摘要：主要分析了PC-Based PLC在控製係統中存在的理由及其發展過程，並對基於(yu) PC-Based PLC架構的控製係統的集成方法與(yu) 技巧進行了重點闡述和分析，同時列舉(ju) 了基於(yu) PC-Based PLC集成的分布式油料計量、統計管理係統。

關(guan) 鍵詞：PC-Based PLC控製器  集成  方法

1  PLC 、IPC、PC-Based PLC 

隨著PC技術的飛速發展，使得IPC（工業(ye) 控製計算機）以及基於(yu) IPC的應用技術同樣也得到了突飛猛進的發展。同時，隨著Internet技術的應用和所有生產(chan) 信息過程和控製信息過程的集成與(yu) 發展，並可通過Internet/Intranet瀏覽生產(chan) 過程信息流中的製造過程、操作和監控現場智能設備等，IPC越來越多地承擔著SCADA的人機交互控製任務和協同下級小型控製器或智能現場設備的控製任務。總體(ti) 而言，IPC還是最適合應用於(yu) 自動化控製平台的。但作為(wei) 傳(chuan) 統主流控製器的PLC，它擁有穩定性好、可靠性高、邏輯順序控製能力強等優(you) 點，在自動化控製領域具有不可替代的優(you) 勢。但有一大遺憾：其封閉式架構、封閉式係統（研發必須具備自己或OEM的CPU、芯片組、Bioses、操作係統、梯形圖編程軟件）、較差的開放性勢必會(hui) 造成其應用上的壁壘，也增加了用戶維修的難度和集成的成本。有人斷言，在不久的將來，基於(yu) PC的控製器將會(hui) 逐步取代PLC而成為(wei) 主流控製設備。為(wei) 了改善這種局麵，傳(chuan) 統PLC生產(chan) 廠家正在逐步將PLC的功能PC化（如Siemens的WinAC）、而IPC廠家也逐步將IPC的邏輯控製功能PLC化，使PLC和IPC在功能和規格方麵越來越接近，由此就出現了基於(yu) PLC和IPC技術的中間控製器：PC-Based PLC。

PC-Based PLC也稱嵌入式控製器，它不再像IPC那樣以機箱加主板為(wei) 主體(ti) 結構，再搭配諸如A/D、D/A、DI/DO等功能I/O板卡的組合產(chan) 品，而是一個(ge) 獨立的基於(yu) 嵌入式PC技術的專(zhuan) 用係統，適合應用於(yu) 小型的SCADA係統。如泓格的I-8000係列, 其主機內(nei) 部是40MHz主頻的 80188 CPU，操作係統為(wei) 兼容DOS的Minioses7，其編程環境是基於(yu) PC的標準C語言程序，程序開發過程與(yu) PLC極其相似：首先在PC上編寫(xie) 常駐任務程序，並將其編譯好後傳(chuan) 送到主機內(nei) 的Flash上、再讓其脫機運行。另外為(wei) 了使其具備PLC的優(you) 勢特性，PC-Based PLC也可使用梯形圖編程，如泓格的ISaGRAF（配合I-8417/8817主機），相對於(yu) PLC而言，PC-Based PLC的優(you) 勢在於(yu) 擁有IPC強大的 Computing、Data Processing和Communication功能，在軟件方麵，PC-Based PLC支持IEC- 61131-3（LD、SFC、FBD、IL、ST）的五種國際標準語言和軟邏輯。由於(yu) 以上特點，PC-Based PLC將會(hui) 更加開放和標準化，能適應更加複雜的控製和管控一體(ti) 化信息的需求。 

總的來說，IPC是開放式架構、開放式係統，PLC則是封閉式架構、封閉式係統，而PC-Based PLC介於(yu) 二者之間，是開放式架構、封閉式係統。嚴(yan) 格地說，IPC一般承擔著管理控製任務和協同下級小型控製器或智能現場設備的控製任務，而PLC一般用作現地控製器。由於(yu) PC技術、信息技術、通信技術的交替發展，使得研發PC-Based PLC的投資相對減少，會(hui) 有更多的廠家來共同推進PC-Based PLC的發展。因此，PC-Based PLC 會(hui) 有非常好的發展前景，但這並不意味著在短時間內(nei) PC-Based PLC會(hui) 取代PLC，PLC和PC-Based PLC將會(hui) 在競爭(zheng) 的發展中逐漸走向融合[1 、2]。

2 基於(yu) PC-Based PLC架構係統的應用技巧

2.1 AI模塊

   AI（Analog Inputs）的多寡對係統的運行的實時性和穩定性有較大的影響，尤其是當AI模塊較多時其影響更大。主要原因為(wei) ：I- 8000模塊的CPU僅(jin) 僅(jin) 是一款主頻隻有40MHz的80188的控製器，其數據處理能力、存儲(chu) 空間有限，導致其運算、邏輯處理以及事件響應的快速性就沒有IPC那麽(me) 強大，由於(yu) CPU要完成一次A/D的整個(ge) 過程必須要進行采樣、保持、同步、轉換、存儲(chu) 、處理以及運算等一係列的過程方可完成，比較費時，因此，當要完成的AI通道數較多時，必然會(hui) 影響采樣的實時性和係統的穩定性。通常而言，在一個(ge) I-8000模塊中，一般不要超過兩(liang) 塊如I-8017H係列的 AI模塊為(wei) 佳。

2.2 繼電器輸出模塊

繼電器輸出模塊對整個(ge) 係統的影響最大，處理不好，將會(hui) 導致整個(ge) 係統崩潰和經常出現當機、主機板燒壞等現象，由於(yu) I-8000模塊的供電一般為(wei) 10～30VDC，總的輸入功率為(wei) 20W，不像IPC的輸入功率為(wei) 250W那麽(me) 大，假如繼電器輸出模塊尤其是大功率繼電器模塊插放的太多，由於(yu) 係統供電能量不足，將會(hui) 導致其輸出不正常，控製係統經常誤動作，導致係統崩潰、當機，甚至會(hui) 導致主控板燒壞，使係統的穩定性、安全性以及可靠性存在許多隱患因素。一般而言，像I-8060、I-8058、I-8063、I-8064、I-8065、I-8066、I-8068、I-8069等不要超過兩(liang) 塊，尤其是 I-8060、I-8063、I-8064、I-8065、I-8069這些功率模塊最好為(wei) 一塊。假如係統要控製的功率繼電器較多，可以采用普通光隔開關(guan) 量輸入/輸出模塊如I-8042利用多級放大的原理連接。

2.3 通信處理

在由PC-Based PLC架構的控製係統最為(wei) 重要的一個(ge) 環節便是與(yu) 上位機進行的實時數據通信過程，而這一環節往往是製約係統實時性和穩定性的因素，它容易出現數據瓶頸。因為(wei) 上位機通常為(wei) Windows操作係統，應用程序一般有人機交互界麵和實時顯示界麵，而往往將人機交互界麵和實時顯示界麵設計為(wei) 前台窗口，數據通信、分析以及存儲(chu) 設計為(wei) 後台運行，但Windows 並不是作為(wei) 實時操作係統設計的，是搶先式、多任務、基於(yu) 消息傳(chuan) 遞機製的操作係統，但僅(jin) 憑消息調度機製，顯然不能滿足實時係統的要求，難以保證準確實時地完成前後台控製任務。因此在Windows環境中，采用多線程技術，可以有效地利用 Windows等待時間，加快程序的反應速度，提高執行效率。用一個(ge) 線程管理計算機數據通信，另一個(ge) 線程進行數據處理、分析與(yu) 存儲(chu) ，這樣在滿足數據連續采集的同時，增強了係統事件響應和通信控製的實時性。

PC-Based PLC與(yu) 上位機一般采用RS-485、CAN、ModBus或者Ethernet，假如采用RS-485、CAN、ModBus時，則要合理分配通信口，一般RS-485、CAN、ModBus的通信適配器卡有兩(liang) 個(ge) 口，因此假如控製係統有兩(liang) 個(ge) I-8000模塊，上位機可以采用一個(ge) 通信口與(yu) 兩(liang) 個(ge) 下級控製器通信，但是假如有四、六個(ge) ……，最好將其分成兩(liang) 組，上位機則采用兩(liang) 個(ge) 通信口分別與(yu) 其通信，上位機采用兩(liang) 個(ge) 線程編寫(xie) 通信程序，配置圖見圖1 所示。

2.4         電源配置

假如一個(ge) 控製係統有多塊I-8000模塊，考慮到係統的經濟性以及安全性，最好每兩(liang) 塊I-8000公用一個(ge) 開關(guan) 或者線性電源，考慮到電源本身的功耗，此時電源的功率必須大於(yu) 60W，並且每個(ge) 電源模塊分別接入～220VAC或者～380VAC的電源，千萬(wan) 不要串接。選擇開關(guan) 電源時要注意選用係統功率因數大於(yu) 0.99且紋波電壓Vrms≤1.0%、紋波係數≤0.2%的功率密度大、電磁兼容性好、低紋波開關(guan) 電源。同時將控製器I/O通道和其它設備的供電采用各自的隔離變壓器分離開來，有助於(yu) 提高控製係統的抗幹擾能力。#p#分頁標題#e#

2.5         信號地的處理

正確、良好的接地可以將混入電源和I/O電路的幹擾信號引入大地，消除或減小幹擾的影響，是安全保護和抑製噪聲的重要手段，對提高I-8000係統的穩定性、可靠性極其重要。為(wei) 了盡可能減小電磁噪聲影響，電源回路和控製回路要分別設立接地極。在控製係統中難免有變頻器之類的功率器件，注意要將變頻器散熱器、電源中性線、變頻器外殼和中性端、電機外殼和Y型接法中性端要可靠接於(yu) 電源回路接地極上，所有接地線不可形成接地回路。變頻器接地電阻越小越好，接地導線截麵積應不小於(yu) 4mm2，長度應控製在20m以內(nei) 。屏蔽層、數字信號地接於(yu) 控製回路接地極。為(wei) 防止形成回路，屏蔽層應單端接地。控製器的接地線與(yu) 電源線、動力線分開。I-8000最好單獨接地，也可以與(yu) 其他設備公共接地，但嚴(yan) 禁與(yu) 其他設備串聯接地。

3 實際應用案例

在小型石油公司中，要進行大量的油料計量工作如輕油、0＃汽油、90＃汽油等，其計量過程往往是車隊從(cong) 貨運站拖回公司後經公司磅房過磅稱毛重、卸料、車輛出廠時，再過磅稱車重等等，過磅過程、手續、登記極其繁瑣，有時還容易出現錯磅和漏磅現象，極不容易管理，並且給統計、計量工作帶來了極大的困難，過磅工人的勞動強度大，經常出現車隊排隊過磅的現象，辦事效率極其低下，為(wei) 改變這種局勢，采用PC-Based PLC I-8411嵌入式控製，並配以模擬信號輸入模塊I-8017H、模擬信號輸出模塊I-8024、光隔離數字輸入/輸出模塊I-8042、I-8060繼電器輸出模塊以及RS232 /RS485轉換器I-7520，並利用計算機控製技術，為(wei) 其不同的油料的進站計量、出站計量、統計等開發了一套分布式的油料計量、統計管理係統，省時又省力，深得用戶喜愛。係統架構圖件圖2所示。

圖2：基於(yu) I－8411的分布式計量架構圖

3.1  功能模塊

1）  利用I-8017H的差分輸入的6路分別采集運輸車油罐的液位、液體(ti) 溫度、兩(liang) 個(ge) LUGB係列渦街流量變送器的流量值（備計算用，取兩(liang) 個(ge) 流量計的平均值作為(wei) 真正的流量值）、存儲(chu) 油罐的液位值以防液體(ti) 溢出、溫度等；

2）  利用I-8024的D/A功能，輸出0～10V的直流信號作為(wei) Siemens公司的Micro Master通用型變頻器的變頻控製輸入信號，以使變頻器能進行V/F轉換，變成0～50Hz的交變信號實時控製三相異步電機，達到使電機變頻運行、促使液體(ti) 恒速流動的目的。

3）  利用I-8060功率繼電器輸出信號實時控製各種流量繼電器、流量控製電磁閥、電氣接觸器的開啟；

4）  利用I-8042的數字I/O進行各種開關(guan) 的檢測與(yu) 控製，同時實時檢測流量繼電器、流量控製電磁閥、電氣接觸器的閉合狀態；

5）  利用I-7520作為(wei) RS-232/RS-485的轉換器，使I-8411與(yu) 上位機服務器的串口進行數據通信。

3.2  安全可靠措施

1）  尖峰脈衝(chong) 的處理：由於(yu) 在本係統中用到了大型的可控矽，其閉合與(yu) 斷開要產(chan) 生巨大能量的尖峰脈衝(chong) ，這一脈衝(chong) 一旦進入信號係統中，不僅(jin) 會(hui) 引起控製係統的誤動作，更為(wei) 甚者，會(hui) 燒壞控製設備、死鎖控製信號輸入通道。尤其是對I-8017H、I-8024、I-8042等模塊影響較大，為(wei) 了減少其影響，在每個(ge) 控製模塊的輸入或輸出端加入一阻容保護電路，以吸收其尖峰脈衝(chong) 。同時信號地和電源地要分開。

2）  變頻器過壓的處理：在本係統中利用變頻器拖動大慣性的牽引電機，由於(yu) 變頻器輸出的速度比較快，而負載靠本身阻力減速比較慢，使負載拖動電動機的轉速比變頻器輸出的頻率所對應的轉速還要高，電動機處於(yu) 發電狀態，而變頻器沒有能量回饋單元，因而變頻器支流直流回路電壓升高，超出保護值，出現過壓故障。因此必須增加再生製動單元，否則會(hui) 幹擾SCADA係統。

3.3    係統功能

1）  數據顯示：對每種油料以數字、棒圖、曲線的方式顯示實時采集的流量、溫度、開關(guan) 狀態、電機轉速等各項參數；

2）  可進行流量和總量的計算，生成日報、月報、年報等；並可存儲(chu) 多年的曆史記錄；

3）  數據修複維護：具有參數設置和數據丟(diu) 失修複功能。

4）  與(yu) 公司的MIS係統實時交換數據

4 結束語

    PC-Based PLC的發展得益於(yu) 嵌入式CPU、嵌入式操作係統和IEC-61131-3（LD、SFC、FBD、IL、ST）標準化編程語言的發展，PC-Based PLC具有IPC和PLC的兩(liang) 重特性，具有PLC的係統結構，又具有IPC的開放式架構，目前在工控界是IPC、PLC以及 PC-Based PLC共存的時代，又是三者逐漸走向融合的時代，隨著嵌入式CPU、嵌入式操作係統以及符合IEC-61131-3國際標準語言開發工具的發展，PC-Based PLC或嵌入式控製器將更加開放和標準化，功能將會(hui) 更加強大、數據通信能力將會(hui) 更強、數據處理能力更快。更能適應更加複雜的工業(ye) 控製需求。

參考文獻：

[1] www.gongkong.com

[2] 格羅馳博士（Siemens資深應用工程師）：基於(yu) PC的自動化控製解決(jue) 方案－7種趨勢。