基于PLC和M2M的智能控制器設(shè)計(jì)

0引言

制造物聯(lián)是對制造資源信息與產(chǎn)品信息的動態(tài)感知、智能處理與優(yōu)化控制的一種新型制造模式和信息服務(wù)模式，是通過將RFID，M2M為代表的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、先進(jìn)制造技術(shù)與現(xiàn)代管理技術(shù)集成應(yīng)用，構(gòu)建服務(wù)于供應(yīng)鏈、制造過程、物流配送、售后服務(wù)、再制造等產(chǎn)品各生命周期階段的基礎(chǔ)性、開放性網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。將推動制造業(yè)向全球化信息化、智能化、綠色化方向發(fā)展。

M2M是制造物聯(lián)的基礎(chǔ)之一，其中M可以是人(Man)，也可以是機(jī)器(Machine)，M2M泛指人、機(jī)器之間建立連接的所有技術(shù)和手段，旨在通過通信技術(shù)將機(jī)器之間通信、機(jī)器控制通信、人機(jī)交互通信、移動互聯(lián)通信等不同類型的通信技術(shù)有機(jī)結(jié)合在一起。在現(xiàn)有的許多大型工程裝備類行業(yè)，通常采用可編程邏輯控制器(PLC)作為設(shè)備的控制系統(tǒng)。

現(xiàn)有性能可靠、安全性高的PLC產(chǎn)品幾乎都被國外企業(yè)所壟斷，成本較高。并且由于PLC制造商之間存在競爭，不同制造商生產(chǎn)的PLC產(chǎn)品采用的通訊協(xié)議不同，之間無法進(jìn)行直接通訊，因此要想與自身原有的PLC網(wǎng)絡(luò)兼容，必須購買具有相同品牌PLC的工程裝備，選擇受到限制。

此外，傳統(tǒng)的PLC產(chǎn)品并不能直接接入互聯(lián)網(wǎng)，要想將設(shè)備的PLC接入網(wǎng)絡(luò)，并將設(shè)備數(shù)據(jù)發(fā)送至設(shè)備制造商實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)分析、實(shí)時(shí)預(yù)警、故障在線診斷，則必須將PLC通過網(wǎng)絡(luò)模塊接入到企業(yè)的局域網(wǎng)中，然后通過VPN的形式才能將數(shù)據(jù)送回至設(shè)備制造商，且傳回的數(shù)據(jù)必須通過WinCC等特定的組態(tài)軟件進(jìn)行讀取接收，此類軟件知識產(chǎn)權(quán)固有，無法進(jìn)行任意地改造開發(fā)，極大地增加了維護(hù)成本;同時(shí)傳回的數(shù)據(jù)無法與企業(yè)自身的信息化系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通，導(dǎo)致形成信息孤島;由于PLC的數(shù)據(jù)傳輸屬于窄帶寬即時(shí)傳輸，無法傳輸現(xiàn)場的視頻等數(shù)據(jù)量較大的信息，傳回的數(shù)據(jù)也不足以判斷造成故障的原因。因此這種做法不僅造價(jià)極高，而且很難實(shí)現(xiàn)預(yù)期效果、滿足制造物聯(lián)的需求。

由于傳統(tǒng)PLC產(chǎn)品存在上述問題并且很難進(jìn)行改造，通常采用工業(yè)PC與PLC結(jié)合或者單片機(jī)控制器進(jìn)行控制。單片機(jī)控制器之間無法進(jìn)行設(shè)備互聯(lián)以及與互聯(lián)網(wǎng)的通信，同時(shí)無法實(shí)現(xiàn)控制結(jié)果的人機(jī)界面反饋以及故障診斷、報(bào)警等功能，而工業(yè)PC由于具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)通信、數(shù)據(jù)處理功能，可以處理比較復(fù)雜的運(yùn)算過程，在Windows下可以使用如VC++，VB等可視化編程語言開發(fā)良好的人機(jī)界面，可以方便地監(jiān)視和處理控制過程，因而工業(yè)PC+PLC的工業(yè)控制系統(tǒng)在國內(nèi)外已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于離散和連續(xù)的過程控制中。綜合以上特性，本文選擇工業(yè)PC與PLC結(jié)合的方式，設(shè)計(jì)了一種智能控制器，替代通用的PLC產(chǎn)品，對制造現(xiàn)場的設(shè)備進(jìn)行智能調(diào)節(jié)和控制，并可與不同通訊協(xié)議的PLC設(shè)備進(jìn)行通訊，可接入互聯(lián)網(wǎng)、局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能的在線服務(wù)。打破了國外產(chǎn)品對PLC行業(yè)的長期壟斷，自主研發(fā)并大大降低了產(chǎn)品成本。

1智能控制器應(yīng)用架構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的智能控制器應(yīng)用架構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能控制器應(yīng)用架構(gòu)圖

此應(yīng)用架構(gòu)共分為三層：感知層、控制層和應(yīng)用層。其中，感知層包括傳感器、閥門、儀表、RFID等信息采集設(shè)備，控制層包括不同種類的控制器，本文設(shè)計(jì)的智能控制器就在這一層，其主要功能包括故障檢測、故障報(bào)警、應(yīng)急處理、狀態(tài)查詢等，應(yīng)用層包含設(shè)備運(yùn)營平臺，主要包括用戶管理、計(jì)量計(jì)費(fèi)、商務(wù)營銷、資源管理、安全認(rèn)證等功能模塊。

本文設(shè)計(jì)的智能控制器使用嵌入式A/D、D/A轉(zhuǎn)換器將被控設(shè)備上儀表、傳感器的模擬信號(電壓或是電流的形式)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號供控制系統(tǒng)識別，同時(shí)將控制系統(tǒng)的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成被控設(shè)備上儀表、傳感器可以識別的模擬信號控制設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)控制層與感知層的互聯(lián)。

對于控制層中不同PLC產(chǎn)品的連接問題，智能控制器集成了自適應(yīng)PLC網(wǎng)絡(luò)通信模塊，通過自適應(yīng)PLC網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)，將復(fù)雜的現(xiàn)場總線通訊接口，抽象成單一通訊接口，在接口上使用自適應(yīng)現(xiàn)場總線通訊協(xié)議，根據(jù)外部通訊接口的變化自動匹配與之相對應(yīng)的現(xiàn)場總線協(xié)議，打通多現(xiàn)場總線間的通訊壁壘，做到不同控制器之間的無縫連接，實(shí)現(xiàn)控制層的內(nèi)部通信。

智能控制器集成的網(wǎng)絡(luò)通訊模組，提供GPRS/3G通訊模塊支持控制器數(shù)據(jù)在線移動通訊;提供WiFi模塊，可以通過WiFi接入到局域網(wǎng)。支持標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)通訊、WiFi通訊、GPRS通訊、3G通訊，保證控制器數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)中，實(shí)現(xiàn)控制層和應(yīng)用層的連接。

2智能控制器設(shè)計(jì)方案

2.1智能控制器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

本文設(shè)計(jì)的智能控制器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 智能控制器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖

該智能控制器以嵌入式主板為基礎(chǔ)，嵌入式主板為嵌入式X86主板、嵌入式ARM主板或其他具有類似功能的主板。外圍集成硬盤、顯示器、數(shù)/模，模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)字信號采集板、自適應(yīng)PLC通訊模塊和網(wǎng)絡(luò)通訊模組，采用Windows操作系統(tǒng)，通過數(shù)模/模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊與被控裝備上的傳感器、儀表、閥門等設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，對被控裝備進(jìn)行控制和調(diào)節(jié);智能控制器可通過自適應(yīng)PLC通訊模塊與多種PLC設(shè)備如上位機(jī)、總控機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，可通過網(wǎng)絡(luò)通訊模組接入互聯(lián)網(wǎng)、局域網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)入產(chǎn)品運(yùn)維平臺，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程在線服務(wù)。

2.2各模塊具體設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

2.2.1智能控制器主板設(shè)計(jì)

(1)嵌入式并行處理技術(shù)的應(yīng)用。傳統(tǒng)PLC控制系統(tǒng)中，CPU“順序掃描，不斷循環(huán)”的工作方式?jīng)Q定了PLC在執(zhí)行時(shí)，指令必須短小精悍，且只能串行，無法并行處理指令，限制了PLC的控制實(shí)現(xiàn)，使其無法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法和控制功能。

本文設(shè)計(jì)的智能控制器通過對嵌入式并行處理系統(tǒng)架構(gòu)和任務(wù)并行協(xié)同處理技術(shù)的研究，采用嵌入式并行處理架構(gòu)CPU，取代傳統(tǒng)的單片機(jī)、PLC等串行處理架構(gòu)CPU，作為控制系統(tǒng)的控制芯片，結(jié)合增強(qiáng)型的DSP指令集，增加了對并行任務(wù)處理的支持、快速的中斷處理和硬件I/O支持、低開銷或無開銷循環(huán)及跳轉(zhuǎn)的硬件支持、單周期內(nèi)操作的多個硬件地址產(chǎn)生器的支持，比16位單片機(jī)單指令執(zhí)行時(shí)間快8~10倍，完成一次乘加運(yùn)算快16~30倍，即具備了傳統(tǒng)單片機(jī)、PLC的高穩(wěn)定性、高精度的特點(diǎn)，同時(shí)又提高了整個系統(tǒng)的運(yùn)行效率，使系統(tǒng)的控制功能更加豐富、高效。