姜永華 張正中
摘 要： 為了解決原有PLC生產過程中手工調試參數校準效率低和測試精度低的弊端，設計並實現了小型PLC自動控制器。詳細分析了PLC硬體中AIO模塊、DIO模塊、PTA模塊以及CPU模塊的功能，基於這些模塊的功能，設計小型PLC自動控制器的模塊級自動檢測方案，重點分析AIO模塊的自動檢測過程。描述自動控制器中矩陣開關以及上位機軟體的實現過程，採用最小二乘擬合的方法校準AIO模塊中的數據，降低系統誤差的干擾度，提升檢測精度。實驗結果表明，所設計自動控制器各測試模塊檢測方案可行，具有較高的測試精度。
關鍵詞： 小型PLC； 自動控制器； 嵌入式設計； 最小二乘擬合
中圖分類號： TN876?34； TM315 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）22?0082?03
Abstract： In order to eliminate the disadvantages of low calibration efficiency and low test accuracy of manual debugging parameters in original production process of PLC， a small automatic controller for PLC was designed and implemented. The functions of AIO module， DIO module， PTA module and CPU module in PLC hardware are analyzed in detail. The automatic detection scheme in module level of small automatic controller for PLC is designed on the basis of the module functions. The process of automatic detection of AIO module is analyzed emphatically. The realization process of the matrix switch and the host computer software in the automatic controller is described. The least square fitting method is used to calibrate the data in the AIO module to reduce the interference degree of the system error and improve the detection precision. The experimental results show that the detection scheme for each module of the designed automatic controller is feasible and has high test precision.
Keywords： small PLC； automatic controller； embedded system； design； implementation
由於信息技術的快速發展，基於PLC的自動檢測技術在產品質量檢測領域的應用價值也不斷提升，並且在工業生產領域具有廣泛的應用價值。為了解決原有PLC生產過程中手工調試參數校準效率低、測試精度低的弊端，基於嵌入式模塊化設計原理，設計並實現了小型PLC自動控制器。
1 小型PLC設計
1.1 硬體體系架構設計
小型PLC採用模塊化設計，主要由PLC底板、CPU模塊、I/O模塊、通信模塊以及溫度採集模塊構成[1]。其中通信模塊由CAN通信模塊和網絡通信模塊構成。圖1是單條底板組態下的小型PLC的架構圖。
其中CPU模塊是關鍵模塊，各模塊間採用底板實現通信。單個CPU模塊可為16個I/O模塊提供服務。為了增強CPU模塊數據通信質量，本文PLC在CPU模塊中塑造協議處理器對CPU模塊數據的輸入/輸出實施處理，主CPU同協議處理採用共享數據區完成數據交互。
1.2 軟體體系結構設計
小型PLC的軟體系統結構如圖2所示，PLC的軟體系統由系統軟體和應用軟體構成[2]。
其中PLC硬體組成中的AIO模塊是模擬量輸入/輸出模塊，其由16組輸入/輸出通道構成。輸入通道收集電壓源、電流源以及Pt100傳感器信號，輸出通道輸出±10 V的電壓控制信號[3]。
DIO模塊是數字量輸入/輸出模塊，其通過1～16通道位輸入/輸出可配通道，並採用LED呈現不同通道的狀態。PTA模塊是模擬量輸入模塊，包括16組輸入，採用12組輸入通道採集溫度。對輸入配置寄存器中的值實施調控[4]，對其他4組輸入通道輸入採集模式實施在線配置。
CPU處理器模塊採用Powerpc技術，處理器晶片為8280，並配備一個3 V紐扣鋰電池，是總體小型PLC的指揮站，完成系統配置、數據交互運算以及程序運行。
2 小型PLC自動控制器的嵌入式設計與實現
基於第1節分析的各PLC模塊的特徵，設計PLC自動控制器的模塊級自動檢測方案，並對AIO模塊的自動檢測過程進行重點分析。
2.1 模塊級自動檢測方案
嵌入式小型PLC自動控制器是一種閉環檢測系統，由上位機、需要檢測的模塊以及不同的外圍部件組成[5]，通過上位機對檢測結果實施分析。其中I/O模塊由AIO模塊、DIO模塊以及PTA模塊構成。I/O模塊檢測內容是分析該模塊能否準確辨識輸入信號、輸入信號精確度以及輸出信號精確度引起的負載性能等內容。其結構如圖3所示，包括上位機、待測I/O模塊、PLC測試底板、交換機、萬用表以及矩陣開關等。程控電源向總體控制器提供電源，模擬I/O模塊需求的輸入信號；不同模塊輸出信號以及電源端的輸入信號都傳遞到萬用表中，I/O模塊的檢測參照值則是萬用表內的信號；通過矩陣開關完成檢測電路和外圍設備的變換[6]。檢測I/O模塊時將數字萬用表當成實際值和待測模塊參照值構成閉環系統，對I/O模塊實施檢測和校準。本文重點分析AIO模塊自動檢測系統的設計和實現過程。
2.2 矩陣開關實現
矩陣開關行和列的高效配置，能夠實現不同模塊的檢測需求。本文按照小型PLC自動控制器閉環控制系統的需求，設計一種基於FPGA的大規模矩陣開關，其控制邏輯的關鍵部分是FPGA，可對通道進行旋轉和變換處理[7]，矩陣開關原理結構圖如圖4所示。自動控制器設計兩塊8×32矩陣開關，包括8條行信號線和32條列信號線，不同行和列的信號能夠進行變換。
2.3 上位機軟體
小型PLC自動控制器的控制核心是上位機。上位機能夠顯示不同的數據介面、對控制器實施管理、對數據實施檢測和解析[8]。上位機對AIO模塊檢測流程如圖5所示[9]。按照用戶選擇的模塊號等參數設置AIO模塊參數，調控信號源的輸出，獲取AIO模塊的狀態值，對狀態寄存器的標識情況實施檢測[10]。上位機採用開關矩陣變換溫度信號獲取AIO模塊的輸入信號，通過萬用表得輸入信號的參照值，分析參照值和實際數據，獲取檢測結果。上位機向AIO模塊數據區寄存器存入電壓輸出設置值，採用矩陣開關切換，將電壓設置值同萬用表輸出的實際電壓值進行對比，完成AIO模塊電壓輸出檢測。
3 實驗測試
3.1 AIO模塊檢測結果分析
本文設計的小型PLC自動控制器中的AIO模塊需要實現0～20 mA電流輸入檢測、±10 V電壓輸出檢測。上位機按照檢測數據自動繪製波形，如圖6、圖7所示。電壓輸入檢測時間是21 s，最高誤差是0.45%。0～20 mA電流輸入檢測通道檢測時間是20 s，最高誤差是0.13%。分析這些數據得AIO模塊在通過本文設計的控制器校準後，不同檢測條件下各通道的誤差值都小於最高誤差值1%，說明校準後的誤差符合要求，本文設計小型PLC自動控制器中AIO自動檢測方案是有效的。
3.2 溫度記錄模塊PTA測試
溫度記錄模塊PTA應進行0～20 mA電流輸入檢測以及Pt100輸入檢測，結果如圖8、圖9所示。電壓輸入檢測方法同AIO一致，0～20 mA電流輸入測試單通道測試時間是20 s，最高誤差是0.1%。Pt100輸入測試手段同AIO一致，單通道總測試時間是25 s，最高誤差是0.45%。分析這些測試數據可得，PTA模塊通過校準後各測試項的不同通道實驗誤差值小於最高誤差值1%，說明校準後的誤差符合需求。本文設計的小型PLC自動控制器中的PTA自動檢測方案可行，並且有較高精度。
4 結 論
本文基於嵌入式模塊化設計原理，設計並實現了小型PLC自動控制器，實驗結果表明，所設計自動控制器各測試模塊檢測方案可行，具有較高的測試精度。
參考文獻
[1] 喬全勝，邢雙雲，尚文利，等.可信PLC的設計與實現[J].自動化儀表，2016，37（12）：76?78.
[2] 王超，張春，楊蓮紅，等.基於組態軟體的電梯遠程監控系統的設計[J].現代電子技術，2016，39（9）：167?170.
[3] 喬榮華，董建剛，張永恆.基於TRIO和PLC雙控制器的船舶焊接機器人運動控制系統設計[J].熱加工工藝，2016（11）：253?256.
[4] 張媛，蔣樂天，翟任何，等.基於嵌入式小型PLC的移動式保溫餐車控制系統設計與實現[J].機械設計與製造工程，2016，45（4）：31?36.
[5] 齊繼陽，孟洋，李金燕，等.基於安卓移動設備的嵌入式監控系統設計方法[J].自動化與儀表，2015，30（9）：5?9.
[6] 陳小貝，汪志成，葉寶安.基於嵌入式系統的PLC觸摸屏控制系統設計[J].電子測量技術，2015，38（3）：54?56.
[7] 肖成.PLC的嵌入式風機智能控制系統設計探討[J].中國新通信，2016，18（9）：123.
[8] 李雪蓮，楊悅.基於加密與驗證機制的嵌入式PLC系統設計[J].青島大學學報（自然科學版），2015，28（1）：80?84.
[9] 李林琛，蔣小平.基於改進遺傳算法的PLC壓力傳感誤差控制器設計[J].現代電子技術，2016，39（17）：161?163.
[10] 楊碩，沈振軍.基於Linux的步進電機嵌入式控制系統[J].儀表技術與傳感器，2015（1）：77?80.
摘 要： 為了解決原有PLC生產過程中手工調試參數校準效率低和測試精度低的弊端，設計並實現了小型PLC自動控制器。詳細分析了PLC硬體中AIO模塊、DIO模塊、PTA模塊以及CPU模塊的功能，基於這些模塊的功能，設計小型PLC自動控制器的模塊級自動檢測方案，重點分析AIO模塊的自動檢測過程。描述自動控制器中矩陣開關以及上位機軟體的實現過程，採用最小二乘擬合的方法校準AIO模塊中的數據，降低系統誤差的干擾度，提升檢測精度。實驗結果表明，所設計自動控制器各測試模塊檢測方案可行，具有較高的測試精度。
關鍵詞： 小型PLC； 自動控制器； 嵌入式設計； 最小二乘擬合
中圖分類號： TN876?34； TM315 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）22?0082?03
Abstract： In order to eliminate the disadvantages of low calibration efficiency and low test accuracy of manual debugging parameters in original production process of PLC， a small automatic controller for PLC was designed and implemented. The functions of AIO module， DIO module， PTA module and CPU module in PLC hardware are analyzed in detail. The automatic detection scheme in module level of small automatic controller for PLC is designed on the basis of the module functions. The process of automatic detection of AIO module is analyzed emphatically. The realization process of the matrix switch and the host computer software in the automatic controller is described. The least square fitting method is used to calibrate the data in the AIO module to reduce the interference degree of the system error and improve the detection precision. The experimental results show that the detection scheme for each module of the designed automatic controller is feasible and has high test precision.
Keywords： small PLC； automatic controller； embedded system； design； implementation
由於信息技術的快速發展，基於PLC的自動檢測技術在產品質量檢測領域的應用價值也不斷提升，並且在工業生產領域具有廣泛的應用價值。為了解決原有PLC生產過程中手工調試參數校準效率低、測試精度低的弊端，基於嵌入式模塊化設計原理，設計並實現了小型PLC自動控制器。
1 小型PLC設計
1.1 硬體體系架構設計
小型PLC採用模塊化設計，主要由PLC底板、CPU模塊、I/O模塊、通信模塊以及溫度採集模塊構成[1]。其中通信模塊由CAN通信模塊和網絡通信模塊構成。圖1是單條底板組態下的小型PLC的架構圖。
其中CPU模塊是關鍵模塊，各模塊間採用底板實現通信。單個CPU模塊可為16個I/O模塊提供服務。為了增強CPU模塊數據通信質量，本文PLC在CPU模塊中塑造協議處理器對CPU模塊數據的輸入/輸出實施處理，主CPU同協議處理採用共享數據區完成數據交互。
1.2 軟體體系結構設計
小型PLC的軟體系統結構如圖2所示，PLC的軟體系統由系統軟體和應用軟體構成[2]。
其中PLC硬體組成中的AIO模塊是模擬量輸入/輸出模塊，其由16組輸入/輸出通道構成。輸入通道收集電壓源、電流源以及Pt100傳感器信號，輸出通道輸出±10 V的電壓控制信號[3]。
DIO模塊是數字量輸入/輸出模塊，其通過1～16通道位輸入/輸出可配通道，並採用LED呈現不同通道的狀態。PTA模塊是模擬量輸入模塊，包括16組輸入，採用12組輸入通道採集溫度。對輸入配置寄存器中的值實施調控[4]，對其他4組輸入通道輸入採集模式實施在線配置。
CPU處理器模塊採用Powerpc技術，處理器晶片為8280，並配備一個3 V紐扣鋰電池，是總體小型PLC的指揮站，完成系統配置、數據交互運算以及程序運行。
2 小型PLC自動控制器的嵌入式設計與實現
基於第1節分析的各PLC模塊的特徵，設計PLC自動控制器的模塊級自動檢測方案，並對AIO模塊的自動檢測過程進行重點分析。
2.1 模塊級自動檢測方案
嵌入式小型PLC自動控制器是一種閉環檢測系統，由上位機、需要檢測的模塊以及不同的外圍部件組成[5]，通過上位機對檢測結果實施分析。其中I/O模塊由AIO模塊、DIO模塊以及PTA模塊構成。I/O模塊檢測內容是分析該模塊能否準確辨識輸入信號、輸入信號精確度以及輸出信號精確度引起的負載性能等內容。其結構如圖3所示，包括上位機、待測I/O模塊、PLC測試底板、交換機、萬用表以及矩陣開關等。程控電源向總體控制器提供電源，模擬I/O模塊需求的輸入信號；不同模塊輸出信號以及電源端的輸入信號都傳遞到萬用表中，I/O模塊的檢測參照值則是萬用表內的信號；通過矩陣開關完成檢測電路和外圍設備的變換[6]。檢測I/O模塊時將數字萬用表當成實際值和待測模塊參照值構成閉環系統，對I/O模塊實施檢測和校準。本文重點分析AIO模塊自動檢測系統的設計和實現過程。
2.2 矩陣開關實現
矩陣開關行和列的高效配置，能夠實現不同模塊的檢測需求。本文按照小型PLC自動控制器閉環控制系統的需求，設計一種基於FPGA的大規模矩陣開關，其控制邏輯的關鍵部分是FPGA，可對通道進行旋轉和變換處理[7]，矩陣開關原理結構圖如圖4所示。自動控制器設計兩塊8×32矩陣開關，包括8條行信號線和32條列信號線，不同行和列的信號能夠進行變換。
2.3 上位機軟體
小型PLC自動控制器的控制核心是上位機。上位機能夠顯示不同的數據介面、對控制器實施管理、對數據實施檢測和解析[8]。上位機對AIO模塊檢測流程如圖5所示[9]。按照用戶選擇的模塊號等參數設置AIO模塊參數，調控信號源的輸出，獲取AIO模塊的狀態值，對狀態寄存器的標識情況實施檢測[10]。上位機採用開關矩陣變換溫度信號獲取AIO模塊的輸入信號，通過萬用表得輸入信號的參照值，分析參照值和實際數據，獲取檢測結果。上位機向AIO模塊數據區寄存器存入電壓輸出設置值，採用矩陣開關切換，將電壓設置值同萬用表輸出的實際電壓值進行對比，完成AIO模塊電壓輸出檢測。
3 實驗測試
3.1 AIO模塊檢測結果分析
本文設計的小型PLC自動控制器中的AIO模塊需要實現0～20 mA電流輸入檢測、±10 V電壓輸出檢測。上位機按照檢測數據自動繪製波形，如圖6、圖7所示。電壓輸入檢測時間是21 s，最高誤差是0.45%。0～20 mA電流輸入檢測通道檢測時間是20 s，最高誤差是0.13%。分析這些數據得AIO模塊在通過本文設計的控制器校準後，不同檢測條件下各通道的誤差值都小於最高誤差值1%，說明校準後的誤差符合要求，本文設計小型PLC自動控制器中AIO自動檢測方案是有效的。
3.2 溫度記錄模塊PTA測試
溫度記錄模塊PTA應進行0～20 mA電流輸入檢測以及Pt100輸入檢測，結果如圖8、圖9所示。電壓輸入檢測方法同AIO一致，0～20 mA電流輸入測試單通道測試時間是20 s，最高誤差是0.1%。Pt100輸入測試手段同AIO一致，單通道總測試時間是25 s，最高誤差是0.45%。分析這些測試數據可得，PTA模塊通過校準後各測試項的不同通道實驗誤差值小於最高誤差值1%，說明校準後的誤差符合需求。本文設計的小型PLC自動控制器中的PTA自動檢測方案可行，並且有較高精度。
4 結 論
本文基於嵌入式模塊化設計原理，設計並實現了小型PLC自動控制器，實驗結果表明，所設計自動控制器各測試模塊檢測方案可行，具有較高的測試精度。
參考文獻
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[8] 李雪蓮，楊悅.基於加密與驗證機制的嵌入式PLC系統設計[J].青島大學學報（自然科學版），2015，28（1）：80?84.
[9] 李林琛，蔣小平.基於改進遺傳算法的PLC壓力傳感誤差控制器設計[J].現代電子技術，2016，39（17）：161?163.
[10] 楊碩，沈振軍.基於Linux的步進電機嵌入式控制系統[J].儀表技術與傳感器，2015（1）：77?80.
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