MATLAB平臺(tái)下的PLC實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)分析

1、南陽理工學(xué)院畢業(yè)論文MATLAB平臺(tái)下的PLC實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)分析PLC程序設(shè)計(jì)姓名:華祥 學(xué)號(hào):94203109 班級(jí):03942第一章 文獻(xiàn)綜述1.1 組態(tài)軟件概述隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)、工藝過程日趨復(fù)雜，生產(chǎn)設(shè)備及裝置的規(guī)模不斷擴(kuò)大，企業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化程度要求也越來越高，出現(xiàn)了各種工業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)。早期的工控系統(tǒng)多是專用的封閉系統(tǒng)，針對(duì)不同的生產(chǎn)工藝過程需要編制不同的控制件，工控軟件開發(fā)周期長、困難大，工業(yè)被控對(duì)象稍有變動(dòng)就必須修改源程序，且很難與外界進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，升級(jí)和增加功能都受到限制。新型的工業(yè)控制系統(tǒng)正以標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)計(jì)算機(jī)軟、硬件平臺(tái)構(gòu)成的集成系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的封閉式系統(tǒng)，它具有適應(yīng)性強(qiáng)、開放性

2、好、易于擴(kuò)展、經(jīng)濟(jì)、開發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)。通常可以把這樣的系統(tǒng)劃分為控制層、監(jiān)控層、管理層三個(gè)層次結(jié)構(gòu)。其中監(jiān)控層對(duì)下連接控制層，對(duì)上連接管理層，它不但實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場的實(shí)時(shí)監(jiān)測與控制，且在自動(dòng)控制系統(tǒng)中完成上傳下達(dá)、組態(tài)開發(fā)的重要作用。監(jiān)控層的硬件以工業(yè)級(jí)的微型計(jì)算機(jī)和工作站為主，目前更趨向于工業(yè)微機(jī);監(jiān)控層的軟件則是指組態(tài)軟件?！敖M態(tài) (Configuration)”的含義是使用軟件工具對(duì)計(jì)算機(jī)及軟件的各種資源進(jìn)行配置，達(dá)到讓計(jì)算機(jī)或軟件按照預(yù)先設(shè)置自動(dòng)執(zhí)行特定任務(wù)、滿足使用者要求的目的。組態(tài)軟件是指一些數(shù)據(jù)采集與過程控制的專用軟件，它是在工控系統(tǒng)監(jiān)控層一級(jí)的軟件平臺(tái)和開發(fā)環(huán)境，是面向監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集

3、的軟件平臺(tái)工具，具有豐富的設(shè)置項(xiàng)目，使用方式靈活，功能強(qiáng)大。組態(tài)軟件能以靈活多樣的組態(tài)方式(而不是編程方式)提供良好的用戶開發(fā)界面和簡捷的使用方法，其預(yù)置的各種軟件模塊可以非常容易地實(shí)現(xiàn)和完成監(jiān)控層的各項(xiàng)功能，并能同時(shí)支持各種硬件廠家的計(jì)算機(jī)和工/0設(shè)備，與高可靠的工控計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)合，可向控制層和管理層提供軟、硬件的全部接口，進(jìn)行系統(tǒng)集成。組態(tài)軟件有著工業(yè)產(chǎn)品和軟件產(chǎn)品的共同特點(diǎn)，其最突出的特點(diǎn)是實(shí)時(shí)多任務(wù)。例如，數(shù)據(jù)采集與輸出、數(shù)據(jù)處理與算法實(shí)現(xiàn)、圖形顯示及人機(jī)對(duì)話、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、檢索管理、實(shí)時(shí)通訊等多個(gè)任務(wù)要在同一臺(tái)計(jì)算機(jī)上同時(shí)運(yùn)行。組態(tài)軟件的主要目的，是使使用者在生成適合自己需要

4、的應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)，不需要修改軟件程序的源代碼。下面是組態(tài)軟件主要解決的問題：(1) 如何與采集、控制設(shè)備間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換;(2) 使來自設(shè)備的數(shù)據(jù)與計(jì)算機(jī)圖形畫面的各元素關(guān)聯(lián)起來;(3) 處理數(shù)據(jù)報(bào)警及系統(tǒng)報(bào)警;(4) 存儲(chǔ)歷史數(shù)據(jù)并支持歷史數(shù)據(jù)的查詢;(5) 各類報(bào)表的生成和打印輸出;(6) 為使用者提供靈活多變的組態(tài)工具，可適應(yīng)不同應(yīng)用領(lǐng)域要求;(7) 最終生成的應(yīng)用系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠;(8) 具有與第三方程序的接口，方便數(shù)據(jù)共享。自動(dòng)化工程設(shè)計(jì)人員在組態(tài)軟件中只需填寫一些事先設(shè)計(jì)的表格，再利用圖形功能把被控對(duì)象(如反應(yīng)罐、溫度計(jì)、鍋爐、趨勢曲線、報(bào)表等)形象地畫出來，通過內(nèi)部數(shù)據(jù)鏈接把被控對(duì)象的

5、屬性與I/O設(shè)備的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯連接。當(dāng)由組態(tài)軟件生成的應(yīng)用系統(tǒng)投入運(yùn)行后，與被控對(duì)象相連的I/O設(shè)備數(shù)據(jù)發(fā)生變化后會(huì)直接帶動(dòng)被控對(duì)象的屬性發(fā)生變化。若要對(duì)應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行修改，也十分方便，這就是組態(tài)軟件的方便性。從以上可以看出，組態(tài)軟件具有實(shí)時(shí)多任務(wù)、接口開放、使用靈活、功能多樣、運(yùn)行可靠的特點(diǎn)。一般來說，工業(yè)過程控制系統(tǒng)的組態(tài)有如下一些內(nèi)容：(1)控制組態(tài)控制組態(tài)是最重要的?？刂平M態(tài)又分為過程控制組態(tài)和順序控制組態(tài)。過程控制組態(tài)主要針對(duì)連續(xù)量。當(dāng)然，為了構(gòu)成一個(gè)完整的過程控制系統(tǒng)，加入開關(guān)量以進(jìn)行報(bào)警等事件處理也是必要的。順序控制則主要是針對(duì)開關(guān)量的控制。在過程控制中，算法庫是很重要的一部分

6、，在建立控制算法庫時(shí)，將控制軟件的算法和參數(shù)分離，并將各控制算法功能塊固化在EPROM中，在進(jìn)行組態(tài)時(shí)生成一個(gè)文件，該文件與各個(gè)算法相對(duì)應(yīng)，并且含有該控制算法執(zhí)行所必須的參數(shù)，這個(gè)文件被裝到現(xiàn)場控制站的RAM內(nèi)存中，因此更改容易，這樣，我們就可以將控制算法模塊編成標(biāo)準(zhǔn)形式，并且可以應(yīng)用于很多應(yīng)用系統(tǒng)中。在現(xiàn)場控制站中，諸多控制算法模塊通常以一個(gè)庫文件的形式因化在EPROM中，每個(gè)算法的入口和入口參數(shù)是己知的，這樣，在執(zhí)行時(shí)，CPU只是順序地根據(jù)下裝到RAM中的文件而依次調(diào)用各個(gè)子程序，返回參數(shù)。根據(jù)文件中的內(nèi)容寫回實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中或輸出?？梢姡^程控制組態(tài)是利用某種方法將適當(dāng)?shù)目刂扑惴K連接起來

7、完成特定的控制功能。過程控制組態(tài)一般在現(xiàn)場站進(jìn)行?，F(xiàn)場站的軟件系統(tǒng)是整個(gè)組態(tài)軟件中極其重要的一部分，一般現(xiàn)場站軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，分為執(zhí)行代碼部分和數(shù)據(jù)部分，執(zhí)行代碼固化在EPROM中，而數(shù)據(jù)則保留在RAM中，開機(jī)時(shí)由網(wǎng)絡(luò)裝入?，F(xiàn)場控制站的執(zhí)行代碼分為兩部分:周期性執(zhí)行部分和隨機(jī)執(zhí)行部分。周期性執(zhí)行部分有:周期性數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)換處理、越限檢查、控制算法的周期性運(yùn)算、周期性的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信以及周期性系統(tǒng)狀態(tài)檢測等等，一般由硬件時(shí)鐘實(shí)時(shí)激活;隨機(jī)執(zhí)行部分主要是一些實(shí)時(shí)功能如信號(hào)故障處理、事件順序信號(hào)處理、實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的接受等隨機(jī)信號(hào)，一般由硬件中斷激活.執(zhí)行代碼部分的各個(gè)功能模塊大致可以分為輸入輸

8、出處理模塊、控制回路運(yùn)算模塊等。輸入信號(hào)的處理分為開關(guān)量輸入處理，模擬量輸入處理和脈沖量輸入處理。開關(guān)量的輸入主要用于進(jìn)行報(bào)警檢測，這在控制回路的構(gòu)成中是必不可少的一環(huán)，它由開關(guān)狀態(tài)決定。模擬量的輸入處理則要復(fù)雜些，一般要經(jīng)過尖峰信號(hào)抑制和數(shù)字濾波之后才可以送入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，同時(shí)，還要進(jìn)行輸入轉(zhuǎn)換處理，將信號(hào)轉(zhuǎn)換成工程單位所對(duì)應(yīng)的物理量。模擬量的輸出處理是對(duì)信號(hào)進(jìn)行二進(jìn)制編碼，然后送入D/A轉(zhuǎn)換通道即可，開關(guān)量的輸出則相對(duì)簡單，取出該位的值與其他各輸出位一同輸出即可。此外現(xiàn)場控制站還可能有脈沖量輸入處理模塊等?？刂苹芈愤\(yùn)算模塊是形成控制規(guī)律的核心部分，目前的組態(tài)軟件中大多包含如下的基本功能模塊:

9、加減乘除開方算法模塊、PID調(diào)節(jié)模塊、選擇控制模塊等，其中PID為最常用且為廣大工程人員掌握的控制算法之一，幾乎所有的組態(tài)軟件都包含各種類型的PID算法，如理想PID調(diào)節(jié)器、積分分離式PID調(diào)節(jié)器、不完全微分PID調(diào)節(jié)器、帶死區(qū)的PID調(diào)節(jié)器等。從而可以滿足不同的生產(chǎn)應(yīng)用的需要。當(dāng)然，控制算法中還有許多更高級(jí)一些的控制算法，如超前滯后補(bǔ)償算法、SMITH算法、以及目前己開始應(yīng)用的自適應(yīng)控制算法、模糊控制算法等等。然而，僅有這些控制算法是不夠完成一個(gè)實(shí)際系統(tǒng)的控制功能的，還要很多附加的功能才能保證系統(tǒng)的高可靠性和安全性，這些附加功能包括:控制死區(qū)和限幅提供PID算法的死區(qū)值和對(duì)輸出進(jìn)行限幅;控制

10、方式的選擇:有自動(dòng)方式、手動(dòng)方式和串級(jí)方式等幾種方式;控制算法跟蹤，無擾切換，這個(gè)功能的加入是由于在工業(yè)現(xiàn)場控制中，很多工業(yè)過程需要復(fù)雜的控制策略才能達(dá)到最佳的效果，因此需手動(dòng)到自動(dòng)，自動(dòng)到手動(dòng)等切換。此外，在復(fù)雜控制系統(tǒng)中，串級(jí)控制的加入和切除也經(jīng)常發(fā)生。在不同的控制方式進(jìn)行切換時(shí)，一般不希望有較大的控制輸出擾動(dòng)，所以需要加入控制算法跟蹤來實(shí)現(xiàn)控制方式之間的無擾切換，保證整個(gè)控制系統(tǒng)的可靠性和安全性。順序控制的組態(tài)與過程控制的組態(tài)類似，在上位機(jī)進(jìn)行組態(tài)，生成一個(gè)下裝的目標(biāo)文件，該目標(biāo)文件下裝到現(xiàn)場站，由現(xiàn)場站去執(zhí)行。而在現(xiàn)場站中則固化了順序控制的若千基本單元，如與或非邏輯運(yùn)算、定時(shí)器和計(jì)數(shù)器

11、、移位寄存器，從而構(gòu)成一個(gè)控制系統(tǒng)。(2) 數(shù)據(jù)庫生成、趨勢顯示和報(bào)表技術(shù)在組態(tài)軟件的構(gòu)成中，數(shù)據(jù)的記錄和分析也是重要的部分，因此數(shù)據(jù)庫也占有很重要的地位，它分為實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和歷史數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)。實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)可將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)下裝到現(xiàn)場控制站，也可將現(xiàn)場控制站的數(shù)據(jù)變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)格式，通過網(wǎng)絡(luò)傳送給上位機(jī)。通過調(diào)用或檢查實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫的信息，可及時(shí)地對(duì)系統(tǒng)發(fā)生的各種問題作出相應(yīng)反應(yīng)，歷史數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)是將一段時(shí)間內(nèi)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起來，進(jìn)行趨勢變化分析，同時(shí)也可以將一段時(shí)間內(nèi)的重要數(shù)據(jù)組織起來，匯成表格以便于管理人員進(jìn)行各種高層次的分析。(3) 顯示部分顯示部分是控制系統(tǒng)必不可少的功能之一。工業(yè)流程圖畫面可以使操作

12、人員不必時(shí)刻在排列的儀表盤上檢查各儀表的數(shù)據(jù)或巡視整個(gè)過程的運(yùn)行情況，只需輕松地坐在CRT顯示終端前即可觀察整個(gè)過程的工作情況。同時(shí)，還具有支持各種趨勢曲線，歷史曲線，棒圖等功能。目前國內(nèi)比較流行的國產(chǎn)工業(yè)自動(dòng)化通用組態(tài)軟件是組態(tài)王(KingView)。組態(tài)王配有加密鎖，支持工程加密;驅(qū)動(dòng)程序較為豐富，如支持DDE、板卡、OPC服務(wù)器、PLC、智能儀表、智能模塊等;支持ActiveX控件、配方管理、數(shù)據(jù)庫訪問、網(wǎng)絡(luò)功能、冗余功能;其擴(kuò)展性強(qiáng)，可與管理計(jì)算機(jī)或控制計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)通信。作為人機(jī)接口的智能軟件包，組態(tài)王是一種流行的PC機(jī)上建立工控的對(duì)象，它以Windows98/WindowsNT4.0中

13、文操作系統(tǒng)為平臺(tái)，具有Windows的圖形功能完備、界面一致性好和易學(xué)易用等特點(diǎn);它為用戶提供了從設(shè)備驅(qū)動(dòng)、數(shù)據(jù)采集到數(shù)據(jù)處理、流程控制、動(dòng)畫顯示、報(bào)表輸出等組態(tài)工作的操作平臺(tái);它具有多任務(wù)、多線程功能，其系統(tǒng)框架采用VC+編程，提供豐富的設(shè)備驅(qū)動(dòng)構(gòu)件及豐富的圖庫元件。利用組態(tài)王軟件可以大大減少工控軟件的開發(fā)重復(fù)性和單一性，并可利用PC機(jī)豐富的軟件資源，與組態(tài)王融合進(jìn)行二次開發(fā)，達(dá)到擴(kuò)展功能、提高智能化程度和提高參數(shù)精度的目的。1.2 組態(tài)軟件數(shù)據(jù)交換技術(shù)與以往用計(jì)算機(jī)語言開發(fā)軟件相比，組態(tài)軟件具有成功率高，可靠性強(qiáng)，開發(fā)周期短，便于更改、擴(kuò)充、升級(jí)等優(yōu)點(diǎn)。但組態(tài)軟件并非面面俱全，從對(duì)組態(tài)軟件

14、的使用和研究情況看，這些問題主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：(1) 在組態(tài)軟件沒有提供外部設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序時(shí)，它將無法實(shí)現(xiàn)和外部設(shè)備的通訊，這給用戶在開發(fā)使用上造成了很大的不便。(2) 在數(shù)據(jù)庫處理上，組態(tài)軟件雖然提供了與各種數(shù)據(jù)庫連接的有關(guān)數(shù)據(jù)庫操作函數(shù)，但不能提供直接對(duì)多個(gè)表的操作或多個(gè)字段的操作。不能提供關(guān)系數(shù)據(jù)庫所要求的直接數(shù)據(jù)庫表格。(3) 在報(bào)表統(tǒng)計(jì)處理功能上，組態(tài)王雖然提供了這方面的功能，但報(bào)表的格式不能滿足不同的需要，而且不能完成較為復(fù)雜的數(shù)據(jù)計(jì)算與處理。這就需要使用其它軟件來進(jìn)行數(shù)據(jù)庫擴(kuò)充或控制算法模塊的調(diào)用。目前這方面的研究主要是基于以下幾種技術(shù)：(1) DDE 標(biāo)準(zhǔn)DDE (Dyna

15、mic Data Exchange)是在Windows平臺(tái)下兩個(gè)應(yīng)用程序之間實(shí)時(shí)交換數(shù)據(jù)的有效方法，是基于消息的并且利用通常的Windows中的通信聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行內(nèi)部進(jìn)程間的相互通信的方法。它采用客戶/服務(wù)器模式，使用共享內(nèi)存來實(shí)現(xiàn)進(jìn)程之間的數(shù)據(jù)交換以及使用DDE協(xié)議獲得傳遞數(shù)據(jù)的同步。DDE協(xié)議是不同應(yīng)用程序之間共享數(shù)據(jù)的一個(gè)協(xié)議。(2) OPC 標(biāo)準(zhǔn)OPC (OLE for Process Control)定義了一個(gè)開放的接口，在這個(gè)接口上基于PC的軟件組件能交換數(shù)據(jù)。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是基于微軟的OLE(現(xiàn)在稱為ActiveX),COM, DCOM技術(shù)，由一系列用于過程控制和制造業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用領(lǐng)域的標(biāo)

16、準(zhǔn)接口、屬性及方法組成。由于得到了微軟的NT技術(shù)的支持，OPC為多種多樣的過程控制設(shè)備提供了公共的接口，為過程控制和工廠自動(dòng)化提供真正的即插即用軟件技術(shù)，使得過程控制和工廠自動(dòng)化的每一系統(tǒng)、每一設(shè)備、每一驅(qū)動(dòng)器能夠自由地連接和通信，而與過程中的控制軟件或設(shè)備無關(guān)。(3) ODBC 標(biāo)準(zhǔn)ODBC (Open Database Connectivity)，即開放的數(shù)據(jù)庫互連，是Microsoft建議并開發(fā)的數(shù)據(jù)庫訪問API標(biāo)準(zhǔn)，目的是實(shí)現(xiàn)異構(gòu)數(shù)據(jù)庫的互聯(lián)，為異種數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)提供一個(gè)框架，實(shí)現(xiàn)了最大限度上的互操作性。ODBC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了開放數(shù)據(jù)庫互聯(lián)的所有標(biāo)準(zhǔn)。支持ODBC標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)庫產(chǎn)品都提供基于自己

17、DBMS (Data Base Management System)的ODBC接口程序，如Access ,FoxPro, SQL server, Sybase, Oracle等均支持ODBC，支持ODBC標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用程序透過DBMS的ODBC接口程序，可以直接訪問DBMS中的數(shù)據(jù)項(xiàng)，進(jìn)行讀寫操作。第2章 MATLAB與組態(tài)軟件的通信工業(yè)過程自動(dòng)控制水平的提高，要求采用比傳統(tǒng)PID更先進(jìn)的高級(jí)控制功能，而這些高級(jí)控制功能是通用組態(tài)軟件難以實(shí)現(xiàn)的。所以在針對(duì)控制要求較高的對(duì)象時(shí)需要開發(fā)新的監(jiān)控軟件以擴(kuò)展原有系統(tǒng)的功能。組態(tài)王提供了友好的人機(jī)交互界面，強(qiáng)大的通訊功能，但是它的計(jì)算能力不強(qiáng)，難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜

18、的控制策略。MATLAB以矩陣和向量為基本數(shù)據(jù)單位，提供了強(qiáng)大的科學(xué)運(yùn)算、靈活的程序設(shè)計(jì)流程、便捷的與其他程序接口，高效率的復(fù)雜算法等，并且它還提供大量的標(biāo)準(zhǔn)算法庫，如系統(tǒng)辨識(shí)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、小波分析、數(shù)字信號(hào)處理等。但MATLAB本身也存在一些不足，如人機(jī)界面設(shè)計(jì)不方便、沒有提供與計(jì)算機(jī)硬件的接口、無法進(jìn)行端口操作，并且MATLAB一直被定位在科學(xué)計(jì)算、數(shù)學(xué)建模與仿真上，不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，始終未能應(yīng)用于實(shí)際的控制系統(tǒng)中。如果使用組態(tài)王作為系統(tǒng)主控，進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采樣、動(dòng)態(tài)工藝圖顯示、數(shù)據(jù)匯總等工作，同時(shí)MATLAB作為后臺(tái)應(yīng)用程序進(jìn)行控制算法的處理，這將有利于發(fā)揮組態(tài)王和MATLAB各自的優(yōu)勢，實(shí)

19、現(xiàn)復(fù)雜系統(tǒng)的控制，在實(shí)際的工程中必將達(dá)到較好的控制效果。這種混合編程技術(shù)中，最關(guān)鍵的是組態(tài)王和MATLAB之間的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通訊。組態(tài)王和MATLAB數(shù)據(jù)通訊的方式主要有動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換技術(shù)(DDE)和OPC、ODBC技術(shù)，本課題采用實(shí)時(shí)性較強(qiáng)的DDE通訊技術(shù)來實(shí)現(xiàn)兩者之間的通訊。2.1 DDE概述DDE (Dynamic Data Exchange，動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換)是Windows環(huán)境提供的一種基于消息的進(jìn)程Ml通信(Inter Process Communication, IPC)的方法，它采用客戶/服務(wù)器模式。進(jìn)程間通訊包括進(jìn)程之間和同步事件之間的數(shù)據(jù)傳遞。DOE使用共享內(nèi)存來實(shí)現(xiàn)進(jìn)程之間的數(shù)據(jù)交

20、換以及使用DDE協(xié)議獲得傳遞數(shù)據(jù)的同步。DOE協(xié)議是一組所有的DOE應(yīng)用程序都必須遵循的規(guī)則集。DDE協(xié)議可以應(yīng)用于兩類DDE應(yīng)用程序:第一類是基于消息的DDE，第二類是動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換管理庫(DDEML)應(yīng)用程序(使用動(dòng)態(tài)連接庫(DLL)。DDE應(yīng)用程序可以分為4種類型：客戶、服務(wù)器、客戶/服務(wù)器和監(jiān)視器。DDE會(huì)話發(fā)生在客戶應(yīng)用程序和服務(wù)器應(yīng)用程序之間?？蛻魬?yīng)用程序從服務(wù)器應(yīng)用程序請(qǐng)求數(shù)據(jù)或服務(wù);服務(wù)器應(yīng)用程序響應(yīng)客戶應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)或服務(wù)請(qǐng)求;客戶/服務(wù)器應(yīng)用程序既是客戶應(yīng)用程序又是服務(wù)器應(yīng)用程序，它既可發(fā)出請(qǐng)求又可提供信息;監(jiān)視器應(yīng)用程序用于調(diào)試目的。DDE應(yīng)用程序可擁有多重進(jìn)發(fā)會(huì)話。DDE

21、協(xié)議規(guī)定會(huì)話中的消息必須同步控制，但應(yīng)用程序可以在不同的會(huì)話之間異步切換。DDE應(yīng)用程序采用3層識(shí)別系統(tǒng):應(yīng)用程序名(pplication)、主題(Topic)和項(xiàng)目名(Item)。應(yīng)用程序名位于層次結(jié)構(gòu)的頂層，用于指出特定的DDE服務(wù)器應(yīng)用程序名。主題名更深刻地定義了服務(wù)器應(yīng)用程序會(huì)話的主題內(nèi)容，服務(wù)器應(yīng)用程序可支持一個(gè)或多個(gè)主題名。項(xiàng)目名更進(jìn)一步確定了會(huì)話的詳細(xì)內(nèi)容，每個(gè)主題名可擁有一個(gè)或多個(gè)項(xiàng)目名。DDE工作原理見圖2-1。DDE客戶DDE服務(wù)器圖2-1 DDE工作原理與結(jié)構(gòu)建立DDE會(huì)話后，客戶應(yīng)用程序和服務(wù)器應(yīng)用程序可通過3種鏈接方式進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。3種鏈接方式為：冷鏈接(Cold L

22、ink)、溫鏈接(Warm Link)和熱鏈接(Hot Link)。冷鏈接客戶應(yīng)用程序申請(qǐng)數(shù)據(jù)，服務(wù)器應(yīng)用程序立刻給客戶應(yīng)用程序發(fā)送數(shù)據(jù)，服務(wù)器應(yīng)用程序處于主動(dòng)地位;溫鏈接服務(wù)器應(yīng)用程序通知客戶應(yīng)用程序數(shù)據(jù)項(xiàng)發(fā)生了變化，但并沒有將已變化的值發(fā)送給用戶應(yīng)用程序;熱鏈接當(dāng)數(shù)據(jù)項(xiàng)發(fā)生變化時(shí)，服務(wù)器應(yīng)用程序立即把變化后的值發(fā)送給客戶應(yīng)用程序，服務(wù)器應(yīng)用程序處于主動(dòng)地位。2.2 MATLAB 的DDE功能MATLAB作為客戶應(yīng)用程序時(shí),支持文本格式的數(shù)據(jù)傳送,可以使用MATLAB中的DDE 客戶端模塊所提供的函數(shù)與服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信 。MATLAB提供了7個(gè)客戶函數(shù), 它們分別是DDEinit函數(shù)建立M

23、ATLAB 和服務(wù)器對(duì)話,如果建立成功,則返回1個(gè)通道號(hào),以后任何其他DDE 操作均通過此通道進(jìn)行; DDEadv函數(shù)建立鏈接; DDEreq函數(shù)用于從服務(wù)器請(qǐng)求數(shù)據(jù); DDEpoke函數(shù)則從MATLAB向DDE 服務(wù)器應(yīng)用程序發(fā)送數(shù)據(jù); DDEcxec函數(shù)用于向DDE 服務(wù)器應(yīng)用程序發(fā)送執(zhí)行命令; DDEunadv函數(shù)是釋放鏈接; DDEterm函數(shù)用于終止DDE服務(wù)器應(yīng)用程序與MATLAB 之間對(duì)話。MATLAB的DDE通信功能需要通過編寫M文件完成,此外作為客戶應(yīng)用程序,MATLAB還必須定義服務(wù)器應(yīng)用程序的3個(gè)標(biāo)識(shí)符。2.3 組態(tài)王與MATLAB的通訊設(shè)計(jì)為便于理解,這里以某控制系統(tǒng)為

24、例進(jìn)行說明。在組態(tài)王界面上設(shè)定給定值信號(hào),同時(shí)它采集仿真PLC的數(shù)據(jù)作為被測量,并將這2個(gè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送給MATLAB 軟件,由該軟件進(jìn)行復(fù)雜控制運(yùn)算得到控制量輸出給組態(tài)王進(jìn)行顯示和輸出。在組態(tài)王中定義3個(gè)變量,其中1個(gè)為被測量x(1),連接設(shè)備為仿真PLC; 1個(gè)為內(nèi)存變量x(2),即給定值信號(hào),可通過界面進(jìn)行修改,上述2個(gè)變量允許DDE訪問。另1個(gè)變量為I/O型變量,連接DDE 設(shè)備。變量x作為MATLAB的觸發(fā)變量,只要其值變化,就通知MATLAB進(jìn)行控制算法運(yùn)算,并返回控制變量y 。MATLAB的DDE通信必須通過編寫S函數(shù)實(shí)現(xiàn)。MATLAB與組態(tài)王通信的仿真框圖見圖2-2 。圖2-2

25、MATLAB與組態(tài)王通信的仿真框圖其中, InitDDE是DDE初始化函數(shù),model模塊是控制算法模塊,DDEInput是MATLAB接收數(shù)據(jù)函數(shù),其發(fā)送數(shù)據(jù)函數(shù)為DDEOutput 。(1) DDE初始化函數(shù)InitDDEglobal channel ; %channel 是DDE初始化返回的標(biāo)識(shí)通道值。channel = DDEinit (view,tagname) ; %DDE通信初始化,指定“view”為應(yīng)用程序名,“tagname”為主題名if channel = = 0 disp (DDE initialization failed !) ;else disp (DDE init

26、ialization succeeded !) ;end (2) MATLAB接收數(shù)據(jù)函數(shù)DDEInputFunction sys , x0 , str , ts = DDEInput (t,x ,u,flag)reg1 =仿真 PLC. RADOM100; %在組態(tài)王中指定變量寄存器RADOM100reg2 =仿真 PLC. STATIC100; %在組態(tài)王中指定變量寄存器STATIC100switch flag ,case 0 sys ,x0 ,str ,ts = mdl Initializesizes;case 3x(1) = DDEreq (channel , reg1) ; %從寄存

27、器中采集過程變量,并賦值給變量x(1)x(2) = DDEreq (channel , reg2) ; %從寄存器中采集過程變量,并賦值給變量x (2)for i = 12sysi = x(i)endcase 1、2、4、9sys = end(3) MATLAB發(fā)送數(shù)據(jù)函數(shù)DDEOutputFunctionsys , x0 , str , ts = DDEInput (t,x,u,flag)switch flag ,case 0 sys ,x0 ,st r ,t s = mdl Initializesizes ;case 3DDEpoke (channel ,data, y) ) ; 將控制量

28、y發(fā)送回組態(tài)王中,data 為發(fā)送數(shù)據(jù)的項(xiàng)目名case 1、2、4、9sys = end特別說明的是,應(yīng)在控制算法模塊中,引入2個(gè)函數(shù)。第1個(gè)為DDEadv() ,其作用是與DDE服務(wù)器建立勢鏈接;第2個(gè)為根據(jù)控制策略編寫的函數(shù)。當(dāng)組態(tài)王程序中變量x 的內(nèi)容一旦發(fā)生變化,將立即引起控制策略函數(shù)的執(zhí)行,并通過指令將運(yùn)算結(jié)果發(fā)送回組態(tài)王中。2.4 組態(tài)王監(jiān)控畫面的實(shí)現(xiàn)組態(tài)王主要由TouchMak和TouchVew兩大模塊構(gòu)成。前者是開發(fā)環(huán)境，后者是運(yùn)行環(huán)境。用戶在開發(fā)環(huán)境中設(shè)計(jì)并制作動(dòng)畫畫面，進(jìn)行相關(guān)變量的定義，然后進(jìn)行動(dòng)畫連接，使畫面中的圖形對(duì)象與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)變量間建立一種關(guān)系，數(shù)據(jù)庫中的

29、變量受外部設(shè)備的控制，外部設(shè)備如PLC、智能模塊等通過各自的驅(qū)動(dòng)程序，與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中的對(duì)應(yīng)變量建立聯(lián)系，最后切換到運(yùn)行環(huán)境，就可實(shí)現(xiàn)動(dòng)畫效果。由于組態(tài)王遵循Windows下標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換(DDE)協(xié)議，所以借助于DDE和外設(shè)驅(qū)動(dòng)程序，組態(tài)王可自動(dòng)將外設(shè)的狀態(tài)及時(shí)傳遞給數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)變量，用戶無須考慮以往程序設(shè)計(jì)中繁雜的通信問題。組態(tài)王與外設(shè)交換數(shù)據(jù)的示意圖如圖2-3所示。組態(tài)王還為用戶配備了豐富的命令語言，如應(yīng)用程序命令語言、熱鍵命令語言、事件命令語言和變量改變命令語言等。用戶可以使用這些語言非常方便地對(duì)畫面進(jìn)行控制。動(dòng)畫演示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫驅(qū)動(dòng)程序驅(qū)動(dòng)程序驅(qū)動(dòng)程序驅(qū)動(dòng)程序模 塊PLC智能模塊其他

30、工控設(shè)備圖2-3 組態(tài)王與外設(shè)交換數(shù)據(jù)的示意圖利用組態(tài)王進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)的過程如下：(1) 配置I/O設(shè)備。組態(tài)王支持的硬件設(shè)備包括:可編程控制器(PLC),智能模塊、板卡、智能儀表、變頻器等。工程人員可以把每一臺(tái)下位機(jī)當(dāng)作一種設(shè)備，不必關(guān)心具體的通信協(xié)議，只需在組態(tài)王的設(shè)備庫中選擇相應(yīng)設(shè)備的類型，然后按照“設(shè)備配置向?qū)А钡奶崾疽徊讲酵瓿砂惭b即可，使驅(qū)動(dòng)程序的配置更加方便。組態(tài)王的驅(qū)動(dòng)程序采用ActiveX技術(shù)，使通訊程序和組態(tài)王構(gòu)成一個(gè)完整的系統(tǒng)，保證運(yùn)行系統(tǒng)的高效率。已配置的I/O設(shè)備在工程瀏覽器的設(shè)備節(jié)點(diǎn)中分類列出，用戶可以隨時(shí)查詢和修改。(2) 構(gòu)造數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫是“組態(tài)王”最核心的部分，

31、是聯(lián)系上位機(jī)和下位機(jī)的橋梁。在數(shù)據(jù)庫中存放的是變量的當(dāng)前值，變量的集合稱為“數(shù)據(jù)詞典”，數(shù)據(jù)詞典記錄了所有用戶可使用的數(shù)據(jù)變量的詳細(xì)信息。工程人員根據(jù)需要建立內(nèi)存變量和I/O 變量，配置變量的類型和各種屬性，并將I/O變量與相應(yīng)的I/O設(shè)備寄存器連接。(3) 制作圖形畫面。根據(jù)生產(chǎn)操作要求建立自己需要的畫面，利用組態(tài)王提供的豐富圖庫，在每個(gè)畫面上生成互相關(guān)聯(lián)的靜態(tài)或動(dòng)態(tài)圖形對(duì)象。畫面包括具備一定功能的按鈕及菜單、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及歷史數(shù)據(jù)顯示、實(shí)時(shí)趨勢曲線、歷史趨勢曲線、報(bào)警顯示等。(4) 定義動(dòng)畫連接。建立動(dòng)畫連接使畫面上的圖形對(duì)象與數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)變量之間建立了一種特定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，當(dāng)變量的值改變時(shí)，圖

32、形對(duì)象可以按動(dòng)畫連接的要求改變顏色、尺寸、位置、填充百分?jǐn)?shù)等。也可以通過圖形對(duì)象改變數(shù)據(jù)變量的值。(5) 網(wǎng)絡(luò)設(shè)置。組態(tài)王完全基于網(wǎng)絡(luò)的概念，是一種真正的客戶機(jī)/服務(wù)器模式，支持分布式歷史數(shù)據(jù)庫和分布式報(bào)警系統(tǒng)，支持TCP/IP協(xié)議。工程人員根據(jù)系統(tǒng)需要設(shè)立I/0服務(wù)器、報(bào)警服務(wù)器、登錄服務(wù)器、WEB服務(wù)器和客戶端。(6) 運(yùn)行和調(diào)試。在開發(fā)過程中，可以不斷運(yùn)行實(shí)時(shí)運(yùn)行環(huán)境TouchVew,利用組態(tài)王信息窗口運(yùn)行和調(diào)試在畫面制作系統(tǒng)中建立的圖形畫面。第三章 PLC實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)3.1 PLC通訊連接方式PLC與上位機(jī)一般采用RS-232接口的異步串行方式。C200HS是OMRON 公司在C200

33、H 的基礎(chǔ)上推出的一種新型PLC ,比C200H有許多優(yōu)點(diǎn),其中一個(gè)主要的特點(diǎn)就是在CPU單元上,增加了一個(gè)內(nèi)置的RS-232連接器,PLC不用再配置專用的通訊模塊,就可以很方便地和外部設(shè)備進(jìn)行串行通訊,圖3-1是C200HS與上位機(jī)通訊的接口連線。圖3-1 通訊連接3.2 PLC通訊協(xié)議OMRON C200HS通過RS-232接口與上位機(jī)通訊有兩種方式:其一,上位機(jī)始終具有初始傳送優(yōu)先權(quán),所有的通訊均有上位機(jī)來啟動(dòng),C200HS總是處于被動(dòng)狀態(tài),其二,命令由PLC 發(fā)至上位機(jī),此時(shí)PLC 擁有傳送權(quán),我們設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)中主要采用第一種方式。PLC與上位機(jī)的數(shù)據(jù)通訊是以“幀”為單位進(jìn)行的,幀的

34、格式如圖3-2、3-3 所示,命令幀由上位機(jī)發(fā)送給PLC ,應(yīng)答幀為PLC 接收到命令幀后自動(dòng)向上位機(jī)發(fā)送的應(yīng)答信號(hào)。圖3-2 命令幀圖圖3-3 應(yīng)答幀在幀的傳送格式中“, ”為起始符號(hào);節(jié)點(diǎn)號(hào)為PLC的編號(hào)(00 - 31) ,由PLC 的DM6648、DM6653 設(shè)置,我們只有一個(gè)下位機(jī)PLC ,則其節(jié)點(diǎn)號(hào)為00 ;識(shí)別碼說明幀的功能,例如,RD和WD 分別為讀和寫DM數(shù)據(jù)區(qū)的內(nèi)容; FCS為2字符的幀的檢查順序碼,即從幀起始到幀報(bào)文結(jié)束(FCS)之前數(shù)據(jù)異或運(yùn)算后的結(jié)果,用來檢查幀的傳送結(jié)果; 3和CR為終止符,表明幀結(jié)束。例如命令00RD20100003FCS 3 CR 表示計(jì)算機(jī)要

35、求讀出PLC中DM數(shù)據(jù)區(qū)D2010開始的3個(gè)通道的數(shù)據(jù)內(nèi)容,應(yīng)答幀00RD004A02344D001C FCSCR中的結(jié)束嗎為“00”,表明通訊有效,接受的3個(gè)通道的數(shù)據(jù)分別為4A02、344D、001C(16進(jìn)制) 。3.3 PLC通訊程序設(shè)計(jì)在PLC與上位機(jī)通信之前,必須對(duì)RS232通訊端口進(jìn)行初始化,使兩者按相同的格式通訊。初始化參數(shù)包括波特率、起始位、數(shù)據(jù)位、停止位和奇偶校驗(yàn)等。C200HS的RS-232通訊口一般設(shè)置為9600bps、1個(gè)起始位、7個(gè)數(shù)據(jù)位、2個(gè)停止位、偶校驗(yàn),因而只需對(duì)上位機(jī)的RS232端口進(jìn)行初始化即可。上位機(jī)的通訊程序用C語言設(shè)計(jì),C語言提供了專門用于串行通訊的

36、函數(shù)bios -com( ) ,其格式為int bioscom(int cmd ,char byte ,int port)port為上位機(jī)的串行口代碼,port = 0為COM1 ,port = 1為COM2 ;byte為串行口初始化參數(shù),當(dāng)byte = 0XFE 時(shí),設(shè)置的串行口通訊參數(shù)為:9600bps、1個(gè)起始位、7個(gè)數(shù)據(jù)位、2個(gè)停止位、偶校驗(yàn),與C200HS串行口的通訊方式相同; cmd 為功能參數(shù),cmd = 0 時(shí)初始化串行口,cmd = 1 時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù),cmd =2 時(shí)接收數(shù)據(jù),cmd = 3 時(shí)讀串行口的當(dāng)前狀態(tài)。bioscom( )返回值為一個(gè)2字節(jié)的整數(shù),可以據(jù)此判別數(shù)據(jù)發(fā)

37、送和接收是否成功,發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的最高位為“1”,表示發(fā)送出錯(cuò),接收數(shù)據(jù)時(shí)的高位字節(jié)不為“0”,表示通訊有錯(cuò),當(dāng)高位字節(jié)為“0”時(shí),其低位字節(jié)即為接收到的字符。通訊程序框圖,如圖3-3所示,由于每次傳送數(shù)據(jù)時(shí),單幀的最大數(shù)據(jù)容量為131個(gè)字符,因此當(dāng)傳送的數(shù)據(jù)超過131個(gè)字符時(shí),應(yīng)當(dāng)在傳送前分成若干幀,分段傳送,第一幀和中間幀的結(jié)尾處用定界符(回車符CR) 替代終止符( 3 CR)。圖3-4 通訊程序框圖第四章 PLC控制系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例4.1 污水處理系統(tǒng)的原理采取(計(jì)算機(jī))+PLC控制模式。PLC作為下位機(jī)控制器，通過RS232通訊總線，直接與上位計(jì)算機(jī)(工業(yè)計(jì)算機(jī))進(jìn)行通訊。PLC通過與上位計(jì)算

38、機(jī)的通訊，可以修改PLC中的各種參數(shù)數(shù)據(jù)，PLC也同時(shí)向計(jì)算機(jī)發(fā)送測得的參數(shù)數(shù)據(jù)，以便計(jì)算機(jī)顯示實(shí)時(shí)參數(shù)數(shù)據(jù)和存入數(shù)據(jù)庫，同時(shí)通過計(jì)算機(jī)上安裝的組態(tài)王組態(tài)軟件對(duì)控制現(xiàn)場進(jìn)行組態(tài)。即用PLC對(duì)對(duì)象進(jìn)行控制，而同時(shí)在現(xiàn)場計(jì)算機(jī)上安裝組態(tài)軟件組態(tài)王對(duì)PLC以及操作現(xiàn)場進(jìn)行控制及監(jiān)測。4.2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 在進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)之前，首先根據(jù)控制系統(tǒng)的工藝流程以及控制系統(tǒng)的具體要求和最終目標(biāo)對(duì)控制系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行選擇。4.2.1 控制系統(tǒng)設(shè)備選擇及簡介控制系統(tǒng)主要的硬件設(shè)備如表4-1所示:設(shè)備名稱（型號(hào)）數(shù)量（個(gè)）可編程序控制器(PLC)CPM2A-30CDR-A1模擬量I/O單元CPM2A-MAD022RS

39、232C通信適配器CPM2-CIFO11A1系列人工智能工業(yè)調(diào)節(jié)器( AI-708T )2表4-1 控制系統(tǒng)主要硬件設(shè)備4.2.2 可編程序控制器(PLC) 可編程序控制器(Programmable Logic Controller )，簡稱PLC，是一種以計(jì)算機(jī)(微處理器)為核心的通用工業(yè)控制裝置，目前己被廣泛地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域。本系統(tǒng)采用由日本OMRON生廠的CPM2A系列的小型整體式PLC-CPM2A-30CDR-A, 18個(gè)輸入12個(gè)繼電器輸出。早期的可編程序控制器只能進(jìn)行開關(guān)量的邏輯控制，現(xiàn)代可編程序控制器采用微處理器(Microprocessor)作為中央處理單元，其功能大

40、大增強(qiáng)，它不僅具有邏輯控制功能，還具有算術(shù)運(yùn)算、模擬量處理和通信聯(lián)網(wǎng)等功能。a.整體式PLC的結(jié)構(gòu)整體式PLC是將中央處理單元(CPU)、存儲(chǔ)器、輸入單元、輸出單元、電源、通信接口等組裝成一體，構(gòu)成主機(jī)。另外還有獨(dú)立的I/O擴(kuò)展單元與主機(jī)配合使用。主機(jī)中，CPU是PLC的核心，I/O擴(kuò)展單元是連接CPU與現(xiàn)場設(shè)備之間的接口電路，通信接口用于PLC與編程器和上位機(jī)等外部設(shè)備的連接。整體式PLC的基本組成如圖4-2所示用戶輸入設(shè)備輸入單元用戶輸出設(shè)備I/O擴(kuò)展口外設(shè)接口輸出單元中央處理單元CPU系統(tǒng)程序儲(chǔ)存器用戶程序存儲(chǔ)器電源I/O擴(kuò)展單元特殊功能單元圖4-2 整體式PLC的組成示意圖b.PLC編

41、程軟件 本系統(tǒng)中PLC編程軟件選用OMRON C/CV系列PLC Windows版編程軟件CPT（SYSMAC-CPT）。它具有強(qiáng)大的編程、調(diào)試、監(jiān)控功能和完善的維護(hù)功能，使程序開發(fā)及系統(tǒng)維護(hù)簡單、快捷。采用的編程語言為梯形圖語言。梯形圖表達(dá)式是在原電器控制系統(tǒng)中常用的接觸器，熔電器梯形圖基礎(chǔ)上演變而來的，它與電器操作原理圖相呼應(yīng)。它的最大優(yōu)點(diǎn)是形象、直觀和實(shí)用，為廣大電氣技術(shù)人員所熟悉，是PLC的主要編程語言。c.PLC基本單元的硬件配置日本歐姆龍的CPM2A系列PLC特點(diǎn)是超小型、高性能、高速度，且具有豐富的高級(jí)指令系統(tǒng)，執(zhí)行一條邏輯指令的時(shí)間僅需1.72us，完全可以適用于污水處理中的過

42、程檢測與控制。表4-3表明了CPM2A系列PLC的基本性能指標(biāo)。項(xiàng)目性能輸入輸出控制方式循環(huán)掃描方式和即時(shí)刷新方式并用運(yùn)算處理速度基本指令14種 LD指令=1.72us應(yīng)用指令79種、139條 MOV指令=16.3us輸入繼電器（IR）IR00000IR00915輸出繼電器（IR）IR01000IR01915內(nèi)部輔助繼電器（IR）512點(diǎn)：IR20000IR23115（IR200IR231）特殊輔助繼電器（SR）384點(diǎn)：IR23200IR25515（IR232IR255）定時(shí)器/計(jì)數(shù)器（TIM/CNT）128點(diǎn)：TIM/CNT000127數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器可讀/寫1002字：DM00000999、D

43、M10221023故障履歷存入?yún)^(qū)22字：DM10001021只讀456字：DM61446599PC系統(tǒng)設(shè)定區(qū)56字：DM66006655表4-3 PLC基本單元性能d.PLC模擬量輸入輸出模塊的硬件配置在監(jiān)控系統(tǒng)中采用了CPM2A-MAD02模擬輸入模塊(模擬量I/O單元)，作為CPM2A的特殊功能模塊，最多可以連接3臺(tái)。該模塊具有四個(gè)輸入通道和一個(gè)輸出通道，每個(gè)輸入輸出可以指定電壓或電流輸入輸出。表4-4為該模塊的性能表。輸入通道數(shù)4輸入信號(hào)范圍010V、15V、420mA分辨率010V8位15V8位420mA8位輸入形式差動(dòng)輸入最大輸出信號(hào)電壓輸入：1M電流輸入：250輸出通道數(shù)1輸出信號(hào)

44、范圍-10V10V、010V、420mA分辨率-10V10V9位010V8位420mA8位最大輸出電流電壓輸出5mA總輸出電流21mA表4-4 模擬量輸入輸出模塊性能e.RS232通信適配器在計(jì)算機(jī)與PLC進(jìn)行RS232通信時(shí)，選擇了RS232通信適配器作為外設(shè)端口和RS232口之間的電平轉(zhuǎn)換，RS232通信適配器性能如表4-5所示。型號(hào)CPM1CIF01功能在外設(shè)端口和RS232C口之間作電平轉(zhuǎn)換表4-5 RS232通信適配器性能4.2.3 AI系列人工智能工業(yè)調(diào)節(jié)器 AI系列人工智能工業(yè)調(diào)節(jié)器可支持熱電偶、熱電阻、線性電壓/電流等多種輸入，在本系統(tǒng)用來作為預(yù)酸化槽溫度和反應(yīng)器溫度的顯示和變

45、送，所選型號(hào)為AI-708T。其主要性能如表4-5所示。測量精度0.2級(jí)±0.2FS分辨率熱電偶、熱電阻輸入時(shí)1、0.1采樣周期0.5s輸出光電隔離的線形電流輸出顯示規(guī)格4位數(shù)碼管顯示表4-5 AI-708T主要技術(shù)指標(biāo)4.3 控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)根據(jù)所選設(shè)備對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3-2所示。在本項(xiàng)目中，控制系統(tǒng)分為4層，設(shè)備層:即傳感器、機(jī)電設(shè)備層；電器層:即智能儀表、在線儀器、采集/控制低端設(shè)備層;控制層:PLC集散型控制層;操作層:PC主控計(jì)算機(jī)，即中央控制室操作層。整個(gè)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型如圖5、圖6所示。污水處理廠的監(jiān)視控制方式應(yīng)當(dāng)考慮污水與污泥處理設(shè)施規(guī)模、布置

46、、行事、擴(kuò)建、維護(hù)管理體制、經(jīng)濟(jì)性等方面的問題來選擇。圖5 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 圖6 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型為了提高效率，在小型污水處理廠中，應(yīng)當(dāng)引進(jìn)遠(yuǎn)距離監(jiān)視和自動(dòng)控制方式。但考慮到建設(shè)費(fèi)及維護(hù)管理體制，應(yīng)盡可能選用簡單的監(jiān)視控制方式。圖7-1是PLC控制系統(tǒng)的簡單示意圖。系統(tǒng)中采用日本歐姆龍公司的CPM2A系列PLC作為現(xiàn)場的控制設(shè)備，用于通過AD模塊處理模擬信號(hào)。同時(shí)，PLC作為下位機(jī)控制器，通過RS232通訊總線，直接與上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊。在組態(tài)畫面中輸入給定值到PLC中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中與通過MAD02模擬量模塊A/D轉(zhuǎn)化后的數(shù)字量進(jìn)行比較來確定PLC對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的操作，從而形成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。給定

47、值控制器(PLC)反饋裝置執(zhí)行結(jié)構(gòu)被空對(duì)象MAD02模塊圖7-1 PLC控制系統(tǒng)簡單示意圖CPM2A基本單元最多可進(jìn)行10100點(diǎn)的控制，而在工廠污水處理裝置中一般控制點(diǎn)為30點(diǎn)左右。運(yùn)行速度方面，CPM2A CPU完成一條邏輯指令的運(yùn)行速度僅為1.72us。完全可以勝任在工廠污水處理裝置中的應(yīng)用。CPM2A一MAD02是8位高精度模擬量輸入輸出模塊。模塊輸入信號(hào)可以組態(tài)為DC+4+20mA , DC+1+5V 、DC0+10，相應(yīng)數(shù)字輸出范圍為0255 (OOOOOOFF)。模塊的AD轉(zhuǎn)換速度為10 ms，分辨率為8位，綜合精確度±1%，模塊采用光電耦合隔離(DC5OOV)，使I/

48、O端子和PLC間隔離。4.4 控制系統(tǒng)整體控制框圖可編程控制器（PLC）CPM2A-30CDR-ARS232通訊適配器 CPM2-CIF01工業(yè)計(jì)算機(jī)CPM2A-MAD02-02CPM2A-MAD02-02AAAAAAAAAA加熱元件1加熱元件1加熱元件1加熱元件1加熱元件1AI系列人工智能工業(yè)調(diào)節(jié)器AI-708TAI系列人工智能工業(yè)調(diào)節(jié)器AI-708T溫度傳感器溫度傳感器原廢水泵出水回流泵進(jìn)液泵攪拌電機(jī)熱水循環(huán)泵圖7-2 控制系統(tǒng)整體控制框圖在本系統(tǒng)中，整體控制系統(tǒng)框圖如圖7-2所示，該系統(tǒng)主要由工業(yè)計(jì)算機(jī)、RS232通信適配器、可編程序控制器(PLC)、模擬量I/O單元CPM2A-MAD0

49、2等幾部分組成。系統(tǒng)中，采用日本歐姆龍公司的CPM2A系列PLC作為現(xiàn)場的控制設(shè)備，通過CPM2A-MAD02模塊處理模擬信號(hào)。同時(shí)，PLC作為下位機(jī)控制器，通過RS232通訊總線，直接與上位計(jì)算機(jī)(工業(yè)計(jì)算機(jī))進(jìn)行通訊。PLC通過與上位計(jì)算機(jī)的通訊，可以修改PLC中的各種參數(shù)數(shù)據(jù)，PLC也同時(shí)向計(jì)算機(jī)發(fā)送測得的參數(shù)數(shù)據(jù)，以便計(jì)算機(jī)顯示實(shí)時(shí)參數(shù)數(shù)據(jù)和存入數(shù)據(jù)庫，同時(shí)通過計(jì)算機(jī)上安裝的組態(tài)王組態(tài)軟件對(duì)控制現(xiàn)場進(jìn)行組態(tài)。溫度、液位和PH值傳感器分別通過各自的變送器接相應(yīng)的CPM2A-MAD02模塊，圖7-2中A為固態(tài)繼電器。4.5 控制系統(tǒng)上位機(jī)與下位機(jī)的通訊設(shè)計(jì)在本控制系統(tǒng)中，可編程序控制器(P

50、LC)作為下位機(jī)，工業(yè)計(jì)算機(jī)作為上位機(jī)，通過配置RS232C適配器CPM2-CIFO1(模式開關(guān)設(shè)至“HOST”)來實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)的RS232串行通信。所用的通信系統(tǒng)為HOST Link通信系統(tǒng)。下面就HOST Link通信系統(tǒng)作一介紹。4.5.1 HOST Link通訊系統(tǒng)PLC與上位計(jì)算機(jī)的連接通信稱為HOST Link通信。一臺(tái)CPM2A與一臺(tái)上位機(jī)通信稱為1:l方式。多臺(tái)CPM2A與一臺(tái)上位機(jī)通信稱為1:N方式。HOST Link通信時(shí)，上位機(jī)發(fā)出指令信息給PLC，PLC返回響應(yīng)信息。按照這種會(huì)話式的順序，上位機(jī)就可以讀寫PLC的繼電器區(qū)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)及各種設(shè)定狀態(tài)的信息，監(jiān)視PLC

51、的工作狀態(tài)，進(jìn)行故障報(bào)警，在線修改PLC設(shè)定值和當(dāng)前值，對(duì)PLC實(shí)行強(qiáng)迫置位、復(fù)位、甚至更換PLC程序等。利用1:N HOST Link通信可以用一臺(tái)上位機(jī)監(jiān)控多臺(tái)PLC，實(shí)現(xiàn)集散控制，一臺(tái)上位機(jī)最多可以監(jiān)控32臺(tái)PLC，CPM2A無RS232C口，它通過外設(shè)日與上位機(jī)通信，因此，在l:1方式下，需配置RS232C適配器CPM2CIF01 (模式開關(guān)設(shè)至"HOST")。在1:N方式下，要使用鏈接適配器B500-AL004和RS422適配器。HOST Link通信系統(tǒng)是由上位計(jì)算機(jī)(IBM PC或兼容機(jī))通過安裝在各臺(tái)PLC上的HOST Link單元連接多臺(tái)PC而構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)。

52、上位機(jī)對(duì)系統(tǒng)中的PLC進(jìn)行集中管理與監(jiān)控，通過與HOST Link單元的通信，它可以編輯或修改各臺(tái)PLC的程序，實(shí)時(shí)監(jiān)控其運(yùn)動(dòng)過程，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化系統(tǒng)的集散控制。在HOST Link系統(tǒng)中，上位機(jī)集中管理和監(jiān)控所連接的PLC。通過與HOST Link單元通信，上位機(jī)實(shí)現(xiàn)的功能有:讀寫PLC的運(yùn)行狀態(tài)，讀寫PLC的出錯(cuò)信息，讀寫繼電器區(qū)(IR/HR/AR/LR)和數(shù)據(jù)區(qū)DM的內(nèi)容，讀寫定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的設(shè)定值及當(dāng)前值，對(duì)指定點(diǎn)或通道強(qiáng)迫置位/復(fù)位，讀寫PLC的程序，讀取或修改I/O表等。上位機(jī)與PLC通信時(shí)，用戶應(yīng)遵循通信協(xié)議及按照通信命令及響應(yīng)的含義、幀的定義及FCS計(jì)算等要求，在上位機(jī)上設(shè)計(jì)通信程

53、序，而在各臺(tái)PC上不需要設(shè)計(jì)通信程序。通信時(shí)，上位機(jī)是主動(dòng)的，PC是被動(dòng)的。PC之間不進(jìn)行直接通信，如果PLC之間需要交換信息，必須由上位機(jī)中轉(zhuǎn)。通信前，應(yīng)在PLC的HOST Link單元上設(shè)置單元號(hào)及相關(guān)的通信參數(shù)。上位機(jī)的通信參數(shù)如數(shù)據(jù)格式、波特率等必須和PLC設(shè)置一致。HOST Link系統(tǒng)使用HOST Link通信協(xié)議進(jìn)行通信，上位機(jī)具有傳送優(yōu)先權(quán)，總是首先發(fā)出命令并啟動(dòng)通信，HOST Link單元受到命令交由PC執(zhí)行，然后將執(zhí)行結(jié)果返回上位機(jī)，二者以幀為單位輪流交換數(shù)據(jù)。4.5.2 上位機(jī)與HOST Link單元的多點(diǎn)通信協(xié)議上位機(jī)與HOST Link單元的多點(diǎn)通信協(xié)議如圖3-6所示

54、:通信時(shí)一組傳送的數(shù)據(jù)稱為塊，它是命令或響應(yīng)的單位，從上位機(jī)發(fā)送到HOST Link單元的數(shù)據(jù)塊稱為命令塊，反過來，從HOST Link單元發(fā)送到上位機(jī)的數(shù)據(jù)塊稱為響應(yīng)塊。每個(gè)塊以設(shè)備號(hào)及標(biāo)題開始，以校驗(yàn)碼(FCS)及結(jié)束符結(jié)束，響應(yīng)塊中還包括反應(yīng)執(zhí)行結(jié)果的響應(yīng)碼。多點(diǎn)通信時(shí)，可作為單幀發(fā)送的最大數(shù)據(jù)塊為131個(gè)字符，因此當(dāng)一個(gè)數(shù)據(jù)塊含有132個(gè)或更多字符時(shí)，要分成兩幀或多幀發(fā)送。多點(diǎn)通信時(shí)校驗(yàn)碼的計(jì)算:校驗(yàn)碼FCS(Frame Checksum)是8位二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成的2位ASCII字符。這8位數(shù)據(jù)是將一幀中校驗(yàn)碼前所有字符的ASCII碼按位連續(xù)異或的結(jié)果。轉(zhuǎn)換成字符時(shí)，按照2位十六進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換

55、成對(duì)應(yīng)的數(shù)字字符。4.5.3 PLC與計(jì)算機(jī)RS232串行通訊的接線定義RS232C電纜連接的HOST Link系統(tǒng)圖7-3所示:上位計(jì)算機(jī)帶HOST Link單元的PLC圖7-3 電纜連接的HOST Link系統(tǒng)圖aPLC與計(jì)算機(jī)RS232串行通訊的接線定義 波特率:9600 ; 數(shù)據(jù)位:7位; 停止位:2位; 奇偶校驗(yàn):偶校驗(yàn)。b.PLC與計(jì)算機(jī)RS232串行通訊的接線定義如圖7-4所示: 信號(hào) 腳號(hào)DCD 1RXD 2TXD 3DTR 4GND 5DSR 6RTS 7CTS 8CI 9信號(hào) 腳號(hào)FG 1SD 2RD 3RS 4CS 55V 6DR 7ER 8SG 9 圖7-4 PLC與計(jì)

56、算機(jī)RS232串行通訊的接線定義4.5.4 控制系統(tǒng)的I/O分配根據(jù)所選的可編程序控制器(PLC)，對(duì)本控制系統(tǒng)進(jìn)行了I/O的分配，具體分配如表7-5所示:名稱狀態(tài)總開關(guān)用輸入端00000來表示，斷開時(shí)為關(guān)閉,閉合時(shí)為運(yùn)行運(yùn)行狀態(tài)用IIR211表示自動(dòng)手動(dòng)用DM0888與#FFFF比較所得的輔助繼電器22808來表示名稱輸入輸出狀態(tài)原污水泵DM011101000IR200進(jìn)液泵DM011201001IR201營養(yǎng)泵DM011501004IR204出水回流泵DM011601005IR205熱水循環(huán)泵DM011701006IR206攪拌電機(jī)DM011801007IR207加熱元件1DM011901100IR208加熱元件2DM012001101IR209加熱元件3