軟PLC技術(shù)下的工程機械智能控制器研究

林如陽

摘 要：以往PLC控制和計算機控制，一直以來都是工業(yè)控制中最主要的兩種控制方式。以往PLC控制系統(tǒng)，監(jiān)測工程機械狀態(tài)的過程比較復(fù)雜，且時間比較長，使得工程機械工作效率較低，難以滿足現(xiàn)代化工程機械智能化控制的要求。而軟PLC這種新型的職能控制器，由于其獨特的優(yōu)勢，可滿足現(xiàn)代化工程機械智能控制的要求，而被得到廣泛的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：軟PLC；工程機械；控制算法

中圖分類號：TP290 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）29-0016-02

1 工程機械職能控制器軟件設(shè)計

1.1 軟件系統(tǒng)

軟件系統(tǒng)的開發(fā)，基于IEC61131-3標準，支持PLC編程語言共有5種，系統(tǒng)開發(fā)應(yīng)用CIL技術(shù)，通過CIL轉(zhuǎn)換器，將PLC編程語言變?yōu)镃IL語言，最后經(jīng)過CIL轉(zhuǎn)化成為可執(zhí)行代碼。運行系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵所在，軟PLC技術(shù)通過運行系統(tǒng)，實現(xiàn)PLC系統(tǒng)具備以往PLC所具備的控制能力，一方面執(zhí)行指令與分析，另一方面實現(xiàn)內(nèi)存資源管理、數(shù)據(jù)資源管理等。

1.2 控制器軟件架構(gòu)

控制器軟件架構(gòu)分為三層，底層的CAN總線接口驅(qū)動、輸入輸出接口驅(qū)動，其目的是為了實現(xiàn)查詢狀態(tài)以及數(shù)據(jù)信息的收取和發(fā)送；實時多任務(wù)操作系統(tǒng)，主要管理CPU運行狀況，實現(xiàn)時間管理、操作管理、內(nèi)存管理；PLC內(nèi)核則實施PLC程序。

1.3 底層I/O驅(qū)動

根據(jù)不同的功能，分為AI/DI接口、DI接口、PI/DI接口、PWM/DO/DI接口、DO/DI接口，根據(jù)各自的功能，分別設(shè)計驅(qū)動程序，設(shè)置相應(yīng)的接口參數(shù)。DI接口實現(xiàn)外部接口的輸入開關(guān)量；PI/DI接口實現(xiàn)外部傳感器輸入的脈沖量的頻率；AI/DI接口功能則為監(jiān)測控制內(nèi)部溫度與外部輸入的電源電壓，合理控制其范疇；DO/DI接口則實現(xiàn)低位開關(guān)量輸出；PWM/DO/DI接口，PWM即是指脈寬調(diào)制輸出，通過PWM信號的占空，變化電磁閥比例的開合程度。

2 軟PLC設(shè)計

全部輸入點的狀態(tài)，將其存儲在相應(yīng)的地址里，把CANOPEN數(shù)據(jù)信息存儲在相關(guān)的地址里；而后開始執(zhí)行程序；按照全部輸出口的地址的值執(zhí)行輸出，把CANOPEN地址值傳輸?shù)紺AN總線上。

2.1 Control設(shè)計

①JoyFilter模塊。手柄模擬量輸入處理函數(shù)。手柄輸入是一個模擬的手柄，如若電壓為6 V，那么中位的電壓則為3 V，從中位變化到最大電壓，電壓變化為3～6 V，從中位變化到最小電壓，則為3-0 V。事實上，理想狀態(tài)下的參考電壓不一定為6 V，中位變化到最大電壓變化也不一定是3 V。本模塊主要與控制器所提供的PWM函數(shù)配合應(yīng)用，把手柄輸入中位最大值設(shè)定為0～33 756，中位值到最小值設(shè)定為0～33 756。

②Motion模塊。該模塊的存在，主要目的是為了控制比例閥，輸出2路PWM，信號范疇控制在—33 756～33 756之間，如果信號控制在0～33 756，PWM Up輸出則為0～33 756，如果信號控制在0到-33 756時，則PWM down輸出則為0到-33 756。通過參數(shù)控制設(shè)定，確定最小、最大輸出電流范疇。

2.2 Hardware設(shè)計

Hardware現(xiàn)階段信號有六種，即：DO、PI、DI、PWM、Current Input、Voltage Input。在這之前，加入測試所需要的設(shè)備，打開設(shè)備庫，將自己所需要的設(shè)備進行安裝，安裝完成之后，點擊PLC時則可以看到自己所安裝的設(shè)備，新建項目，之后確定項目保存的位置。通道類型設(shè)置之下，有三種可以選擇，即Digital Input、Current Input、Voltage Input，將管腳編號通道功能設(shè)置為Digital Input，測試DI，選擇Digital Input通道類型，余下通道相似，尋找相應(yīng)開關(guān)，配置為Digital Input。配置完成DI通道之后，安裝PLC程序，終端打印每個不同通道的配置狀況，查詢、核對通道配置狀況是否正確，如若發(fā)現(xiàn)通道配置不正確，則重新操作，直到正確配置為止。

3 系統(tǒng)性能測試探討

3.1 硬 件

本次工程機械智能控制器研究中，其硬件型號為LPC2939芯片，工作頻率較為穩(wěn)定，頻率為130 MHz，內(nèi)部存儲器字節(jié)為867 K，隨機存儲器外擴3 M字節(jié)作為系統(tǒng)運行存儲，F(xiàn)LASH存儲器外擴1 M作為程序存儲。研制控制器開發(fā)板之后，經(jīng)過檢測之后，較為可靠。工程機械智能控制器硬件設(shè)計完成后，可滿足大部分工程機械使用要求，而又充分利用了控制器的內(nèi)部資源，大部分控制器的接口，都是三種功能重復(fù)應(yīng)用的，這樣可為不同客戶、不同種類的工程機械需求，合理配置，應(yīng)用控制器才更加方便。

A/D、I/O以及PWM輸入輸出接口，連接CAN總線通信接口，可滿足現(xiàn)階段工程機械開關(guān)量、模擬量、數(shù)字量采集需求。CAN總線采集信息以及傳輸結(jié)構(gòu)，可滿足CAN總線信息采集需求以及2路發(fā)動機信息采集需求。結(jié)構(gòu)全部為封閉結(jié)構(gòu)，具有防震動、防水、防塵等優(yōu)勢，可滿足工程機械防護要求。

3.2 軟 件

系統(tǒng)設(shè)計采用模塊化的方式，具有較強的重構(gòu)能力，可實現(xiàn)不同機械工程的控制需求；應(yīng)用實時多任務(wù)嵌入式操作系統(tǒng)，可實現(xiàn)實時性控制器系統(tǒng)的要求；與IEC61131-3標準的PLC開發(fā)環(huán)境相一致；工程機械控制器實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化控制，穩(wěn)定了CANOPEN通信協(xié)議；現(xiàn)場控制的智能化，滿足了現(xiàn)場危急情況下，及時保護、操作判斷等功能的實現(xiàn)。

3.3 軟PLC測試探討

①DI測試。

執(zhí)行PLC程序，發(fā)現(xiàn)初始值為TRUE，則表明DI值為1，點擊DI對應(yīng)的管腳，則值變?yōu)镕ALSE，表明DI值為0，說明DI測試成功，余下管腳按照此種測試方式即可。

②DO測試。

開發(fā)板上DI/DO信號中的DO信號，以及PWM/DO/DI之中的DO信號。DI/DO信號中的DO信號測試，對引腳電阻大小測試結(jié)果輸出為0或者是1即可。PWM/DO/DI之中的DO信號測試，如果DO值為1，則表明引腳電壓為高電平，如果輸出的值是0，則表明引腳電壓為0。

③PWM信號測試。

為40 Hz頻率時，設(shè)定PWM輸出占空比，及定義參數(shù)為PWM0=500，當PWM占空比為30%時，波形輸出則為凹型；當PWM占空比為70%時，波形輸出則為凸型。

④JoyFilter模塊測試。

因為scale的作用，使得JoyFilter模塊AI輸入為-33756-33756，為雙向輸入值，基于此，所產(chǎn)生的JoyFilter模塊曲線實際上成為了JoyFilterac，曲線光滑度不夠，因為AI模擬輸入的影響，但是并不干擾模塊的正常輸出。

⑤Motion模塊測試。

當參數(shù)取值在0.2、0.05、0.02三種不同的情況之下時，控制信號相應(yīng)的目標電流，從0變化為800 mA。經(jīng)過分析得出，當一段時期后，控制器實際輸出電流可達到800 mA目標電流，且足夠穩(wěn)定，三種參數(shù)取值不同的情況下，系統(tǒng)穩(wěn)定所采用的時間，各不一樣，取參數(shù)值0.02時，系統(tǒng)所花費的調(diào)節(jié)時間最長，大概需要5s；當參數(shù)取值為0.2時，系統(tǒng)所花費的調(diào)整實踐最短，大約為1s；而參數(shù)取值為0.05時，調(diào)整實踐介于0.2與0.02之間，大概需要1.5～2 s左右，此種情況下，并未發(fā)生超調(diào)現(xiàn)象。

4 軟PLC技術(shù)實現(xiàn)方案

軟PLC技術(shù)，根據(jù)平臺劃分，主要方案有三種，即硬件PLC系統(tǒng)平臺、EPC系統(tǒng)平臺/IPC系統(tǒng)平臺、嵌入式系統(tǒng)平臺。

4.1 硬件PLC系統(tǒng)平臺

如圖1所示，主要應(yīng)用硬件PLC系統(tǒng)平臺，來作為載體，將軟PLC系統(tǒng)，載入到硬件PLC系統(tǒng)當中，以軟PLC系統(tǒng)來實現(xiàn)程序下載以及程序開發(fā)。

4.2 EPC系統(tǒng)平臺/IPC系統(tǒng)平臺

如圖2所示，主要通過EPC、IPC系統(tǒng)，當作載體，軟PLC系統(tǒng)均在EPC、IPC系統(tǒng)實施運行操作，以此來實現(xiàn)程序下載以及程序編輯。EPC、IPC控制器軟件系統(tǒng)的核心模塊一般為Windows、Linux等操作系統(tǒng)。

4.3 嵌入式系統(tǒng)平臺

主要將嵌入式系統(tǒng)當作載體，將軟PLC系統(tǒng)納入到嵌入式系統(tǒng)當中，通過軟PLC系統(tǒng)，來實現(xiàn)程序下載、開發(fā)工作，嵌入式系統(tǒng)一般使用嵌入式操作系統(tǒng)，比如Embedede Linux，來作為控制器軟件系統(tǒng)的核心。

5 結(jié) 語

綜上，軟PLC控制技術(shù)，解決了以往傳統(tǒng)PLC技術(shù)的不足，其開放式體系構(gòu)造，具備更好的網(wǎng)絡(luò)通信能力以及更強的信息處理能力，工業(yè)控制領(lǐng)域應(yīng)用之后，進一步提升了企業(yè)的生產(chǎn)效率以及自動化能力。

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