下位機發出指令,下位機被動接收指令以及反饋執行指令情況,在上、下位機之間形成對話交流模式。ProfibuS主站卡和係統配置完成後,整個ProfibusDP係統是主從結構,主站對從站擁有操控權和總線控製權,從站在主站的控製下使用總線以及正常工作。
2.2.3信息顯示存儲模塊
配料控製器在正常工作過程中,需要嚴格地協調控製各台配料秤(或各條配料生產線),對料位、K8凯发登录入口及時準確地進行監控和調節,所以在設計過程中,選擇了實時性良好的Nucleus實時操作係統。Nucleus實時操作係統除了具有普通操作係統的功能,還具有任務控製、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。
設計中控製器控製方案通過組態軟件來實現,組態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麵的相關部分連接;數據報警界限和係統報警;實時數據的在線監測;實時數據的存儲、曆史數據的查詢;應用係統運行是否穩定可靠。控製器在工作過程中連接一台安裝了組態軟件的計算機或嵌人式一體化觸摸屏,將控製方案在組態軟件裏進行編輯,生成的程序下載到控製器硬盤中運行實現。設計過程中使用了北京昆侖通態公司的MCGS組態軟件。
3結語
本文設計的配料控製器是一款專為混凝土、飼料、水泥等配料過程設計的控製器,可在配料控製係統中取代傳統的工控機+PLC模式及傳統的下位機、上位機模式,減少了中間環節,使硬件更加簡潔,優化了當前配料行業通常采用PLC作為控製器的單一體係,同時利用網絡功能,實現了生產實時信息到企業管理層的即時傳遞,具有較好的應用前景。

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