引言

　　可編程控制器( PLC) 是工業(yè)自動化的主導執(zhí)行部件，其已成為現(xiàn)代工業(yè)控制的三大支柱( 機器人、PLC 和 CAD/CAM) 之一。其可靠性高、使用便利等優(yōu)點已被工程技術人員所熟知。經(jīng)過 40 多年的發(fā)展，可編程控制器已成為最重要、最可靠、應用場合最廣泛的工業(yè)控制微型計算機。而小型PLC 在使用過程中難以完全發(fā)揮其全部控制系統(tǒng)功能以及系統(tǒng)編程混亂，適應工藝變更能力差，系統(tǒng)容錯功能難以保障及系統(tǒng)工藝維護困難等實際問題備受關注。本文以西門子公司 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、不僅保證系統(tǒng)穩(wěn)定性，且保障了系統(tǒng)容錯功能及系統(tǒng)的可移植性，為大型系統(tǒng)的實現(xiàn)提供了一種實用易于維護的手段和方法。

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)任務往往是多任務，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用; 在工廠生產(chǎn)第一線，工業(yè)現(xiàn)場安全要求以及人員安全保障要求，控制系統(tǒng)應具備良好的系統(tǒng)容錯，監(jiān)控自檢功能; 在工控應用中，系統(tǒng)程序應易于編寫并能適應柔性生產(chǎn)需要，即要求控制系統(tǒng)應具有適應性與條理性。從以上方面考慮，建立一種能更好的運用 PLC 控制器的系統(tǒng)控制功能、其框架結構易于維護、程序可移植性強、適應工藝變更能力好、系統(tǒng)穩(wěn)定且具有容錯自檢處理功能的并行系統(tǒng)，需首先從以下幾個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行方式 － 掃描技術。即一個邏輯線圈被接通或斷開，該線圈的所有觸點不會立即動作，必須等掃描到該觸點時才會動作。當 PLC 處于運行狀態(tài)(RUN) ，掃描過程如圖 1 所示，完成圖中各個階段處理稱作一個掃描周期。在掃描周期中，控制系統(tǒng)與程序執(zhí)行階段有著密切關系。在用戶程序執(zhí)行階段中，PLC 控制器執(zhí)行各種運算處理的速度、

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

圖 1 PLC 掃描過程

　　1.3 PLC 通訊與信息自動化

　　PLC 具有多種通訊方式并能夠組建信息自動化網(wǎng)絡，在通訊處理階段，PLC 通過不同方式接受或發(fā)送待處理數(shù)據(jù)。在工業(yè)現(xiàn)場網(wǎng)絡中，通過工業(yè)現(xiàn)場總線 PROFIBUS 組建的控制系統(tǒng)中，靈活的信息交流更好的實現(xiàn)了柔性生產(chǎn)，在遠程監(jiān)控網(wǎng)絡中，可以使用網(wǎng)絡通訊進行生產(chǎn)單元的現(xiàn)場維護，在并行系統(tǒng)的框架結構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 控制器儲存器特征

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

　　在程序執(zhí)行的階段，各存儲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)、字和雙字來存取，少數(shù)特殊存儲器具有特定的儲存特征。特殊的中斷程序處理方式使中斷事件發(fā)生時 CPU停止正常的掃描而完成監(jiān)控功能。

2 并行系統(tǒng)框架結構

　　提高系統(tǒng)控制功能可采用兩種方式，即時間并行性與空間并行性。時間并行性是指在同一時間或時間段中，同時調(diào)度過程及過程中的程序運算，充分發(fā)揮內(nèi)部處理機的運算能力，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)部處理機中設置多個獨立的操作部件，并讓這些操作部件進行同步或異步工作。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間并行性系統(tǒng)框架結構。

　　2.1 并行系統(tǒng)模型構建

　　將 PLC 并行系統(tǒng)框架的系統(tǒng)任務劃分為相關性極小的子任務，每個子任務均由其獨立單元完成或?qū)崿F(xiàn)( 圖 2) 。將系統(tǒng)體系逐級分解為多個相對獨立的功能單元，功能單元內(nèi)容按具體工藝步驟規(guī)劃。在并行系統(tǒng)運行時，由于各子任務相關性極小，各子任務可按工藝步驟獨立運行完成。并行系統(tǒng)控制功能將有很好的提升，同時可大大的縮短執(zhí)行時間，且適應工藝能力強，易于維護及柔性生產(chǎn)。

圖 2 并行系統(tǒng)模型構架

　　2. 2 并行工藝數(shù)估算

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

　　2.3 并行系統(tǒng)任務單元與周期峰值

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

圖 3 非線性任務流

　　在實際運用中，系統(tǒng)任務逐級分展，必定有任務量最大，運算過程最復雜，執(zhí)行周期最長的掃描周期峰值。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)的進行監(jiān)控處理。在系統(tǒng)框架中加入監(jiān)控處理，并通過查看用戶程序的特殊標志區(qū)來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，用來完成系統(tǒng)任務的準備工作，緊急處理與監(jiān)控處理則伴隨著系統(tǒng)任務的始末。一般并行系統(tǒng)框架的監(jiān)控處理由監(jiān)控定時器復位指令( Watchdog) 完成。而功能單元需要根據(jù)工藝過程均衡分配、合理組合，避免周期峰值。

3 結束語

　　本文詳細的介紹了西門子 S7 － 200 系列 PLC的并行系統(tǒng)模型及控制系統(tǒng)具體實現(xiàn)要點，實現(xiàn)了任務并行控制功能并完善了并行結構，改善了程序混亂、大量數(shù)字量信號控制繁瑣等實際問題，通過監(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。自應用于單工位( I 點 120，Q 點 113，總 I/O 數(shù)量達200 以上) 生產(chǎn)線至今，并行系統(tǒng)控制下的整套設備運行穩(wěn)定，控制系統(tǒng)性能穩(wěn)定、可靠性強、自檢測及適應工藝能力強，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)線自動化水平及生產(chǎn)效率。為根據(jù)實際生產(chǎn)、工況的需求編寫適應工藝能力強、容錯功能顯著，安全有調(diào)理的系統(tǒng)建立了值得借鑒的模型。