0 引言

    可編程控制器(PLC)是工業(yè)自動化的主導(dǎo)執(zhí)行部件，其已成為現(xiàn)代工業(yè)控制的三大支柱(機器人、PLC和CAD/CAM)之一。其可靠性高、使用便利等優(yōu)點已被工程技術(shù)人員所熟知。經(jīng)過40多年的發(fā)展，可編程控制器已成為最重要、最可靠、應(yīng)用場合最廣泛的工業(yè)控制微型計算機。而小型PLC在使用過程中難以完全發(fā)揮其全部控制系統(tǒng)功能以及系統(tǒng)編程混亂，適應(yīng)工藝變更能力差，系統(tǒng)容錯功能難以保障及系統(tǒng)工藝維護困難等實際問題備受關(guān)注。本文以西門子公司S7－200系列PLC為例，建立了基于PLC的并行系統(tǒng)框架模型，在提高并行系統(tǒng)控制能力的同時、不僅保證系統(tǒng)穩(wěn)定性，且保障了系統(tǒng)容錯功能及系統(tǒng)的可移植性，為大型系統(tǒng)的實現(xiàn)提供了一種實用易于維護的手段和方法。

1 PLC并行系統(tǒng)的可行性分析

    1.1 工業(yè)控制特性

    在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)控制系統(tǒng)中，工業(yè)任務(wù)往往是多任務(wù)，多階段，多工藝步驟的，這要求控制器的控制功能得到充分的運用;在工廠生產(chǎn)第一線，工業(yè)現(xiàn)場安全要求以及人員安全保障要求，控制系統(tǒng)應(yīng)具備良好的系統(tǒng)容錯，監(jiān)控自檢功能;在工控應(yīng)用中，系統(tǒng)程序應(yīng)易于編寫并能適應(yīng)柔性生產(chǎn)需要，即要求控制系統(tǒng)應(yīng)具有適應(yīng)性與條理性。從以上方面考慮，建立一種能更好的運用PLC控制器的系統(tǒng)控制功能、其框架結(jié)構(gòu)易于維護、程序可移植性強、適應(yīng)工藝變更能力好、系統(tǒng)穩(wěn)定且具有容錯自檢處理功能的并行系統(tǒng)，需首先從以下幾個方面分析控制器特征:1)程序執(zhí)行中控制器掃描周期特征;2)通訊處理階段信息交互特征;3)輸入輸出及程序執(zhí)行處理中儲存器，寄存器特征。根據(jù)硬件特性及工業(yè)生產(chǎn)控制系統(tǒng)需要建立PLC并行系統(tǒng)模型。

    1.2 PLC控制器執(zhí)行特征

    PLC控制器采用了一種按順序邏輯掃描用戶程序的運行方式－掃描技術(shù)。即一個邏輯線圈被接通或斷開，該線圈的所有觸點不會立即動作，必須等掃描到該觸點時才會動作。當PLC處于運行狀態(tài)(RUN)，掃描過程如圖1所示，完成圖中各個階段處理稱作一個掃描周期。在掃描周期中，控制系統(tǒng)與程序執(zhí)行階段有著密切關(guān)系。在用戶程序執(zhí)行階段中，PLC控制器執(zhí)行各種運算處理的速度、圖1PLC掃描過程用戶程序量及跳轉(zhuǎn)、計時器等工作指令的使用直接影響著掃描周期的長短。建立合理的并行系統(tǒng)框架，嚴格的控制掃描周期的長短，將充分發(fā)揮PLC控制系統(tǒng)功能;將系統(tǒng)任務(wù)分段，分步驟的進行規(guī)劃，使工藝邏輯清晰明了，易于系統(tǒng)編程維護，更好的適應(yīng)工藝變更。

圖 1 PLC 掃描過程
 

    1.3 PLC通訊與信息自動化

    PLC具有多種通訊方式并能夠組建信息自動化網(wǎng)絡(luò)，在通訊處理階段，PLC通過不同方式接受或發(fā)送待處理數(shù)據(jù)。在工業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)中，通過工業(yè)現(xiàn)場總線PROFIBUS組建的控制系統(tǒng)中，靈活的信息交流更好的實現(xiàn)了柔性生產(chǎn)，在遠程監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中，可以使用網(wǎng)絡(luò)通訊進行生產(chǎn)單元的現(xiàn)場維護，在并行系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)中添加通訊處理程序塊，系統(tǒng)將具備很好的移植性與普遍性。

    1.4PLC控制器儲存器特征

    西門子S7－200系列PLC的儲存區(qū)由多種寄存器、存儲區(qū)、累加器組成。在輸入/輸出處理階段，各輸入點的狀態(tài)是固定不變的，而當程序執(zhí)行完后再用過程映像寄存器中的值去更新輸出點，映像寄存器使系統(tǒng)的運行穩(wěn)定，從硬件上給控制系統(tǒng)的容錯，監(jiān)控自檢處理提供了不同角度的實現(xiàn)方式。在程序執(zhí)行的階段，各存儲器具有不同的功能尋址取值方式，大多數(shù)寄存器均可以按位、字節(jié)、字和雙字來存取，少數(shù)特殊存儲器具有特定的儲存特征。特殊的中斷程序處理方式使中斷事件發(fā)生時CPU停止正常的掃描而完成監(jiān)控功能。

2 并行系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)

    提高系統(tǒng)控制功能可采用兩種方式，即時間并行性與空間并行性。時間并行性是指在同一時間或時間段中，同時調(diào)度過程及過程中的程序運算，充分發(fā)揮內(nèi)部處理機的運算能力，從而提高系統(tǒng)的并行度及可靠性。空間并行性則是在內(nèi)部處理機中設(shè)置多個獨立的操作部件，并讓這些操作部件進行同步或異步工作。提高PLC系統(tǒng)控制功能就必須根據(jù)其硬件特性建立合理的時間并行性系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)。

    2.1 并行系統(tǒng)模型構(gòu)建

    將PLC并行系統(tǒng)框架的系統(tǒng)任務(wù)劃分為相關(guān)性極小的子任務(wù)，每個子任務(wù)均由其獨立單元完成或?qū)崿F(xiàn)(圖2)。將系統(tǒng)體系逐級分解為多個相對獨立的功能單元，功能單元內(nèi)容按具體工藝步驟規(guī)劃。在并行系統(tǒng)運行時，由于各子任務(wù)相關(guān)性極小，各子任務(wù)可按工藝步驟獨立運行完成。并行系統(tǒng)控制功能將有很好的提升，同時可大大的縮短執(zhí)行時間，且適應(yīng)工藝能力強，易于維護及柔性生產(chǎn)。

圖2并行系統(tǒng)模型構(gòu)架

    2.2并行工藝數(shù)估算

    在一定允許時間范圍內(nèi)，由于PLC掃描頻率極高，一段微小時間內(nèi)順序掃描的程序段可看成同一個時間所執(zhí)行(在大多數(shù)無嚴格要求的工業(yè)現(xiàn)場)，同時執(zhí)行的任務(wù)單元數(shù)即為并行數(shù)。根據(jù)表1中PLC各種運算的執(zhí)行速度，在保證輸入脈沖信號的寬度必須大于一個掃描周期的前提條件下，按公式(1)估算輸入脈沖信號寬度均大于100ms，假定各種運算指令量相當，通訊及PLC自診斷時間占整個掃描周期時間的1/2，不定因素影響系數(shù)為10時的并行數(shù)。

    其中，S代表不定因素影響系數(shù)，T_MIN代表允許最小掃描周期，t_自診斷代表控制器自診斷時間，t_通訊代表控制器通訊時間，n是系統(tǒng)并行工藝數(shù)，其取值介于9～21，即一般將任務(wù)分為10～15項工藝控制任務(wù)來完成比較合理。

    2.3并行系統(tǒng)任務(wù)單元與周期峰值

    PLC并行系統(tǒng)框架的主要控制單元為線性任務(wù)流與非線性任務(wù)流，線性任務(wù)流將在程序執(zhí)行過程中依次完成任務(wù)流，每個功能單元僅被調(diào)用一次;非線性任務(wù)流的各功能單元并不完全是依次調(diào)用，還有重復(fù)調(diào)用、循環(huán)實現(xiàn)等，如圖3所示。

圖3非線性任務(wù)流

    在實際運用中，系統(tǒng)任務(wù)逐級分展，必定有任務(wù)量最大，運算過程最復(fù)雜，執(zhí)行周期最長的掃描周期峰值。為保證PLC控制器能穩(wěn)定控制并行系統(tǒng)功能，周期峰值必須不間斷連續(xù)的進行監(jiān)控處理。在系統(tǒng)框架中加入監(jiān)控處理，并通過查看用戶程序的特殊標志區(qū)來獲取程序掃描周期峰值。并行系統(tǒng)初始化處理只執(zhí)行一次，用來完成系統(tǒng)任務(wù)的準備工作，緊急處理與監(jiān)控處理則伴隨著系統(tǒng)任務(wù)的始末。一般并行系統(tǒng)框架的監(jiān)控處理由監(jiān)控定時器復(fù)位指令(Watchdog)完成。而功能單元需要根據(jù)工藝過程均衡分配、合理組合，避免周期峰值。

3 結(jié)束語

    本文詳細的介紹了西門子S7－200系列PLC的并行系統(tǒng)模型及控制系統(tǒng)具體實現(xiàn)要點，實現(xiàn)了任務(wù)并行控制功能并完善了并行結(jié)構(gòu)，改善了程序混亂、大量數(shù)字量信號控制繁瑣等實際問題，通過監(jiān)控處理，數(shù)據(jù)交互等方式確保了并行系統(tǒng)的穩(wěn)定性。自應(yīng)用于單工位(I點120，Q點113，總I/O數(shù)量達200以上)生產(chǎn)線至今，并行系統(tǒng)控制下的整套設(shè)備運行穩(wěn)定，控制系統(tǒng)性能穩(wěn)定、可靠性強、自檢測及適應(yīng)工藝能力強，易于操作人員監(jiān)控及維修，減少了生產(chǎn)成本，大大提高了生產(chǎn)線自動化水平及生產(chǎn)效率。為根據(jù)實際生產(chǎn)、工況的需求編寫適應(yīng)工藝能力強、容錯功能顯著，安全有調(diào)理的系統(tǒng)建立了值得借鑒的模型。