0 引言

　　可編程控制器( PLC) 是工業(yè)自動(dòng)化的主導(dǎo)執(zhí)行部件，其已成為現(xiàn)代工業(yè)控制的三大支柱( 機(jī)器人、PLC 和 CAD/CAM) 之一。其可靠性高、使用便利等優(yōu)點(diǎn)已被工程技術(shù)人員所熟知。經(jīng)過(guò) 40 多年的發(fā)展，可編程控制器已成為最重要、最可靠、應(yīng)用場(chǎng)合最廣泛的工業(yè)控制微型計(jì)算機(jī)。而小型PLC 在使用過(guò)程中難以完全發(fā)揮其全部控制系統(tǒng)功能以及系統(tǒng)編程混亂，適應(yīng)工藝變更能力差，系統(tǒng)容錯(cuò)功能難以保障及系統(tǒng)工藝維護(hù)困難等實(shí)際問(wèn)題備受關(guān)注。本文以西門(mén)子公司 S7 － 200 系列PLC 為例，建立了基于 PLC 的并行系統(tǒng)框架模型，在提高并行系統(tǒng)控制能力的同時(shí)、不僅保證系統(tǒng)穩(wěn)定性，且保障了系統(tǒng)容錯(cuò)功能及系統(tǒng)的可移植性，為大型系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供了一種實(shí)用易于維護(hù)的手段和方法。

1 PLC 并行系統(tǒng)的可行性分析

　　1.1 工業(yè)控制特性

　　在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)控制系統(tǒng)中，工業(yè)任務(wù)往往是多任務(wù)，多階段，多工藝步驟的，這要求控制器的控制功能得到充分的運(yùn)用; 在工廠生產(chǎn)第一線，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)安全要求以及人員安全保障要求，控制系統(tǒng)應(yīng)具備良好的系統(tǒng)容錯(cuò)，監(jiān)控自檢功能; 在工控應(yīng)用中，系統(tǒng)程序應(yīng)易于編寫(xiě)并能適應(yīng)柔性生產(chǎn)需要，即要求控制系統(tǒng)應(yīng)具有適應(yīng)性與條理性。從以上方面考慮，建立一種能更好的運(yùn)用 PLC 控制器的系統(tǒng)控制功能、其框架結(jié)構(gòu)易于維護(hù)、程序可移植性強(qiáng)、適應(yīng)工藝變更能力好、系統(tǒng)穩(wěn)定且具有容錯(cuò)自檢處理功能的并行系統(tǒng)，需首先從以下幾個(gè)方面分析控制器特征: 1) 程序執(zhí)行中控制器掃描周期特征; 2)通訊處理階段信息交互特征; 3) 輸入輸出及程序執(zhí)行處理中儲(chǔ)存器，寄存器特征。根據(jù)硬件特性及工業(yè)生產(chǎn)控制系統(tǒng)需要建立 PLC 并行系統(tǒng)模型。

　　1.2 PLC 控制器執(zhí)行特征

　　PLC 控制器采用了一種按順序邏輯掃描用戶程序的運(yùn)行方式 － 掃描技術(shù)。即一個(gè)邏輯線圈被接通或斷開(kāi)，該線圈的所有觸點(diǎn)不會(huì)立即動(dòng)作，必須等掃描到該觸點(diǎn)時(shí)才會(huì)動(dòng)作。當(dāng) PLC 處于運(yùn)行狀態(tài)(RUN) ，掃描過(guò)程如圖 1 所示，完成圖中各個(gè)階段處理稱作一個(gè)掃描周期。在掃描周期中，控制系統(tǒng)與程序執(zhí)行階段有著密切關(guān)系。在用戶程序執(zhí)行階段中，PLC 控制器執(zhí)行各種運(yùn)算處理的速度、

　　用戶程序量及跳轉(zhuǎn)、計(jì)時(shí)器等工作指令的使用直接影響著掃描周期的長(zhǎng)短。建立合理的并行系統(tǒng)框架，嚴(yán)格的控制掃描周期的長(zhǎng)短，將充分發(fā)揮 PLC 控制系統(tǒng)功能;將系統(tǒng)任務(wù)分段，分步驟的進(jìn)行規(guī)劃，使工藝邏輯清晰明了，易于系統(tǒng)編程維護(hù)，更好的適應(yīng)工藝變更。

圖 1 PLC 掃描過(guò)程

　　1.3 PLC 通訊與信息自動(dòng)化

　　PLC 具有多種通訊方式并能夠組建信息自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)，在通訊處理階段，PLC 通過(guò)不同方式接受或發(fā)送待處理數(shù)據(jù)。在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)中，通過(guò)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線 PROFIBUS 組建的控制系統(tǒng)中，靈活的信息交流更好的實(shí)現(xiàn)了柔性生產(chǎn)，在遠(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中，可以使用網(wǎng)絡(luò)通訊進(jìn)行生產(chǎn)單元的現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)，在并行系統(tǒng)的框架結(jié)構(gòu)中添加通訊處理程序塊，系統(tǒng)將具備很好的移植性與普遍性。

　　1.4 PLC 控制器儲(chǔ)存器特征

　　西門(mén)子 S7 － 200 系列 PLC 的儲(chǔ)存區(qū)由多種寄存器、存儲(chǔ)區(qū)、累加器組成。在輸入/輸出處理階段，各輸入點(diǎn)的狀態(tài)是固定不變的，而當(dāng)程序執(zhí)行完后再用過(guò)程映像寄存器中的值去更新輸出點(diǎn)，映像寄存器使系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定，從硬件上給控制系統(tǒng)的容錯(cuò)，監(jiān)控自檢處理提供了不同角度的實(shí)現(xiàn)方式。

　　在程序執(zhí)行的階段，各存儲(chǔ)器具有不同的功能尋址取值方式，大多數(shù)寄存器均可以按位、字節(jié)、字和雙字來(lái)存取，少數(shù)特殊存儲(chǔ)器具有特定的儲(chǔ)存特征。特殊的中斷程序處理方式使中斷事件發(fā)生時(shí) CPU停止正常的掃描而完成監(jiān)控功能。

2 并行系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)

　　提高系統(tǒng)控制功能可采用兩種方式，即時(shí)間并行性與空間并行性。時(shí)間并行性是指在同一時(shí)間或時(shí)間段中，同時(shí)調(diào)度過(guò)程及過(guò)程中的程序運(yùn)算，充分發(fā)揮內(nèi)部處理機(jī)的運(yùn)算能力，從而提高系統(tǒng)的并行度及可靠性�？臻g并行性則是在內(nèi)部處理機(jī)中設(shè)置多個(gè)獨(dú)立的操作部件，并讓這些操作部件進(jìn)行同步或異步工作。提高 PLC 系統(tǒng)控制功能就必須根據(jù)其硬件特性建立合理的時(shí)間并行性系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)。

　　2.1 并行系統(tǒng)模型構(gòu)建

　　將 PLC 并行系統(tǒng)框架的系統(tǒng)任務(wù)劃分為相關(guān)性極小的子任務(wù)，每個(gè)子任務(wù)均由其獨(dú)立單元完成或?qū)崿F(xiàn)( 圖 2) 。將系統(tǒng)體系逐級(jí)分解為多個(gè)相對(duì)獨(dú)立的功能單元，功能單元內(nèi)容按具體工藝步驟規(guī)劃。在并行系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，由于各子任務(wù)相關(guān)性極小，各子任務(wù)可按工藝步驟獨(dú)立運(yùn)行完成。并行系統(tǒng)控制功能將有很好的提升，同時(shí)可大大的縮短執(zhí)行時(shí)間，且適應(yīng)工藝能力強(qiáng)，易于維護(hù)及柔性生產(chǎn)。

圖 2 并行系統(tǒng)模型構(gòu)架

　　2. 2 并行工藝數(shù)估算

　　在一定允許時(shí)間范圍內(nèi)，由于 PLC 掃描頻率極高，一段微小時(shí)間內(nèi)順序掃描的程序段可看成同一個(gè)時(shí)間所執(zhí)行( 在大多數(shù)無(wú)嚴(yán)格要求的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)) ，同時(shí)執(zhí)行的任務(wù)單元數(shù)即為并行數(shù)。根據(jù)表 1 中PLC 各種運(yùn)算的執(zhí)行速度，在保證輸入脈沖信號(hào)的寬度必須大于一個(gè)掃描周期的前提條件下，按公式(1) 估算輸入脈沖信號(hào)寬度均大于 100 ms，假定各種運(yùn)算指令量相當(dāng)，通訊及 PLC 自診斷時(shí)間占整個(gè)掃描周期時(shí)間的 1/2，不定因素影響系數(shù)為 10 時(shí)的并行數(shù)。

　　2.3 并行系統(tǒng)任務(wù)單元與周期峰值

　　PLC 并行系統(tǒng)框架的主要控制單元為線性任務(wù)流與非線性任務(wù)流，線性任務(wù)流將在程序執(zhí)行過(guò)程中依次完成任務(wù)流，每個(gè)功能單元僅被調(diào)用一次; 非線性任務(wù)流的各功能單元并不完全是依次調(diào)用，還有重復(fù)調(diào)用、循環(huán)實(shí)現(xiàn)等，如圖 3 所示。

圖 3 非線性任務(wù)流

　　在實(shí)際運(yùn)用中，系統(tǒng)任務(wù)逐級(jí)分展，必定有任務(wù)量最大，運(yùn)算過(guò)程最復(fù)雜，執(zhí)行周期最長(zhǎng)的掃描周期峰值。為保證 PLC 控制器能穩(wěn)定控制并行系統(tǒng)功能，周期峰值必須不間斷連續(xù)的進(jìn)行監(jiān)控處理。在系統(tǒng)框架中加入監(jiān)控處理，并通過(guò)查看用戶程序的特殊標(biāo)志區(qū)來(lái)獲取程序掃描周期峰值。并行系統(tǒng)初始化處理只執(zhí)行一次，用來(lái)完成系統(tǒng)任務(wù)的準(zhǔn)備工作，緊急處理與監(jiān)控處理則伴隨著系統(tǒng)任務(wù)的始末。一般并行系統(tǒng)框架的監(jiān)控處理由監(jiān)控定時(shí)器復(fù)位指令( Watchdog) 完成。而功能單元需要根據(jù)工藝過(guò)程均衡分配、合理組合，避免周期峰值。

3 結(jié)束語(yǔ)

　　本文詳細(xì)的介紹了西門(mén)子 S7 － 200 系列 PLC的并行系統(tǒng)模型及控制系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn)要點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了任務(wù)并行控制功能并完善了并行結(jié)構(gòu)，改善了程序混亂、大量數(shù)字量信號(hào)控制繁瑣等實(shí)際問(wèn)題，通過(guò)監(jiān)控處理，數(shù)據(jù)交互等方式確保了并行系統(tǒng)的穩(wěn)定性。自應(yīng)用于單工位( I 點(diǎn) 120，Q 點(diǎn) 113，總 I/O 數(shù)量達(dá)200 以上) 生產(chǎn)線至今，并行系統(tǒng)控制下的整套設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，控制系統(tǒng)性能穩(wěn)定、可靠性強(qiáng)、自檢測(cè)及適應(yīng)工藝能力強(qiáng)，易于操作人員監(jiān)控及維修，減少了生產(chǎn)成本，大大提高了生產(chǎn)線自動(dòng)化水平及生產(chǎn)效率。為根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)、工況的需求編寫(xiě)適應(yīng)工藝能力強(qiáng)、容錯(cuò)功能顯著，安全有調(diào)理的系統(tǒng)建立了值得借鑒的模型。

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本文標(biāo)題：基于西門(mén)子 PLC 工業(yè)并行系統(tǒng)研究

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