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                   摘要：主要分析了PC-based PLC在控制系統中存在的理由及其發展過程，并對基于PC-based PLC架構的控制系統的集成方法與技巧進行了重點闡述和分析，同時列舉了基于PC-based PLC集成的分布式油料計量、統計管理系統。

關鍵詞：PC-based PLC控制器  集成  方法

1  PLC 、IPC、PC-based PLC 

隨著PC技術的飛速發展，使得IPC（工業控制計算機）以及基于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信息過程和控制信息過程的集成與發展，并可通過Internet/Intranet瀏覽生產過程信息流中的制造過程、操作和監控現場智能設備等，IPC越來越多地承擔著SCADA的人機交互控制任務和協同下級小型控制器或智能現場設備的控制任務。總體而言，IPC還是最適合應用于自動化控制平臺的。但作為傳統主流控制器的PLC，它擁有穩定性好、可靠性高、邏輯順序控制能力強等優點，在自動化控制領域具有不可替代的優勢。但有一大遺憾：其封閉式架構、封閉式系統（研發必須具備自己或OEM的CPU、芯片組、BIOS、操作系統、梯形圖編程軟件）、較差的開放性勢必會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，基于PC的控制器將會逐步取代PLC而成為主流控制設備。為了改善這種局面，傳統PLC生產廠家正在逐步將PLC的功能PC化（如Siemens的WinAC）、而IPC廠家也逐步將IPC的邏輯控制功能PLC化，使PLC和IPC在功能和規格方面越來越接近，由此就出現了基于PLC和IPC技術的中間控制器：PC-based PLC。

PC-based PLC也稱嵌入式控制器，它不再像IPC那樣以機箱加主板為主體結構，再搭配諸如A/D、D/A、DI/DO等功能I/O板卡的組合產品，而是一個獨立的基于嵌入式PC技術的專用系統，適合應用于小型的SCADA系統。如泓格的I-8000系列, 其主機內部是40MHz主頻的 80188 CPU，操作系統為兼容DOS的MiniOS7，其編程環境是基于PC的標準C語言程序，程序開發過程與PLC極其相似：首先在PC上編寫常駐任務程序，并將其編譯好后傳送到主機內的Flash上、再讓其脫機運行。另外為了使其具備PLC的優勢特性，PC-based PLC也可使用梯形圖編程，如泓格的ISaGRAF（配合I-8417/8817主機），相對于PLC而言，PC-based PLC的優勢在于擁有IPC強大的 Computing、Data Processing和Communication功能，在軟件方面，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。由于以上特點，PC-based PLC將會更加開放和標準化，能適應更加復雜的控制和管控一體化信息的需求。 

總的來說，IPC是開放式架構、開放式系統，PLC則是封閉式架構、封閉式系統，而PC-based PLC介于二者之間，是開放式架構、封閉式系統。嚴格地說，IPC一般承擔著管理控制任務和協同下級小型控制器或智能現場設備的控制任務，而PLC一般用作現地控制器。由于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，會有更多的廠家來共同推進PC-based PLC的發展。因此，PC-based PLC 會有非常好的發展前景，但這并不意味著在短時間內PC-based PLC會取代PLC，PLC和PC-based PLC將會在競爭的發展中逐漸走向融合[1 、2]。

2 基于PC-based PLC架構系統的應用技巧

2.1 AI模塊

   AI（Analog Inputs）的多寡對系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：I- 8000模塊的CPU僅僅是一款主頻只有40MHz的80188的控制器，其數據處理能力、存儲空間有限，導致其運算、邏輯處理以及事件響應的快速性就沒有IPC那么強大，由于CPU要完成一次A/D的整個過程必須要進行采樣、保持、同步、轉換、存儲、處理以及運算等一系列的過程方可完成，比較費時，因此，當要完成的AI通道數較多時，必然會影響采樣的實時性和系統的穩定性。通常而言，在一個I-8000模塊中，一般不要超過兩塊如I-8017H系列的 AI模塊為佳。

2.2 繼電器輸出模塊

繼電器輸出模塊對整個系統的影響最大，處理不好，將會導致整個系統崩潰和經常出現當機、主機板燒壞等現象，由于I-8000模塊的供電一般為 10～30VDC，總的輸入功率為20W，不像IPC的輸入功率為250W那么大，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，由于系統供電能量不足，將會導致其輸出不正常，控制系統經常誤動作，導致系統崩潰、當機，甚至會導致主控板燒壞，使系統的穩定性、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等不要超過兩塊，尤其是 I-8060、I-8063、I-8064、I-8065、I-8069這些功率模塊最好為一塊。假如系統要控制的功率繼電器較多，可以采用普通光隔開關量輸入/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架構的控制系統最為重要的一個環節便是與上位機進行的實時數據通信過程，而這一環節往往是制約系統實時性和穩定性的因素，它容易出現數據瓶頸。因為上位機通常為Windows操作系統，應用程序一般有人機交互界面和實時顯示界面，而往往將人機交互界面和實時顯示界面設計為前臺窗口，數據通信、分析以及存儲設計為后臺運行，但Windows 并不是作為實時操作系統設計的，是搶先式、多任務、基于消息傳遞機制的操作系統，但僅憑消息調度機制，顯然不能滿足實時系統的要求，難以保證準確實時地完成前后臺控制任務。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。用一個線程管理計算機數據通信，另一個線程進行數據處理、分析與存儲，這樣在滿足數據連續采集的同時，增強了系統事件響應和通信控制的實時性。

PC-based PLC與上位機一般采用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個口，因此假如控制系統有兩個I-8000模塊，上位機可以采用一個通信口與兩個下級控制器通信，但是假如有四、六個……，最好將其分成兩組，上位機則采用兩個通信口分別與其通信，上位機采用兩個線程編寫通信程序，配置圖見圖1 所示。

2.4         電源配置

假如一個控制系統有多塊I-8000模塊，考慮到系統的經濟性以及安全性，最好每兩塊I-8000公用一個開關或者線性電源，考慮到電源本身的功耗，此時電源的功率必須大于60W，并且每個電源模塊分別接入～220VAC或者～380VAC的電源，千萬不要串接。選擇開關電源時要注意選用系統功率因數大于 0.99且紋波電壓Vrms≤1.0%、紋波系數≤0.2%的功率密度大、電磁兼容性好、低紋波開關電源。同時將控制器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，有助于提高控制系統的抗干擾能力。

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電路的干擾信號引入大地，消除或減小干擾的影響，是安全保護和抑制噪聲的重要手段，對提高I-8000系統的穩定性、可靠性極其重要。為了盡可能減小電磁噪聲影響，電源回路和控制回路要分別設立接地極。在控制系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于電源回路接地極上，所有接地線不可形成接地回路。變頻器接地電阻越小越好，接地導線截面積應不小于4mm2，長度應控制在20m以內。屏蔽層、數字信號地接于控制回路接地極。為防止形成回路，屏蔽層應單端接地。控制器的接地線與電源線、動力線分開。I-8000最好單獨接地，也可以與其他設備公共接地，但嚴禁與其他設備串聯接地。

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貨運站拖回公司后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，并且給統計、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，為改變這種局勢，采用PC-based PLC I-8411嵌入式控制，并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，并利用計算機控制技術，為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、統計管理系統，省時又省力，深得用戶喜愛。系統架構圖件圖2所示。

圖2：基于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、液體溫度、兩個LUGB系列渦街流量變送器的流量值（備計算用，取兩個流量計的平均值作為真正的流量值）、存儲油罐的液位值以防液體溢出、溫度等；

2）  利用I-8024的D/A功能，輸出0～10V的直流信號作為Siemens公司的Micro Master通用型變頻器的變頻控制輸入信號，以使變頻器能進行V/F轉換，變成0～50Hz的交變信號實時控制三相異步電機，達到使電機變頻運行、促使液體恒速流動的目的。

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

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

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

3.2  安全可靠措施

1）  尖峰脈沖的處理：由于在本系統中用到了大型的可控硅，其閉合與斷開要產生巨大能量的尖峰脈沖，這一脈沖一旦進入信號系統中，不僅會引起控制系統的誤動作，更為甚者，會燒壞控制設備、死鎖控制信號輸入通道。尤其是對I-8017H、I-8024、I-8042等模塊影響較大，為了減少其影響，在每個控制模塊的輸入或輸出端加入一阻容保護電路，以吸收其尖峰脈沖。同時信號地和電源地要分開。

2）  變頻器過壓的處理：在本系統中利用變頻器拖動大慣性的牽引電機，由于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，電動機處于發電狀態，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。因此必須增加再生制動單元，否則會干擾SCADA系統。

3.3    系統功能

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；并可存儲多年的歷史記錄；

3）  數據修復維護：具有參數設置和數據丟失修復功能。

4）  與公司的MIS系統實時交換數據

4 結束語

    PC-based PLC的發展得益于嵌入式CPU、嵌入式操作系統和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的兩重特性，具有PLC的系統結構，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、嵌入式操作系統以及符合IEC-61131-3國際標準語言開發工具的發展，PC-based PLC或嵌入式控制器將更加開放和標準化，功能將會更加強大、數據通信能力將會更強、數據處理能力更快。更能適應更加復雜的工業控制需求。

參考文獻：

[1] www.gongkong.com

[2] 格羅馳博士（Siemens資深應用工程師）：基于PC的自動化控制解決方案－7種趨勢。