PLC的特殊功能應(yīng)用

一、傳統(tǒng)儀器設(shè)計(jì)過程回顧

現(xiàn)代化的自動(dòng)儀器設(shè)備均具有如下幾方面的性能和特點(diǎn)：

前端的信號(hào)檢測，適時(shí)數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)處理，實(shí)現(xiàn)其功能的光機(jī)電一體化的自動(dòng)裝置，以及人機(jī)操作界面，除此之外還必須有完備的上下位機(jī)的控制程序軟件包。為實(shí)現(xiàn)以上幾個(gè)方面的性能，以高性能的微處理器為基礎(chǔ)的嵌入式單板機(jī)就似乎成為迄今儀器設(shè)計(jì)的唯一選擇。從而，在儀器具體的性能要求確定以后，單板機(jī)的軟硬件設(shè)計(jì)制造工作就進(jìn)入議事日程?！　　?/p>

　　二、新設(shè)計(jì)方案的提出和可行性分析與單板機(jī)方案比較

所謂的新方案的概念源于個(gè)人的專業(yè)技術(shù)經(jīng)歷和接觸不同的技術(shù)領(lǐng)域，筆者分別從事過精密儀器設(shè)計(jì)和工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的工作，PLC技術(shù)，特別是國產(chǎn)HOLLiAS LM 系列小型PLC的性能給我一個(gè)在精密儀器設(shè)計(jì)方案上重新審視的技術(shù)空間。

從設(shè)計(jì)方法學(xué)的角度來看待設(shè)計(jì)問題，全世界沒有誰規(guī)定自動(dòng)儀器一定要以單板機(jī)為核心，只要能夠?qū)崿F(xiàn)傾向用戶使用要求的儀器設(shè)計(jì)就是成功的產(chǎn)品，換句話說用戶和使用者不關(guān)心儀器的設(shè)計(jì)過程和內(nèi)部構(gòu)造，他們只關(guān)心儀器的性能價(jià)格比。而作為設(shè)計(jì)人員，我們所要考慮的是所有可以實(shí)現(xiàn)預(yù)期性能的設(shè)計(jì)方案和手段以及技術(shù)途徑，這樣較為符合設(shè)計(jì)方法學(xué)的思想方法和設(shè)計(jì)規(guī)程。

考慮技術(shù)可行性，先來看一下電子控制的硬件要求，一般地，系統(tǒng)需要有高性能的CPU，一定數(shù)量的內(nèi)存，DI，DO，AI，AO，與人機(jī)界面的通訊端口，以及根據(jù)具體運(yùn)行要求所編制的程序。這些工作對(duì)一個(gè)單板機(jī)或DSP系統(tǒng)來說，無異于編制一套專用小型操作系統(tǒng)。在硬件上甚至往往需要設(shè)計(jì)單板機(jī)或DSP的PCB板，在SMT技術(shù)的今天設(shè)計(jì)完善這樣的系統(tǒng)也非易事，調(diào)試的問題不用說，甚至一兩個(gè)DI的擴(kuò)展，都需要重新設(shè)計(jì)改動(dòng)PCB板。

再看一下PLC的性能，PLC是可編程序邏輯控制器（Programmable Logic Controller）的英文縮寫。對(duì)有工業(yè)自動(dòng)化控制經(jīng)驗(yàn)的人來說，一點(diǎn)也不陌生，但對(duì)于那些僅從事儀器設(shè)計(jì)的人來說，也許不甚了解或者從未涉足使用。PLC通常具有高性能的CPU，相當(dāng)規(guī)模的內(nèi)存，可任意擴(kuò)展的DI，DO，AI，AO接口，其中AI的分辨率為16 BIT 以上，其DO接口可以直接驅(qū)動(dòng)1A電流的功率器件或繼電器, 因此PLC在硬件上完全可以代替單板機(jī)。

再從軟件編程和運(yùn)行的方面比較，單板機(jī)或DSP，即使借助于C語言或其他專門的開發(fā)環(huán)境，其工作也是相當(dāng)厄繁的，而且不使用匯編語言，指令對(duì)硬件的直觀控制效果不易觀察，調(diào)試?yán)щy。對(duì)于儀器控制的特殊應(yīng)用，運(yùn)行時(shí)子程序調(diào)用比較多，在線調(diào)試?yán)щy。而對(duì)于PLC來說，其自身的功能塊，指令組，就此類系統(tǒng)控制應(yīng)用而言，比C語言完備得多，如各種微電機(jī)控制，定時(shí)，記數(shù)，脈寬調(diào)制，脈沖輸出等等。另外PLC程序在運(yùn)行時(shí)是實(shí)時(shí)重復(fù)掃描，可以根據(jù)邏輯計(jì)算結(jié)果的要求實(shí)時(shí)任意取舍子程序或功能塊的運(yùn)行，對(duì)于一個(gè)接近120K內(nèi)存的較長程序,一次掃描僅需幾十毫秒,就絕大多數(shù)應(yīng)用而言,速度足夠快。就編程而言，PLC的指令系統(tǒng)容易學(xué)，容易使用，調(diào)試方便。PLC 較之嵌入式的程序，具有更好的可讀性和易讀性，它可以使得更多公司和更多工程技術(shù)人員從事開發(fā)工作.

考察性能價(jià)格比，顯然在開發(fā)階段，PLC的成本很低，它是工控市場化批量生產(chǎn)的產(chǎn)品，只需要設(shè)計(jì)少量外圍專用電路，軟件環(huán)境也容易在PC上設(shè)置，經(jīng)常是PLC廠家免費(fèi)提供的。在生產(chǎn)階段，PLC與單板機(jī)的成本相差不懸殊。況且PLC較單板機(jī)的用戶面寬，產(chǎn)品成熟，質(zhì)量穩(wěn)定可靠，從而在生產(chǎn)訂購上也節(jié)省時(shí)間。

  綜上所述，PLC的功能和實(shí)時(shí)運(yùn)行能力以及系統(tǒng)開發(fā)的簡易性超過一般意義上的單板機(jī)。甚至具備單板機(jī)所不具備的實(shí)時(shí)在線性能。因此，從理論到實(shí)踐上看PLC作為儀器核心都是具有更多優(yōu)越性。

三、設(shè)計(jì)過程詳實(shí)（以自動(dòng)生化分析儀為例）
自動(dòng)生化分析儀是用于醫(yī)院臨床檢驗(yàn)血液生化指標(biāo)的復(fù)雜儀器。生化分析儀的基本功能是按照各自不同的生化方法要求設(shè)定測試參數(shù)，然后自動(dòng)機(jī)構(gòu)取樣并按照設(shè)定對(duì)各樣品及同一樣品的不同測試加入所需的試劑，按所需特定比例進(jìn)行稀釋。進(jìn)而分別注入比色杯對(duì)反應(yīng)液進(jìn)行保溫和延時(shí)（經(jīng)稀釋后的樣品稱為反應(yīng)液），下一步對(duì)反應(yīng)液按照所需編排好的測試方法和時(shí)間進(jìn)行測試，最后計(jì)算并儲(chǔ)存和打印測試結(jié)果。 從而得到生化分析儀對(duì)電子系統(tǒng)的軟硬件要求,并據(jù)此選擇PLC的軟硬件配置?！?br />                         1)      硬件要求
                        120K程序內(nèi)存
                        3 AI輸入
                        24 DI輸入
                        16 DO輸出，包括2 -PTO，1-PWM輸出
                        2 AO 輸出
                        RS232（及485）串行口
                        如有必要可以選擇2個(gè)或更多PLC CPU模塊聯(lián)合控制。
                        2)        軟件功能及內(nèi)部函數(shù)要求
                        輸入高速記數(shù)，
                        高速脈沖輸出，
                        步進(jìn)電機(jī)脈沖控制模塊
                        PID 控制功能塊
                        自由通訊功能塊
                        基于ST文本的數(shù)據(jù)處理子程序
                        多種邏輯和計(jì)算結(jié)果判斷指令。
                        3)    總控制程序，自動(dòng)機(jī)構(gòu)微電機(jī)控制，數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)計(jì)算處理軟硬件安排
                        儀器的PLC控制軟件由主控制程序，初始化復(fù)位子程序，自動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作算法子程序，自動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)執(zhí)行子程序，數(shù)據(jù)讀取控制子程序，及數(shù)據(jù)計(jì)算處理子程序組成。
                        主控制程序完成各子程序的選擇執(zhí)行以及與人機(jī)界面的通訊，為梯形圖程序。
                        初始化復(fù)位子程序完成自動(dòng)機(jī)構(gòu)的回位和數(shù)據(jù)初始化，為梯形圖程序。
                        自動(dòng)機(jī)構(gòu)動(dòng)作算法子程序完成安排自動(dòng)機(jī)構(gòu)的動(dòng)作順序判斷，為梯形圖程序。
                        自動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)執(zhí)行子程序驅(qū)動(dòng)自動(dòng)機(jī)構(gòu)完成要求的動(dòng)作，為梯形圖程序。
                        數(shù)據(jù)讀取控制子程序執(zhí)行檢測數(shù)據(jù)的讀取和機(jī)構(gòu)為讀取數(shù)據(jù)的配合動(dòng)作，為梯形圖程序。
                        數(shù)據(jù)計(jì)算處理子程序完成生化分析所需的分析計(jì)算，由ST語言編寫子程序。
                        4)  硬件的安排
                        自動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)和控制(包括比色用不同波長光源的自動(dòng)選擇轉(zhuǎn)換)由高速脈沖輸出端口配合普通DO端口選擇控制多個(gè)微型步進(jìn)電機(jī)來實(shí)現(xiàn)，其中機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)定位由
                        DI，高速DI以及AI接受運(yùn)動(dòng)和位置反饋信號(hào)用以控制步進(jìn)電機(jī)來實(shí)現(xiàn)。
                        恒溫槽的溫度由AI接收溫度傳感器，經(jīng)PLC的PID結(jié)合脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)電熱元件實(shí)現(xiàn)?？刂凭茸罡呖蛇_(dá)±0.05°C，典型值達(dá)到±0.1°C。
                        數(shù)據(jù)的讀入由前端對(duì)數(shù)運(yùn)算放大器（LOG100）接入AI實(shí)現(xiàn)。由于PLC可設(shè)置數(shù)字濾波參數(shù)。所以數(shù)據(jù)采集完全可以保持所需的精度要求。
                        PLC與人機(jī)界面的通訊由PLC的RS232串行口實(shí)現(xiàn)，可以采用PLC自身的MODBUS協(xié)議，也可以采用PLC提供的自由協(xié)議功能塊，這樣編程更方便。本系統(tǒng)采用自由通訊協(xié)議。
                     

四、結(jié)論和展望
        近年來工控市場上新的PLC品牌不乏高性價(jià)比的小型PLC，使其設(shè)想成為可能。而且，儀器設(shè)計(jì)者如果更多采用PLC產(chǎn)品，必將促使PLC制造商不斷提高PLC的性能，以及向單板機(jī)容合，那樣設(shè)計(jì)人員將有更多便利的設(shè)計(jì)手段和軟硬件可選擇。從而縮短新產(chǎn)品的開發(fā)周期，增加產(chǎn)品品種，使用戶、儀器開發(fā)商和PLC生產(chǎn)商都得到好處。