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拟PLC的理念及其在工业控

制系统中的应用

张嘉明，刘泉，唐冰，徐成

信息工程学院

武汉理工大学

武汉430070，中国

电子邮箱：

zjiaming@

摘要

通过对PLC（可编程逻辑控制器）的概念和特征以及嵌入式系统的研究，提出了一种拟PLC理论,它综合了PLC与嵌入式系统的优点。

Quasi-PLC的体系结构以及自上而下的软件和硬件合作设计的方法来用于Quasi-PLC嵌入式控制系统的研究。

最后，建立大型工业阀控制系统为例，Quasi-PLC的概念和相关技术应用于该控制系统中，得到了令人满意的应用效果，进而证明了Quasi-PLC概念和相关的技术的合理性。

关键词：

拟PLC；控制系统；嵌入式系统

一、引言

PLC是一种具有良好适应性和易于编写控制逻辑程序而广泛使用的通用控制器，目前工业领域给予了它更多的关注。

嵌入式系统具有嵌入和定制应用等特点。

嵌入式控制系统中嵌入的特点广泛应用于工业控制领域，它是一个迅速发展的控制系统[1][2]。

为了结合PLC和嵌入式系统的突出优势，并确保它是更方便地使用在工业控制领域的嵌入式系统，一些机构和企业正在做的理论和实践研究，提出了嵌入式PLC，软PLC等概念。

但都没有将嵌入式系统和PLC技术的优势同时考虑研究。

嵌入式PLC技术主要指嵌入式系统的本质。

虽然软PLC技术具有易编程的特点，但它没有考虑对控制应用的共性，它仍然需要定制不同的应用系统[3][4]。

在本论文中，我们首次提出了拟PLC控制系统基于嵌入式系统技术的概念，它是PLC和嵌入式系统的完美结合。

拟PLC对一类具有共同需求的控制问题提供了一种解决途径，也提供了一个嵌入式系统在工业控制领域中实际应用的方法。

本文就拟PLC及其在工业控制中的应用，分为五个节。

第一节简要介绍，在第二节，对PLC和嵌入式系统的特点做了阐述。

第三节提出概念和准PLC的结构，并介绍了基于拟PLC系统的开发流程。

在第四节，举大型阀门控制系统为例，阐述了拟PLC在该系统中的应用。

最后一节是总结部分。

二、关于PLC及嵌入式系统

A、PLC的概念与特点

PLC的出现替代了继电器逻辑控制系统。

目前，PLC已经转变成不仅具有逻辑控制功能，而且还具有过程控制，数据处理和通讯等功能的可编程控制器。

它是一个专为工业控制应用而设计的工业控制计算机，它已逐渐成为一个主要和标准的控制设备。

　我们简要总结PLC的优点如下：

（1）完善的功能和强大的控制能力。

（2）高可靠，抗干扰。

（3）轻松写入控制代码。

（4）标准化和模块化。

但同时也暴露了一些PLC技术的问题，分析如下：

（1）之间的冗余和资源不足的矛盾。

（2）它使对个性化发展的产物

B、嵌入式系统的概念及特征

嵌入式系统是以计算机技术为基础，软件和硬件可剪裁，使其能够适应不同的应用系统，在另一个角度，它是一种特殊的计算机系统，对可靠性，成本，尺寸和功耗有严格的要求。

它是各种新技术发展的产物，如计算机，半导体，通讯，电子，自动化控制。

嵌入式系统已广泛地应用于计算机网络，通讯，消费电子产品，工业控制领域，医疗器械，航空航天，国防工业领域，等等。

嵌入式系统有如下特点：

（1）嵌入。

（2）特殊系统。

（3）接口可扩展。

但是，嵌入式系统应用系统的困难。

这些问题包括：

（1）嵌入式控制系统的设计问题。

（2）嵌入式控制系统的可靠性问题。

（3）嵌入式控制系统的兼容性问题。

三、拟PLC控制系统基于嵌入式系统

A、拟PLC的概念

我们首次提出拟PLC的概念，它结合了PLC和嵌入式系统的的优势。

拟PLC的嵌入式控制系统是以传统的嵌入式系统技术为基础的。

在拟PLC嵌入式控制系统的开发过程中，要做到很容易的定制硬件，并生成控制代码，根据一个特殊的控制问题，最终很快的形成一个嵌入式控制系统。

一般来说，在以嵌入式控制系统的设计来适应给定的控制对象中，PLC是一种最常见的控制系统，而拟PLC是一种介于嵌入式系统和PLC的系统，它为一类控制对象集中设计一个共同的控制系统。

为了对一类控制问题提供解决方案，拟PLC的预期实现目标如下：

（1）应符合实际环境，如大小，形状，工作条件，可靠性等。

（2）除了满足基本需要的功能，硬件和软件应该拥有一个简单的架构，并没有突出的冗余资源，另外它是高度集成的。

（3）它很容易编写控制代码，并且没有必要由专业的电气工程师来操作控制系统。

（4）它灵活方便，就像在使用PLC。

（5）在一个特殊的范围，它可以代替PLC，并具有与PLC类似的电性能。

（6）应能适应当前的工业标准和技术指标，并能提供​​标准的设备互连网络。

（7）要消耗较低的设计和实施成本，并且它可以在以后能够容易的发展和更新。

Ｂ、拟PLC控制系统构架

拟PLC需要能够容易适应一个类型的应用程序的控制代码，这使得它的结构不同于嵌入式系统。

图1给出了拟PLC控制系统的结构。

就像你在体系结构图中看到的，我们可以选择或定制嵌入式CPU，它可以是较低的8位CPU，或者更高的32位CPU，或者特殊的DSP。

拟PLC的输入输出接口也是根据控制应用程序设计的，他们也可以删减。

接口的类型，接口的数量，接口的电路，电性能，以及连接线都必须加以考虑。

由于拟PLC是为了解决这一类型的控制问题，它们有一种类似的功能需求，另外为了满足基本要求，所设计的拟PLC解决了资源冗余的问题，使系统结构优化。

Ｃ、拟PLC控制系统的开发步骤

拟PLC的技术关键是前景的技术，而最重要的问题是拟PLC控制系统的设计。

嵌入式系统的设计基本上是一项复杂的工程。

因此开发一种有效的设计方法是关键的问题[5][6]。

提到自上而下的嵌入式系统的设计方法，我们提出一个自上而下的软件和硬件协作的设计方法。

在实际中，对拟PLC嵌入式控制系统的设计，我们改变和调整了一些步骤。

图2给出了一个拟PLC控制系统的开发流程。

D、拟PLC控制系统的代码开发

传统的嵌入式系统有一个固定的目标，功能和程序也不变。

拟PLC的核心是一个嵌入式系统，如果设计拟PLC控制系统具有系统可编程（ISP）的能力，那么它可以轻松地改变控制代码程序。

有几种方法和技术可以实现不断变化的控制代码程序的功能。

一个常用的方法是，我们定义一个先进的程序语言或使用图形模式，如梯形图和状态图[7]。

基于先进的语言或图表表示，电气工程师可以实现自己的控制算法。

该技术还可用于PLC和人机界面领域。

嵌入式操作系统具有移植功能，这实际上是由一个固定的基本程序和一些可变的程序组的。

在某种程度上，我们可以说拟PLC控制系统和嵌入式操作系统具有相同的需求。

提到现在流行uCOS-II的源代码，微型RTC，智能实时操作系统等的原则，我们提出了一个拟PLC程序生成的方案。

控制程序代码分为两部分，一部分是程序数据，另一部分是程序算法。

其中程序数据等包括逻辑数据，变量，物质资源，系统常数，通信缓冲区等；程序算法则包括固定结构程序，特别控制算法，基本分程序设置等。

程序的数据和程序算法聚合在一起形成了完整的控制程序代码。

四、拟PLC在工业控制中的应用

拟PLC的概念和相关技术已成功应用于大规模的工业阀门控制系统中。

阀门的用途和工作环境可能根据不同的工程要求而有所不同，另外控制方式，功能和性能可能也各不相同，导致为每个方案设计特殊控制系统成为必然。

大型的阀可分为三大类，它们是电动蝶阀，液压蝶阀和电动流量阀。

传统的控制方法是：

简单的情况下用继电器控制系统，复杂的情况下用PLC控制系统。

随着自动化技术，网络技术和嵌入式系统的发展，阀门控制系统面临巨大的挑战，而且现代化的阀门控制系统必须具有特殊功能和性能的特征。

目前，传统的PLC和一些扩展模块组装在一起实现了这些特征，但这种方式，控制系统包含独立的知识少，而且成本高得多，对产品的市场竞争力有直接影响。

现在，我们可以用一个更好的解决办法拟PLC来替代传统的PLC控制系统。

A、控制系统的要求

除了在第三节的规定，基于拟PLC的阀门控制系统必须满足以下要求：

（1）支持常见的工业总线协议在阀门控制领域中使用，如国防部巴士协议等，控制系统都必须是透明和开放的，而且必须提供标准的连接到人机界面，DCS和PLC。

（二）提供应用层的技术支持，如地点/远程调试，远程监控和故障诊断，设计报告，手工管理，等等。

B、控制系统的开发技术框架

图3表明了控制系统的开发技术框架。

正如你在图中看到，我们可以清楚地知道我们应用的开发步骤和技术。

在图3的上半部分是支持技术的应用平台，下部分是应用程序。

C、硬件资源需求分析

通过对三个类型阀门的调查，我们发现，无论电动蝶阀，液压蝶阀或电动流量阀，它们都具有相似硬件资源的需求，唯一不同的是输入和输出端口号，而且差异是非常小的。

我们研究了三个类型的阀门，主要研究了开关输入端口数，开关量输出端口，模拟输入端口，模拟输出端口，相序检测端口和通讯端口数来推断拟PLC应有的端口数。

现在，我们举开关输入端口为例，电动蝶阀需要12-18个，电动流量阀需要15-18个，液压蝶阀16-19个，所以在拟PLC的设计中，我们设置20-24开关输入端口。

这样，拟PLC可适应三种类型的阀门的需求，我们只需要一种拟PLC的嵌入式控制系统就可以适应他们。

D、控制系统的硬件

在第三节中描述的架构的基础上，我们开发了一种特殊的嵌入式阀的拟PLC控制系统。

其硬件包括一个核心和一些外部接口电路。

对它在计算能力方面没有特殊要求，我们只考虑它的架构，资源以及微型控制器的价格。

图4是拟PLC控制系统的硬件，我们设计采用的是SiliconLaboratoriesC8051F02X。

五、结论

拟PLC是一种嵌入式系统和PLC的折中控制系统，它综合了PLC和嵌入式系统的特征。

本文研究的概念，首先是体系结构和拟PLC控制系统的开发步骤，然后设计并实现了拟PLC在阀控制系统中的应用，包括硬件和软件。

我们所设计的控制系统现在湖北洪城通用机械有限公司测试，该公司的电气工程师们可以轻松地设计一个阀门控制系统，写自己的控制算法，这个控制系统具有的特殊性能可以替代当前公司所使用的PLC，这也证明了拟PLC技术的合理性。

鸣谢

这项研究得到了中国国家自然科学基金（批准号：

50675166，50335020）和重大国际合作与交流国家自然科学基金中国项目（批准号：

50620130441）的支持。

在此特别感谢周祖德教授，郭盛以及任利科对我们的项目提供的帮助，另外感谢湖北洪城通用机械有限公司对我们的支持。

论文中的部分项目已申请国家专利和软件著作权。

TheConceptionofQuasi-PLCandIts

ApplicationinIndustrialControlSystem

JiamingZhang,QuanLiu,BingTang,ChengXu

SchoolofInformationEngineering

WuhanUniversityofTechnology

Wuhan430070,China

E-mail:

zjiaming@

ABSTRACT

AfterinvestigatedtheconceptionandfeaturesofPLC（ProgrammableLogicController）andembeddedsystem,inthispapertheconceptionofQuasi-PLCareproposed,whichcombinetheadvantagesofPLCandembeddedsystem.ThearchitectureofQuasi-PLCandaTop-DowndesignmethodwithcollaborationdesignofsoftwareandhardwareforQuasi-PLCembeddedcontrolsystemareresearchedthen.Finally,settingthelarge-scaleindustrialvalvecontrolsystemasanexample,theconceptionofQuasi-PLCandrelatedtechnologiesareusedinindustrialvalvecontrolsystem,andasatisfiedapplicationeffectisobtained,whichprovestherationalityof

theconceptionofQuasi-PLCandrelatedtechnologies.

Keywords:

Quasi-PLC;controlsystem;embeddedsystem.

I.INTRODUCTION

PLCisakindofwidelyuseduniversalcontrollerwhichhasanexcellentadaptabilityandiseasytowritecontrollogicprogram,andnowadaysindustrialfieldsarepayingmoreattentionstoit.Embeddedsystemhasthecharacteristicsofembeddedintoobject,customizationforapplication,etc.Embeddedcontrolsystemistheapplicationofembeddedtechnologyinindustrialcontrolfield,anditisarapidlydevelopedcontrolsystem[1][2].

InordertocombinetheprominentadvantagesofPLCandembeddedsystem,andmakesureitismoreconvenienttouseembeddedsysteminindustrialcontrolfield,someinstitutionsandcorporationsaredoingtheoreticalandpracticalresearch,whichgivesbirthtotheconceptofEmbedded-PLC,Soft-PLC,etc,butnoneofthemtaketheadvantagesofembeddedsystemandPLCtechnologyintoconsiderationatthesametime.Embedded-PLCtechnologymainlyindicatestheessenceofembeddedsystem.AlthoughSoft-PLCtechnologyhasthecharacteristicofeasilyprogramming,itdoesnotconsideraboutthecommonnessofcontrolapplicationanditstillneedtocustomizesystemfordifferentapplications[3][4].

Inthispaper,weproposedtheconceptofQuasi-PLCcontrolsystembasedonembeddedsystemtechnologyforthefirsttime,whichcombinePLCandembeddedsystematthesametimeperfectly.Quasi-PLCprovidesasolutiontoakindofcontrolproblemwhichhasthecommonrequirements,andalsoprovidesapracticallyappliedmethodforembeddedsysteminindustrialcontrolfield.ThispaperfocusesontheQuasi-PLCanditsapplicationinindustrialcontrol,andthispaperisdividedintofivemajorsections.SectionIgivesabriefintroduction,andinSectionII,thefeaturesofPLCandembeddedsystemaresurveyed.SectionIIIputsforwardtotheconceptionandarchitectureofQuasi-PLC,anddescribestheflowchartofsystemdevelopmentbasedonQuasi-PLC.InSectionIV,settinglarge-scalevalvecontrolsystemasanexample,thispaperillustratesaapplicationofQuasi-PLCinindustrialvalvecontrolsystem.Thelastsectionconcludesthewholepaper.

II.ABOUTPLCANDEMBEDDEDSYSTEM

A.ConceptionandFeaturesofPLC

PLCisdesignedtoinsteadofrelaylogiccontrolsystem.Nowadays,PLChasruntoaprogrammablecontrollerwhichnotonlyhasthefunctionoflogicalcontrol,butalsoprocesscontrol,dataprocessingandcommunication,etc.Itisaspecialdesignedindustrialcontrolcomputerforindustrialcontrolapplication,andithasbecameamainlyandstandardcontroldevicegradually.

WebrieflysummariestheadvantagesofPLCasfollows:

（1）Consummatefunctionandstrongcontrolability.

（2）Highlyreliableandanti-jamming.（3）Easilywritingcontrolcode.（4）StandardizationandModularization.

ButPLCtechnologyalsoexposuressomeproblemsatthesametime,whicharelistedbelow:

（1）Thecontradictionbetweenredundancyandinsufficiencyofresource.

（2）Itmakesagainsttheindividuationdevelopofproduct.

B.ConceptionandFeaturesofEmbeddedSystem

Embeddedsystemisbasedoncomputertechnology,thesoftwareandhardwarecanbecut,makesitfeasibletofittodifferentapplicationsystem,inanotherpointview,itisaspecialcomputersystemwhichhasstrictrequirementsinreliability,cost,sizeandpowerconsume.Itistheoutcomeofcombinationoftechnologydevelopment,suchascomputer,semiconductor,communication,electronicsandautomationcontrol.Embeddedsystemhasbeenwidelyusedincomputernetwork,telecommunication,consumerelectronicproduct,industrialcontrolfields,medicalapparatus,aeronauticsandastronautics,nationaldefenseindustrialfields,andsoon.

Thefeaturesofembeddedsystemareasfollows:

（1）Embedding.

（2）Specialsystem.（3）Extendedinterface.

Buttherearestilldifficultiesinapplyingembeddedsystemincontrolfield.Theproblemsinclude:

（1）Thedesignproblemofembeddedcontrolsystem.

（2）Thereliabilityproblemofembeddedcontrolsystem.（3）Thecompatibilityproblemofembeddedcontrolsystem.

III.QUASI-PLCCONTROLSYSTEMBASEDON

EMBEDDEDSYSTEM

A.ConceptionofQuasi-PLC

WeproposedtheconceptionofQuasi-PLCforthefirsttime,whichcombinetheadvantagesofPLCandembeddedsystem.Quasi-PLCembeddedcontrolsystemisbasedontraditionalembeddedsystemtechnology.InthedevelopmentprocessofQuasi-PLCembeddedcontrolsystem,weshouldcustomizethehardware,andgeneratecontrolcodeeasily,acco