基于PLC和M2M的智能控制器設(shè)計(jì)

(2)高級(jí)PID控制器算法的實(shí)現(xiàn)。PID控制器是一個(gè)在工業(yè)控制應(yīng)用中常見(jiàn)的反饋回路部件，其核心算法由比例單元P、積分單元I和微分單元D組成[11]，通過(guò)對(duì)，和進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，來(lái)適用于基本線性和動(dòng)態(tài)特性不隨時(shí)間變化的系統(tǒng)，通過(guò)配置可用于溫度、壓力、流量等參數(shù)的單回路控制方案[12]。PID控制器算法有三種，分別為增量式算法、位置式算法和微分先行[13]。

傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)如PLC中，通常會(huì)集成PID控制算法函數(shù)，供控制功能開(kāi)發(fā)人員調(diào)用，對(duì)溫度、壓力、功率等模擬量參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，但不同品牌的PLC集成的PID控制算法各不相同，且作為核心算法固化在PLC控制器內(nèi)部，設(shè)計(jì)人員無(wú)法選擇或更改，這就要求在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中針對(duì)不同類型的控制需求來(lái)選擇使用不同品牌的PLC控制器，且一旦選定后將無(wú)法更改，這給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)，后期的維護(hù)帶來(lái)很多的麻煩。

本智能控制器根據(jù)三種PID算法的不同特點(diǎn)，通過(guò)設(shè)定參數(shù)的方式讓系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在系統(tǒng)設(shè)計(jì)及后期維護(hù)過(guò)程中靈活選擇，而不影響系統(tǒng)已有的控制功能。

2.2.2嵌入式A/D、D/A轉(zhuǎn)換器應(yīng)用

A/D、D/A轉(zhuǎn)換器是控制器與被控設(shè)備之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)募~帶，其性能指標(biāo)主要通過(guò)取樣與保持、量化與編碼、分辨率、轉(zhuǎn)換誤差、轉(zhuǎn)換時(shí)間、絕對(duì)精準(zhǔn)度、相對(duì)精準(zhǔn)度等幾個(gè)指標(biāo)來(lái)衡量，傳統(tǒng)的PLC控制系統(tǒng)中的A/D、D/A轉(zhuǎn)換器受其自身和外部條件限制，在抗干擾能力上比較差，在強(qiáng)電壓、高電磁干擾的信號(hào)源的采樣上容易出現(xiàn)“毛刺”或電源紋波，降低了信號(hào)的分辨率和精準(zhǔn)度，使得在一些對(duì)信號(hào)精度要求高的自控設(shè)備上無(wú)法達(dá)到控制要求。

本文設(shè)計(jì)的智能控制器通過(guò)對(duì)嵌入式A/D、D/A轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)技術(shù)、多值A(chǔ)/D轉(zhuǎn)換器及數(shù)字濾波器技術(shù)的研究，在降低A/D、D/A轉(zhuǎn)換器體積和功耗的情況下，采用數(shù)字濾波算法增強(qiáng)A/D、D/A轉(zhuǎn)換器的抗干擾能力，提高信號(hào)轉(zhuǎn)換的分辨率和精準(zhǔn)度。

2.2.3自適應(yīng)PLC網(wǎng)絡(luò)通訊模塊的設(shè)計(jì)

本控制器集成的自適應(yīng)PLC通訊模塊，包括與嵌入式主板匹配的標(biāo)準(zhǔn)通訊口、與各種PLC設(shè)備匹配的多種通訊口，如PCI，RJ45，RS 232，RS 485等通訊接口及各種PLC通訊協(xié)議。嵌入式主板通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)通訊口與自適應(yīng)PLC通訊模塊上的標(biāo)準(zhǔn)通訊口進(jìn)行通訊，自適應(yīng)PLC通訊模塊可選用各種通訊口與不同的PLC設(shè)備進(jìn)行通訊。當(dāng)自適應(yīng)PLC通訊模塊與PLC設(shè)備進(jìn)行通訊時(shí)，如果PLC設(shè)備支持RJ45，RS 232，RS 485通訊接口則優(yōu)先選用，否則，則選用PCI通訊口，通過(guò)擴(kuò)展PLC通訊卡與這些PLC設(shè)備進(jìn)行通訊。其中PLC通訊卡可根據(jù)與之進(jìn)行通訊的PLC設(shè)備進(jìn)行選擇，如與西門(mén)子系列PLC設(shè)備進(jìn)行通訊時(shí)，可選用西門(mén)子品牌的通訊卡。

該自適應(yīng)PLC通訊模塊具有協(xié)議自動(dòng)匹配功能，可根據(jù)與之通訊的PLC設(shè)備的通訊協(xié)議，自動(dòng)進(jìn)行協(xié)議匹配，建立通訊連接。模塊結(jié)構(gòu)圖如3所示。

圖3 PID控制器原理圖

(1)多工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線自適應(yīng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)。目前世界上存在著大約40余種現(xiàn)場(chǎng)總線，雖然早在1984年國(guó)際電工技術(shù)委員會(huì)/國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)(IEC /ISA)就開(kāi)始著手制定現(xiàn)場(chǎng)總線的標(biāo)準(zhǔn)，但由于各個(gè)國(guó)家各個(gè)公司的利益之爭(zhēng)，所以至今統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)仍未完成。很多公司也推出其各自的現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，但彼此的開(kāi)放性和互操作性還難以統(tǒng)一。這種現(xiàn)象的存在使得通用控制系統(tǒng)在設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的過(guò)程中需要針對(duì)不同的現(xiàn)場(chǎng)總線進(jìn)行設(shè)計(jì)和考量，增大了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的難度，而且無(wú)法從根本上解決多現(xiàn)場(chǎng)總線間通訊的問(wèn)題。

本文設(shè)計(jì)的智能控制器設(shè)計(jì)的自適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)總線通訊協(xié)議技術(shù)將復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)總線通訊協(xié)議，根據(jù)外部通訊接口的變化自動(dòng)匹配與之相對(duì)應(yīng)的現(xiàn)場(chǎng)總線協(xié)議，打通多現(xiàn)場(chǎng)總線間的通訊壁壘，做到無(wú)縫切換，降低了控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)難度。示意圖如圖4所示。

圖4 多現(xiàn)場(chǎng)總線通訊示意圖

(2)高可靠性實(shí)時(shí)通信技術(shù)應(yīng)用。隨著現(xiàn)代控制系統(tǒng)功能的日益強(qiáng)大，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)控制數(shù)據(jù)的多樣性和復(fù)雜性要求也越來(lái)越高，未來(lái)的現(xiàn)場(chǎng)控制數(shù)據(jù)將不再只是單純的信號(hào)片段，會(huì)出現(xiàn)對(duì)音頻、視頻，甚至是三維虛擬現(xiàn)實(shí)的數(shù)據(jù)傳遞，而傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)總線通信技術(shù)更多的是應(yīng)用于小數(shù)據(jù)量的傳遞，對(duì)這種大數(shù)據(jù)的信號(hào)處理往往力不從心，存在帶寬不足，或投資成本過(guò)高的情況。

本文設(shè)計(jì)的智能控制器在實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)通訊協(xié)議時(shí)充分考慮到了未來(lái)的發(fā)展，將數(shù)據(jù)按類型進(jìn)行分類，針對(duì)不同的分類采取不同的傳輸策略;采用基于帶寬預(yù)留方式的調(diào)度機(jī)制，采用EDF實(shí)時(shí)調(diào)度算法，在大數(shù)據(jù)量傳輸?shù)倪^(guò)程中保證帶寬的合理使用;采用基于時(shí)間片的分時(shí)調(diào)度方式，提高實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸效率，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和可靠性。

(3)控制功能通訊安全技術(shù)應(yīng)用。本文設(shè)計(jì)的智能控制器研究了高可靠性的加密算法對(duì)數(shù)據(jù)加密，保障數(shù)據(jù)內(nèi)容安全性;建立證書(shū)認(rèn)證體系，保障數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中數(shù)據(jù)發(fā)起端和數(shù)據(jù)接收端的可信性;加入密鑰管理與協(xié)商機(jī)制，增強(qiáng)整個(gè)數(shù)據(jù)傳輸體系的可靠性;根據(jù)通訊類型的不同采用不同等級(jí)的安全認(rèn)證策略，在控制器與控制器間，采用輕量級(jí)加密算法和證書(shū)認(rèn)證流程，加入密鑰管理與協(xié)商機(jī)制，在不影響數(shù)據(jù)傳輸速度的情況下，提高數(shù)據(jù)安全;在控制器與服務(wù)器間，采用深度加密算法和嚴(yán)格的證書(shū)認(rèn)證流程，同時(shí)增強(qiáng)密鑰管理機(jī)制與協(xié)商機(jī)制，保障數(shù)據(jù)安全。

3結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)大型工程類裝備存在的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)PLC之間無(wú)法互聯(lián)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)制造物聯(lián)中M2M互聯(lián)模式的問(wèn)題，自主研發(fā)設(shè)計(jì)了一種智能控制器對(duì)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)，性能上完全可以取代市場(chǎng)上的傳統(tǒng)PLC，同時(shí)降低了成本，打破了國(guó)外企業(yè)對(duì)PLC行業(yè)的長(zhǎng)期壟斷。