通州第十二届高洽会将开幕 钱学森论坛成亮点

　　随着现代工艺的高精度要求，为了适应市场需求，采用可编程控制器对原继电电气控制系统进行改造，但由于各PLC厂家硬件模块和软件结构绝大多数都是专用的、互不兼容的，系统各模块间的交互方式、通信机制也各不相同，这使得控制系统相对独立、彼此封闭。随着技术的进步和市场竞争的加剧，这种专用体系结构的控制系统越来越暴露了其固有的缺陷。由于基于PC平台的软件PLC无需专门的编程器，可充分利用PC机的软硬件资源，直接采用梯形图或语言编程，具有良好的人机界面等优点，因此逐渐取代了硬件PLC，成为研究的热点。

　　1、电气测试系统原理介绍

　　该寿命测试系统能够利用定时器控制电子部件产品的动作频率，利用计时器来控制动作的次数，基本原理如图1所示。

图1 电气测试基本原理

　　PLC使用OMRON CQM1H-CPU11 PLC加上扩展模块，其I/O点数可达26个，可满足多路测试，利用控制动

　　其中，遮断保护、动作Relay和负载反馈Relay都是用PLC内部高精度定时器进行控制的，其原理都是用低电压控制高电压，实现高低压分离，保^了测试系统的安全性，这里的遮断保护用的是Fuji Electric Co.Ltd。JapanSC-13AA型接触器，耐压可达600V，单触点额定电流是32A，动作Relay和负载反馈Relay（也可以用光电耦合或电流互感器）都是用的OMRON的MY系列继电器。

　　实际用DL750 scoper测量发现这两种精度都不是很高，误差往往有8-10ms。

　　实际中对产品评价需要很多数据，需要测试很多产品，这样需要多独立回路，接线走线困难，而且会产生寄生电路，所以，从PLC产品的兼容性及测试成本考虑，采用目前先进的嵌入式软PLC技术，可大大缩短实验周期并降低成本。

　　2、软PLC技术

　　传统的PLC经过十几年的发展，技术已经非常成熟，以高速度、高稳定性、高性能在工业控制领域得到了广泛应用，与此同时，随着现代计算机技术和电子技术的发展，在工程方面逐渐表现出其缺点：传统的PLC厂商垄断市场，其产品户不兼容，缺少明确一致的标准，难以构建开放的硬件体系结构；各厂商产品的编程方法差别很大，技术专有性较强，工作人员培训时间长，造成PLC的性价比增长很缓慢。

　　20世纪90年代中期，计算机和微电子技术的迅猛发展以及PLC的国际标准IEC61131的制定，产生了软PLC技术，所有"软PLC技术"，就是用PC作为硬件支撑平台，利用软件实现标准硬件PLC的基本功能，也就是将PLC的控制功能封装在软件内，运行于PC的环境中，以PC为基础的控制系统，同时提供了PLC的相同功能，却具备了PC的各种优点。

　　软PLC技术一般由开发系统和运行系统两个部分组成。开发系统运行在PC平台上，而运行系统则运行在嵌入式硬件平台上，一般而言，嵌入式硬件平台上都要运行某种嵌入式操作系统，比如μC/OS-II、μClinux等。

　　现代开发系统的特点一般都是集成化开发环境，界面友好，易于使用。软PLC嵌入式系统是基于IEC61131国际标准的，所以必然要支持其中的几种语言，系统运行在嵌入式硬件平台上，负责解释执行由开发系统编译、链接后产生的目标文件，运行系统一般由运行内核、通信接口和系统管理三大部分组成，其设计和实现精度很高，它的执行效率将直接影响到系统在现场控制中的反应速度。

　　3、嵌入式平台的虚拟运行系统

　　运行系统的结构组成如图2所示。系统管理器的主要任务是处理不同任务、协调程序执行及从I/O映象读写变量。I/O接口可与本地I/O系统和远程I/O系统通信。通信接口使运行系统可以与开发系统或其他设备进行通信。内核解释器是运行系统的核心部分，负责解释执行由开发系统编译完成的PLC应用程序的目标代码。

图2 运行系统的结构组成

　　运行系统可在多种支持平台上运行，它通过将数据区和代码区分离，实现程序的动态更新和代码的高效率动态下载。

　　（1）在μClinux平台上实现软PLC虚拟机实现步骤

• 将梯形图的指令翻译成宏汇编并建立一个宏库；
• 把用户编写的梯形图程序编译成中间代码形式的PLM文件；
• 将PLM文件转变为汇编程序；
• 用汇编器汇编变成功的汇编程序，将解释执行内部指令（PLM文件）转换为程序，汇编成机器码执行，实现PLC指令机器码执行方案，大大地提高了执行速度，同时大大节约了内存空间；
• 将PLC指令对应的机器码移植到嵌入式操作系统中执行。

（2）运行系统的两大模块

　　运行系统主要由两大模块组成：1）梯形图到机器码程序的转换；2）执行机器码文件。每个模块的功能如下：

　　1）梯形图到机器码程序的转换。首先把用户编写的梯形图程序编译成中间代码形式的PLM文件，然后将PLM文件转变为汇编程序，最后用汇编器汇编转变成功的汇编程序，产生机器码从而生成可执行的PLE文件。

　　2）执行机器码文件。将PLE文件嵌入配置好的执行环境中并执行，通过工控机的面版指示灯监测程序的正确性。

　　（3）虚拟机总体设计

　　根据虚拟机的原理和执行机制，对虚拟机的机器码执行方案进行了总体设计，如图3所示。PLC文件是梯形图程序的保存文件，通过对PLC文件进行词法分析、语法分析和语义分析编译产生PLM文件，然后调用宏汇编库，并进行一系列的转换生成机器码，产生PLE文件；最后创建机器运行环境来执行机器码，宏汇编库中是每个梯形图指令对应的宏汇编段。

图3 虚拟运行总体设计框图

　　（4）交叉开发调试算法研究

　　交叉开发调试算法：

• 在宿主机平台上编写程序代码；
• 固化监控器至目标机上；
• 连接宿主机和目标机；
• 编译链接应用程序，生成可执行代码；
• 将可执行代码下载到目标机；
• 使用交叉调试器进行调试；
• 如果程序调试没有发现异常，转至11）；
• 调试程序时发生错误，利用交叉调试器定位错误；
• 修改错误代码；
• 重复4）-10）；
• 将目标机程序固化在目标机上。

　　4、嵌入式软PLC改造后的控制系统

　　以测试继电器TV5实验为例。其要求如下：每次测试5个继电器，每个继电器的动作频率是5s开，5s关。根据要求，试验最好的结果是每个继电器用6个TV负载，即每个TV负载是5s开，55s管。输入点有：开关，检出，复位M个，停止次数设定量N次，动作频率设定L个，常开/触点转换。其中，M=测试产品个数，N、L个数由实际需要确定。其算法如下：

• 设定一个循环周期，使累积误差最小；
• 在循环周期内设计动作时间和动作频率，以及动作次数；
• 设计相关联动、互锁、紧急停车和复位等功能；
• 执行动作与反馈根据产品相关标准进行比较，判定结果和设定中断程序。

　　采用模块化程序设计编程，各模块均由主程序调用，且为了程序不出误动作，还要考虑电流谐波和冲击对高电源的要求。用了算法优化设计，5个继电器每隔2s一个动作，5个刚好10s。其中一个动作频率程序如下：

　　与之对应的动作如下：

　　该程序检出判断程序如下：

图4 TV负荷电压电流波形

　　由图4可知：启动时突入电流最大值约为55A，突入时间约为54ms，定常为8A。

图5 电机电压和电流波形

　　由图5可知：电流滞后电压约为0.9ms，其功率因素为0.96。

　　实验结果与测试要求基本一致。如果不采用优化算法程序设计，则对电源要求很高，所以该控制系统可以应用实现，无形中降低了成本。

　　5、改进后优点和维护

　　很明显，经过以上改进后有以下优势：

• 使用PLC后通用性大大提高，改进了以前单一PLC，并缩短了工作人员的培训周期；
• 用嵌入式软PLC代替传统的硬PLC，外部线路简化；
• 模块化可实现各种复杂的控制系统，方便地增加和改变控制功能；
• PLC可进行故障自动检测和报警显示，提高运行安全性，且便于检修；
• 便于群控制，提高运行效率；
• 更改控制方案时无需改动外部线路。
• 测试及维护需注意的事项：
• 为了提高系统效率并降低开销，尽量少用I/O；
• 要有紧急停车和适当联锁按钮环节；
• 输入和输出不能用同一电缆线；
• 直流电感性负载并联浪涌二极管，以延长触点的使用寿命；交流感性负载并联电容吸收器以降低噪声。

　　为保证控制系统工作的可靠性，做好接地、防尘、访油、防辐射工作。

　　结语

　　此系统可用于继电器、马达、电感、充电器等产品的测试。改进后仍存在以下几点缺陷：其一，如果负载断路，其本身并不能检测和保护；如果负载短路，产品在短时间内产生过电流，会造成产品破坏甚至威胁人身安全。其二，数据采集不全，不能实时监控。利用电流计可以弥补第一点的不足；采用数据采集卡可以实现实时数据采集。