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一、plc和智能模塊的發展現狀及趨勢

PLC是一種在繼電邏輯控制之后迅速發展起來的計算機工業自動控制裝置，其強大的抗干擾能力和可靠度被廣泛運用于多種工業自動化設備中。隨著對PLC研究的深入和技術的發展成熟，越來越多的復雜自動控制系統紛紛將PLC作為了首選技術。與多年前的PLC功能相比，如今的PLC廠商已開發出各種各樣的配套功能模塊，智能化的處理能力也在不斷增強，完全能夠適應各類工藝生產流程，如輸入輸出模塊，便是現今應用范圍最廣的PLC自動控制系統智能模塊，其實現了采集外部模擬量和控制內部數字量的兩種功能，甚至有一些品牌的輸入輸出模塊已完全嵌入了A/D和D/A的功能，滿足了市場的需要。然而，隨著舊工藝舊設備的改造和工業控制系統的復雜程度提高，原廠配套的智能模塊出現了功能性瓶頸，具有一定的滯后性，且因定制造價過高的原因，國內外開始對自動控制系統智能模塊展開了更深層次的研究。

二、基于PLC自動控制系統的設計

1、PLC自動控制系統的結構構成PLC自動控制系統是通過PLC對工業生產中的儲位、壓力、流量和溫度等生產要素進行控制的一種智能化系統，在此過程中，需進行PID的運算，通常在PLC廠家可以采購到配套的PID控制程序和過程控制模塊，對于生產要素的采集和輸出都有較為方便的控制方法，但基于價格和操作性的原因，不少PLC自動控制系統還是采取自己編程的方式，這對于復雜的PLC自動控制系統實現更多需求和工藝調整的控制策略，具有成本更低和操控性更強的特點。PLC自動控制系統的工作流程主要是：通過測量感應元件對信號進行反饋輸入，進入A/D模塊轉變為系統能夠識別的數字信號，再與控制參數進行比對，接著進入PID運算單元，得到偏差結果的計算，最后由D/A模塊轉變信號輸出至執行元件，開始動作的執行。

2、PLC自動控制系統的智能化實現本文以儲料儲存和輸送控制為例子，采用三菱公司生產的FX2N-48MR-001PLC對PLC自動控制系統的智能化實現過程進行具體介紹。

（1）儲位的采集：寄存器M21閉合檢測儲位并選擇輸入通道讀取儲位值信號，A/D模塊開始工作，再經緩沖存儲器讀取進入輔助繼電器中，最后將數字信號儲存入寄存器，等待PID的運算。

（2）PID的運算：首先，我們要初始化設定PID的固定指令參數表，即設定檢測時間、增益濾波、微積分增益等參數。其次，設置獨立的PID指令寄存器，當PID出現運算錯誤時，及時調整寄存器的ON和OFF狀態，中斷指令，而實際采集儲位值信號時，也是通過中斷和跳轉指令和子程序調用指令來運算的。

（3）電動閥的輸出：電動閥主要作為進出料控制的手段，是通過PID的控制和D/A模塊的轉換，將PID運算的模擬量結果進行輸出工作，其輸出值會儲存在輔助繼電器和緩沖儲存器中，觸發輸出通道進行D/A轉換的過程。

三、基于PLC自動控制系統的上位監控設計

1、上位監控介紹基于PLC自動控制系統的上位監控是由組態軟件對上下位的通信進行銜接，且實時監控并記錄PLC自動控制系統運行情況的管理方法。其采用組態軟件對PLC、智能模塊以及設備儀表等進行采集現場信號的工作，當系統運行到報警參數設置范圍內的狀態時，組態軟件會以監控界面和移動終端設備等途徑提醒工作人員。同時，該上位監控軟件對歷史數據能夠進行統計和儲存，便于對數據變量配置進行優化和完善。

2、上位監控界面設計上位監控界面設計分為兩個步驟，一是畫面的開發，通過組態軟件對工業流程圖的圖形圖表繪制，根據各設備的位置、規格和連接方式，通過縮小比例的顯示方式表示在計算機屏幕中；二是工程變量的設置，監控界面中的工程變量往往用于集中進行生產監控和預警控制，因畫面的直觀效果，自動控制系統能夠在監控界面中隨時發現工業生產各個環節的運行狀態，簡而言之，設置工程變量即是在畫面開發之后對各生產要素和連接方式的屬性定義。

3、遠程監控設計隨著互聯網的高速發展，遠程監控與PLC自動控制系統結合起來，成為了PLC自動控制系統的一個很重要的智能模塊。組態軟件中內嵌有B/S結構，可以讓自動控制系統的監控手段脫離現場的監控，隨時隨地對工業生產進行監控和管理，亦可設置純瀏覽權限，只能訪問監控界面，進行實時數據觀察，該方式已成為了上位監控的重要發展方向。

四、基于PLC自動控制系統的智能模塊設計

為滿足PLC應用于各種自動控制系統的要求，配套輸入口的模塊購買成本十分高昂，而且相對固定的性能和無法擴展的弊端對于小型自動控制系統和老工藝改造項目具有較差的靈活性。針對于此，本節將闡述智能輸入輸出口模塊在PLC應用中的二次設計過程。

1、智能輸入輸出口模塊的設計方案智能輸入輸出口的設計主要通過編程來自定義種類各異的邏輯功能，實現與PLC聯通信息，輸入輸出模擬量，并于上位監控界面中顯示的功能。其中，智能輸入輸出口模塊核心控制器采用單片機作為主機來完成通信的傳輸和數據的控制，PLC作為輔機來對兩者進行聯通。而單片機邏輯電路設計交由CPLD來完成，所有模塊和輸入輸出外設都經過CPLD與單片機利用總線連接，實現抑制容易、兼容性強等特點。

2、硬件模塊設計

（1）單片機模塊單片機是智能輸入輸出口模塊的核心部分，本文對單片機的選擇為兼容8051指令代碼的單片機，該類型單片機的功耗、速度和抗擾性能都得到了市場的良好反響。其次，該類型的單片機采取外部晶振模式并內置2個30pF電容對波特率的把握較為穩定和快速。由于STC12LE5A60S2和CPLD的供電電源為3.3V，所以可以直接進行總線連接。同時，本文將單片機的ALE引腳、中斷、P2和WR/RD接口與CPLD連接，易于控制矩陣式鍵盤的操作。

（2）CPLD模塊CPLD是自定義邏輯編程開發的專用集成電路，其利用配套的輸入軟件、開發軟件和仿真軟件對內部邏輯燒寫實現電路設計、仿真和優化的制作過程。在CPLD的選擇上，首選電源電壓為3.3V的CMOSEPLD，滿足管腳數量大于144個、I/O口大于116個的高性能和高密度要求。

（3）D/AC和A/DC模塊D/AC模塊的主要作用是輸出0~5V的模擬量，為滿足不同電路的設計要求，其輸入方式應滿足市面常見的直接數字和單、雙緩沖并存的輸入方式，至于模擬信號是否在轉換后通過電流形式輸出還是電壓輸出，本文對此不作要求；A/DC模塊的主要作用是轉換數字量信號，并經單片機發送至PLC進行PID運算。按照常見的自動化控制系統的要求，A/DC模塊必須具備8路采集通道，且采集精度應符合8位分辨率的要求。

3、軟件模塊設計

（1）CPLD程序的編寫CPLD程序的編寫主要是對總線地址譯碼、讀寫時序、數碼管掃描、鍵盤自動掃描的操作，通常采用AHDL語言來完成工作。其編程流程為：首先，進行總線地址譯碼，獲取單片機對A/DC和D/AC模塊的讀寫時序，通過讀寫時序判斷A/DC和D/AC模塊的轉換狀態；其次，傳輸采集數據給單片機，通過對數碼管的1KHz信號掃描模式，將數據顯示與LED上；最后，根據鍵盤自動掃描200Hz信號的結果，判斷單片機中斷的按鍵動作，輸出至總線。

（2）單片機程序的編寫單片機程序的編寫主要是對主程序、功能菜單程序、顯示程序和模塊通信和控制進行設計。此過程是對智能輸入輸出口模塊人機交互界面的設計，應以簡單便捷的操控設計為原則，滿足通信和控制模塊的功能性需求。

4、PLC和智能輸入輸出口模塊的串行通信實現PLC和智能輸入輸出口模塊的串行通信實質上是模擬量和數字信號的傳輸通信，其通訊數據以每幀10個字符為單位進行傳輸工作，并采用STX作為起始標志，ETX作為結束標志，中間部分為命令碼和校驗碼，通訊模式通常使用9600bps串口波特率和相同的傳輸數位，此過程中數據的讀寫工作均交由單片機完成，即將單片機作為編制通信程序的主機，以實現數據通信的需求。

作者：馬婷單位：江蘇省連云港財經高等職業技術學校