電氣測(cè)控系統(tǒng)的改進(jìn)——軟PLC

在一些電子部件產(chǎn)品測(cè)試時(shí)，早先很多生產(chǎn)廠家都使用繼電接觸控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)由分立元件組成，由于線路簡(jiǎn)單，元件控制精度不高，加上抗干擾能力級(jí)差控制工程網(wǎng)版權(quán)所有，所以運(yùn)行不夠穩(wěn)定，誤動(dòng)作頻繁，使產(chǎn)品的測(cè)試和分析不準(zhǔn)確。

隨著現(xiàn)代工藝的高精度要求，為了適應(yīng)市場(chǎng)需求，采用可編程控制器對(duì)原繼電電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行改造，但由于各PLC廠家硬件模塊和軟件結(jié)構(gòu)絕大多數(shù)都是專用的、互不兼容的，系統(tǒng)各模塊間的交互方式、通信機(jī)制也各不相同，這使得控制系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立、彼此封閉。隨著技術(shù)的進(jìn)步和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的加劇，這種專用體系結(jié)構(gòu)的控制系統(tǒng)越來越暴露了其固有的缺陷。由于基于PC平臺(tái)的軟件PLC無需專門的編程器，可充分利用PC機(jī)的軟硬件資源，直接采用梯形圖或語言編程，具有良好的人機(jī)界面等優(yōu)點(diǎn)，因此逐漸取代了硬件PLC，成為研究的熱點(diǎn)。

1 電氣測(cè)試系統(tǒng)原理介紹

該壽命測(cè)試系統(tǒng)能夠利用定時(shí)器控制電子部件產(chǎn)品的動(dòng)作頻率，利用計(jì)時(shí)器來控制動(dòng)作的次數(shù)，基本原理如圖1所示。

圖1 電氣測(cè)試基本原理

PLC使用OMRON CQM1H-CPU11 PLC加上擴(kuò)展模塊，其I/O點(diǎn)數(shù)可達(dá)26個(gè)，可滿足多路測(cè)試，利用控制動(dòng)

作RELAY的定時(shí)器和負(fù)載反饋RELAY的定時(shí)器時(shí)間差進(jìn)行判斷產(chǎn)品或負(fù)載的不良狀態(tài)，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行停機(jī)保護(hù)，實(shí)驗(yàn)完成后利用產(chǎn)品或負(fù)載在機(jī)械和電氣方面的特性對(duì)其產(chǎn)品進(jìn)行評(píng)價(jià)。

其中，遮斷保護(hù)、動(dòng)作RELAY和負(fù)載反饋RELAY都是用PLC內(nèi)部高精度定時(shí)器進(jìn)行控制的，其原理都是用低電壓控制高電壓，實(shí)現(xiàn)高低壓分離控制工程網(wǎng)版權(quán)所有，保證了測(cè)試系統(tǒng)的安全性，這里的遮斷保護(hù)用的是Fuji ELECTRIC Co.Ltd。JapanSC-13AA型接觸器，耐壓可達(dá)600V，單觸點(diǎn)額定電流是32A，動(dòng)作RELAY和負(fù)載反饋RELAY(也可以用光電耦合或電流互感器)都是用的OMRON的MY系列繼電器。

實(shí)際用DL750 scoper測(cè)量發(fā)現(xiàn)這兩種精度都不是很高，誤差往往有8-10ms。

實(shí)際中對(duì)產(chǎn)品評(píng)價(jià)需要很多數(shù)據(jù)，需要測(cè)試很多產(chǎn)品，這樣需要多獨(dú)立回路，接線走線困難，而且會(huì)產(chǎn)生寄生電路，所以，從PLC產(chǎn)品的兼容性及測(cè)試成本考慮，采用目前先進(jìn)的嵌入式軟PLC技術(shù)，可大大縮短實(shí)驗(yàn)周期并降低成本。

2 軟PLC技術(shù)

傳統(tǒng)的PLC經(jīng)過十幾年的發(fā)展，技術(shù)已經(jīng)非常成熟，以高速度、高穩(wěn)定性、高性能在工業(yè)控制領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，與此同時(shí)，隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展，在工程方面逐漸表現(xiàn)出其缺點(diǎn)：傳統(tǒng)的PLC廠商壟斷市場(chǎng)，其產(chǎn)品戶不兼容，缺少明確一致的標(biāo)準(zhǔn)，難以構(gòu)建開放的硬件體系結(jié)構(gòu);各廠商產(chǎn)品的編程方法差別很大，技術(shù)專有性較強(qiáng)，工作人員培訓(xùn)時(shí)間長(zhǎng)，造成PLC的性價(jià)比增長(zhǎng)很緩慢。

20世紀(jì)90年代中期，計(jì)算機(jī)和微電子技術(shù)的迅猛發(fā)展以及PLC的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC61131的制定，產(chǎn)生了軟PLC技術(shù)，所有"軟PLC技術(shù)"，就是用PC作為硬件支撐平臺(tái)，利用軟件實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)硬件PLC的基本功能，也就是將PLC的控制功能封裝在軟件內(nèi)，運(yùn)行于PC的環(huán)境中，以PC為基礎(chǔ)的控制系統(tǒng)，同時(shí)提供了PLC的相同功能，卻具備了PC的各種優(yōu)點(diǎn)。

軟PLC技術(shù)一般由開發(fā)系統(tǒng)和運(yùn)行系統(tǒng)兩個(gè)部分組成。開發(fā)系統(tǒng)運(yùn)行在PC平臺(tái)上，而運(yùn)行系統(tǒng)則運(yùn)行在嵌入式硬件平臺(tái)上，一般而言，嵌入式硬件平臺(tái)上都要運(yùn)行某種嵌入式操作系統(tǒng)，比如μC/OS-II、μClinux等。

現(xiàn)代開發(fā)系統(tǒng)的特點(diǎn)一般都是集成化開發(fā)環(huán)境，界面友好，易于使用。軟PLC嵌入式系統(tǒng)是基于IEC61131國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的，所以必然要支持其中的幾種語言，系統(tǒng)運(yùn)行在嵌入式硬件平臺(tái)上，負(fù)責(zé)解釋執(zhí)行由開發(fā)系統(tǒng)編譯、鏈接后產(chǎn)生的目標(biāo)文件，運(yùn)行系統(tǒng)一般由運(yùn)行內(nèi)核、通信接口和系統(tǒng)管理三大部分組成，其設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)精度很高，它的執(zhí)行效率將直接影響到系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)控制中的反應(yīng)速度。

3 嵌入式平臺(tái)的虛擬運(yùn)行系統(tǒng)

運(yùn)行系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成如圖2所示。系統(tǒng)管理器的主要任務(wù)是處理不同任務(wù)、協(xié)調(diào)程序執(zhí)行及從I/O映象讀寫變量。I/O接口可與本地I/O系統(tǒng)和遠(yuǎn)程I/O系統(tǒng)通信。通信接口使運(yùn)行系統(tǒng)可以與開發(fā)系統(tǒng)或其他設(shè)備進(jìn)行通信。內(nèi)核解釋器是運(yùn)行系統(tǒng)的核心部分，負(fù)責(zé)解釋執(zhí)行由開發(fā)系統(tǒng)編譯完成的PLC應(yīng)用程序的目標(biāo)代碼。

圖2 運(yùn)行系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

運(yùn)行系統(tǒng)可在多種支持平臺(tái)上運(yùn)行，它通過將數(shù)據(jù)區(qū)和代碼區(qū)分離，實(shí)現(xiàn)程序的動(dòng)態(tài)更新和代碼的高效率動(dòng)態(tài)下載。

(1)在μClinux平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)軟PLC虛擬機(jī)實(shí)現(xiàn)步驟

將梯形圖的指令翻譯成宏匯編并建立一個(gè)宏庫;

把用戶編寫的梯形圖程序編譯成中間代碼形式的PLM文件;

將PLM文件轉(zhuǎn)變?yōu)閰R編程序;

用匯編器匯編變成功的匯編程序，將解釋執(zhí)行內(nèi)部指令(PLM文件)轉(zhuǎn)換為程序，匯編成機(jī)器碼執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)PLC指令機(jī)器碼執(zhí)行方案，大大地提高了執(zhí)行速度控制工程網(wǎng)版權(quán)所有，同時(shí)大大節(jié)約了內(nèi)存空間;

將PLC指令對(duì)應(yīng)的機(jī)器碼移植到嵌入式操作系統(tǒng)中執(zhí)行。

(2)運(yùn)行系統(tǒng)的兩大模塊

運(yùn)行系統(tǒng)主要由兩大模塊組成：1)梯形圖到機(jī)器碼程序的轉(zhuǎn)換;2)執(zhí)行機(jī)器碼文件。每個(gè)模塊的功能如下：

1)梯形圖到機(jī)器碼程序的轉(zhuǎn)換。首先把用戶編寫的梯形圖程序編譯成中間代碼形式的PLM文件，然后將PLM文件轉(zhuǎn)變?yōu)閰R編程序，最后用匯編器匯編轉(zhuǎn)變成功的匯編程序CONTROL ENGINEERING China版權(quán)所有，產(chǎn)生機(jī)器碼從而生成可執(zhí)行的PLE文件。

2)執(zhí)行機(jī)器碼文件。將PLE文件嵌入配置好的執(zhí)行環(huán)境中并執(zhí)行，通過工控機(jī)的面版指示燈監(jiān)測(cè)程序的正確性。

(3)虛擬機(jī)總體設(shè)計(jì)

根據(jù)虛擬機(jī)的原理和執(zhí)行機(jī)制，對(duì)虛擬機(jī)的機(jī)器碼執(zhí)行方案進(jìn)行了總體設(shè)計(jì)，如圖3所示。PLC文件是梯形圖程序的保存文件，通過對(duì)PLC文件進(jìn)行詞法分析、語法分析和語義分析編譯產(chǎn)生PLM文件，然后調(diào)用宏匯編庫，并進(jìn)行一系列的轉(zhuǎn)換生成機(jī)器碼，產(chǎn)生PLE文件;最后創(chuàng)建機(jī)器運(yùn)行環(huán)境來執(zhí)行機(jī)器碼，宏匯編庫中是每個(gè)梯形圖指令對(duì)應(yīng)的宏匯編段。

圖3 虛擬運(yùn)行總體設(shè)計(jì)框圖

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(4)交叉開發(fā)調(diào)試算法研究

非嵌入式通常采用本機(jī)開發(fā)、本機(jī)調(diào)試、本機(jī)運(yùn)行的開發(fā)方式;而嵌入式開發(fā)需要交叉開發(fā)，絕大多數(shù)采用宿主機(jī)開發(fā)、宿主機(jī)和目標(biāo)機(jī)之間交叉調(diào)試、目標(biāo)機(jī)運(yùn)行的方式開發(fā)。

交叉開發(fā)調(diào)試算法：

在宿主機(jī)平臺(tái)上編寫程序代碼;

固化監(jiān)控器至目標(biāo)機(jī)上;

連接宿主機(jī)和目標(biāo)機(jī);

編譯鏈接應(yīng)用程序，生成可執(zhí)行代碼;

將可執(zhí)行代碼下載到目標(biāo)機(jī);

使用交叉調(diào)試器進(jìn)行調(diào)試;

如果程序調(diào)試沒有發(fā)現(xiàn)異常，轉(zhuǎn)至11);

調(diào)試程序時(shí)發(fā)生錯(cuò)誤，利用交叉調(diào)試器定位錯(cuò)誤;

修改錯(cuò)誤代碼;

重復(fù)4)-10);

將目標(biāo)機(jī)程序固化在目標(biāo)機(jī)上。

4 嵌入式軟PLC改造后的控制系統(tǒng)

以測(cè)試?yán)^電器TV5實(shí)驗(yàn)為例。其要求如下：每次測(cè)試5個(gè)繼電器，每個(gè)繼電器的動(dòng)作頻率是5s開，5s關(guān)。根據(jù)要求，試驗(yàn)最好的結(jié)果是每個(gè)繼電器用6個(gè)TV負(fù)載，即每個(gè)TV負(fù)載是5s開，55s管。輸入點(diǎn)有：開關(guān)，檢出，復(fù)位M個(gè)，停止次數(shù)設(shè)定量N次，動(dòng)作頻率設(shè)定L個(gè)，常開/觸點(diǎn)轉(zhuǎn)換。其中，M=測(cè)試產(chǎn)品個(gè)數(shù)，N、L個(gè)數(shù)由實(shí)際需要確定。其算法如下：

設(shè)定一個(gè)循環(huán)周期，使累積誤差最小;

在循環(huán)周期內(nèi)設(shè)計(jì)動(dòng)作時(shí)間和動(dòng)作頻率，以及動(dòng)作次數(shù);

設(shè)計(jì)相關(guān)聯(lián)動(dòng)、互鎖、緊急停車和復(fù)位等功能;

執(zhí)行動(dòng)作與反饋根據(jù)產(chǎn)品相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，判定結(jié)果和設(shè)定中斷程序。

采用模塊化程序設(shè)計(jì)編程，各模塊均由主程序調(diào)用，且為了程序不出誤動(dòng)作，還要考慮電流諧波和沖擊對(duì)高電源的要求。用了算法優(yōu)化設(shè)計(jì)，5個(gè)繼電器每隔2s一個(gè)動(dòng)作，5個(gè)剛好10s。其中一個(gè)動(dòng)作頻率程序如下：

與之對(duì)應(yīng)的動(dòng)作如下：

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該程序檢出判斷程序如下：

圖4 TV負(fù)荷電壓電流波形

由圖4可知：?jiǎn)?dòng)時(shí)突入電流最大值約為55A，突入時(shí)間約為54ms，定常為8A。

圖5 電機(jī)電壓和電流波形

由圖5可知：電流滯后電壓約為0.9ms，其功率因素為0.96。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果與測(cè)試要求基本一致。如果不采用優(yōu)化算法程序設(shè)計(jì)，則對(duì)電源要求很高，所以該控制系統(tǒng)可以應(yīng)用實(shí)現(xiàn)，無形中降低了成本。

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5 改進(jìn)后優(yōu)點(diǎn)和維護(hù)

很明顯，經(jīng)過以上改進(jìn)后有以下優(yōu)勢(shì)：

使用PLC后通用性大大提高，改進(jìn)了以前單一PLC，并縮短了工作人員的培訓(xùn)周期;

用嵌入式軟PLC代替?zhèn)鹘y(tǒng)的硬PLC，外部線路簡(jiǎn)化;

模塊化可實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的控制系統(tǒng)，方便地增加和改變控制功能;

PLC可進(jìn)行故障自動(dòng)檢測(cè)和報(bào)警顯示，提高運(yùn)行安全性，且便于檢修;

便于群控制，提高運(yùn)行效率;

更改控制方案時(shí)無需改動(dòng)外部線路。

測(cè)試及維護(hù)需注意的事項(xiàng)：

為了提高系統(tǒng)效率并降低開銷，盡量少用I/O;

要有緊急停車和適當(dāng)聯(lián)鎖按鈕環(huán)節(jié);

輸入和輸出不能用同一電纜線;

直流電感性負(fù)載并聯(lián)浪涌二極管，以延長(zhǎng)觸點(diǎn)的使用壽命;交流感性負(fù)載并聯(lián)電容吸收器以降低噪聲。

為保證控制系統(tǒng)工作的可靠性，做好接地、防塵、訪油、防輻射工作。

6 結(jié)語

此系統(tǒng)可用于繼電器、馬達(dá)、電感、充電器等產(chǎn)品的測(cè)試。改進(jìn)后仍存在以下幾點(diǎn)缺陷：其一，如果負(fù)載斷路，其本身并不能檢測(cè)和保護(hù);如果負(fù)載短路，產(chǎn)品在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生過電流控制工程網(wǎng)版權(quán)所有，會(huì)造成產(chǎn)品破壞甚至威脅人身安全。其二，數(shù)據(jù)采集不全，不能實(shí)時(shí)監(jiān)控。利用電流計(jì)可以彌補(bǔ)第一點(diǎn)的不足;采用數(shù)據(jù)采集卡可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集。