摘 要：以金剛石合成機控制系統(tǒng)改造為例，提出了一種基于IPC與PLC相結(jié)合的DCS控制系統(tǒng)。在系統(tǒng)設(shè)計中，采用了上位機與下位機獨立運行、以串行通信方式進(jìn)行信息傳遞的方法，并且引入了容錯技術(shù)，大大提高了系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性。采用了面向?qū)ο蠹夹g(shù)和多線程技術(shù)，使得系統(tǒng)的維護和升級變得十分方便。半年多的運行表明：本控制系統(tǒng)大大提高了金剛石產(chǎn)品的控制精度和質(zhì)量，減輕了操作人員的勞動強度，提高了管理的科學(xué)化水平。 關(guān)鍵詞：金剛石合成機;控制系統(tǒng);IPC與PLC結(jié)合;串口通信 1 引言 　　傳統(tǒng)的金剛石合成機控制系統(tǒng)是由一個PLC和一個可顯示終端構(gòu)成。其缺點如下：（1）系統(tǒng)所有的工作（如信息檢測、處理和系統(tǒng)控制）都是由PLC完成，其控制精度較差，致使合成的金剛石質(zhì)量較差;（2）顯示終端的平面尺寸過小，一方面操作人員觀察系統(tǒng)的狀態(tài)很不方便，另一方面常常會引起誤操作;（3）金剛石合成工藝復(fù)雜，需控制的參數(shù)很多，但原控制系統(tǒng)不能對參數(shù)進(jìn)行保存，而根據(jù)不同產(chǎn)品和工藝的要求對部分參數(shù)進(jìn)行調(diào)整時，每次都必須重新設(shè)置所有的參數(shù)，操作非常麻煩;（4）界面不友好;（5）不能由系統(tǒng)自動考核操作人員的工作質(zhì)量。因此，為了提高控制精度、方便操作，開發(fā)新的控制系統(tǒng)迫在眉睫。筆者針對以上問題，將IPC與PLC有機結(jié)合，開發(fā)了一套控制系統(tǒng)。 2 控制系統(tǒng)的開發(fā) 　　2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及配置 　　由于單純采用PLC控制有上述的那些缺點，但是PLC又具有很高的穩(wěn)定性與可靠性且抗干擾能力較強，很適合現(xiàn)場控制;而采用微機控制具有很高的靈活性和方便性，但是抗干擾能力較差。這里結(jié)合PLC控制和微機控制的優(yōu)點，提出了IPC+PLC的新型控制方法，將IPC和PLC控制有機的結(jié)合在一起，而且還可以利用現(xiàn)有的PLC系統(tǒng)。 　　這里采用當(dāng)前最先進(jìn)且比較成熟的DCS方式[1][2]，控制站采用西門子公司的S7-200系統(tǒng)，操作站為采用人機界面非常友好的Windows98系統(tǒng)的工控機。操作站與控制站之間通過RS-232串口通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸;此外操作站通過RS-485串口對變頻器進(jìn)行控制以實現(xiàn)金剛石合成中的微調(diào)控制功能。由于在該項目中軟件所占的比重較大，并且為了更好地滿足系統(tǒng)功能需求，所以就自行開發(fā)控制軟件和操作軟件，不僅滿足了系統(tǒng)要求、提高了系統(tǒng)性能、方便了維護和升級工作，而且降低了成本。 　　2.1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 　　新設(shè)計的控制系統(tǒng)采用先進(jìn)的IPC+ PLC模式，操作站由一臺工控機構(gòu)成，控制站由一套西門子公司的S7-200構(gòu)成。上位機系統(tǒng)主要功能：參數(shù)設(shè)置、實時監(jiān)控、調(diào)整操作和信息查詢等。下位機系統(tǒng)主要功能：實時控制、數(shù)據(jù)采集等。 　　2.1.2 硬件配置 　　本系統(tǒng)中共有20路開關(guān)量輸入，19路開關(guān)量輸出，1路模擬量輸入和2路模擬量輸出。硬件配置如表1所示。 [align=center] 表1 主要硬件配置表[/align] 　　2.1.3 系統(tǒng)軟件配置 　　整個系統(tǒng)軟件的開發(fā)是運行于Windows98平臺的，因為Windows98具有良好的操作界面，功能強大，比較普及，大家都能熟練操作。 　　下位機PLC程序開發(fā)采用SIMEMENS公司的STEP7，它具有以下功能：（1）良好的操作界面;（2）硬件的組態(tài)和參數(shù)設(shè)置;（3）通信的定義，主要有通過MPI的時間驅(qū)動循環(huán)數(shù)據(jù)傳送和事件驅(qū)動數(shù)據(jù)傳輸;（4）編程，提供的語言有梯形圖、功能模塊圖和語句表;（5）程序下載、測試、啟動和維護。 　　上位機監(jiān)控軟件開發(fā)采用VC++6.0，它具有以下優(yōu)點：（1）VC++和Windows98之間的兼容性好且可靠性高;（2）采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)，軟件的維護和升級代價小;（3）MFC封裝了很多組件，軟件開發(fā)周期短、成本低;（4）功能強大，能開發(fā)出高質(zhì)量的軟件，滿足不同需求;（5）方便地通過串口與PLC進(jìn)行通信;（6）操作界面友好。 　　2.2 應(yīng)用軟件的編制 　　2.2.1 下位機PLC程序 　　下位機程序采用STEP7中的梯形圖方法進(jìn)行編制[3]，其功能結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。 [align=center] 圖1 PLC程序功能結(jié)構(gòu)圖[/align] 　　其中：下位機程序編制的難點在于通信程序、PID控制程序子模塊的編制。 　　對于通信程序模塊來說，由于PLC程序需要從上位機獲得設(shè)定參數(shù)和一些控制指令，并且把現(xiàn)場狀態(tài)反饋給操作人員。這里，需要定義通信協(xié)議以及通信指令的格式。微機通過COM口發(fā)送指令到PLC的PORT0（或PORT1）口，PLC通過RCV接收指令，然后對指令進(jìn)行譯碼，譯碼后調(diào)用相應(yīng)的讀/寫子程序?qū)崿F(xiàn)指令要求的操作，并返回指令執(zhí)行的狀態(tài)信息。 　　對于PID控制程序模塊來說，由于典型PID控制算法有微分突變現(xiàn)象與啟動回繞現(xiàn)象兩個弊端，根據(jù)特定的現(xiàn)場環(huán)境和用戶需求，對標(biāo)準(zhǔn)的PID算法進(jìn)行了改進(jìn)。本文采用了參數(shù)自整定PID控制算法，達(dá)到了很好的控制效果。并且PID控制模塊具有良好的擴展性，以便于軟件的維護和升級。 　　2.2.2 上位機監(jiān)控系統(tǒng)程序 　　監(jiān)控系統(tǒng)程序采用VC++6.0開發(fā)了一個對話框類型的應(yīng)用程序[4][5]，其功能結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。 [align=center] 圖2 監(jiān)控系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖[/align] 　　其中：監(jiān)控系統(tǒng)中的一些功能模塊所完成的具體工作如下所示。 　　（1）通信模塊 該模塊實現(xiàn)與下位機PLC之間的數(shù)據(jù)傳輸問題，在上、下位機之間起到橋梁作用。 　?。?）參數(shù)設(shè)置 控制系統(tǒng)所需要的參數(shù)都是通過該模塊完成的，并且可以保存和讀取參數(shù)設(shè)置。 　?。?）故障報警 當(dāng)現(xiàn)場產(chǎn)生故障時候，該模塊會給出報警信息提示并且及時反映出來，以供操作人員處理參考。 　　（4）實時信息顯示 把當(dāng)前系統(tǒng)中的實際值顯示出來，并與預(yù)先設(shè)定的值進(jìn)行比較，以此來判斷控制算法的好壞和系統(tǒng)是否正常工作。 　?。?）調(diào)整操作 給用戶提供一些手動操作的面板，這樣可以使工作人員很方便地進(jìn)行調(diào)整和控制操作。 　　（6）報表 記錄歷史數(shù)據(jù)，供以后分析使用，并且可以隨時打印數(shù)據(jù)，供工作人員觀察系統(tǒng)的運行狀態(tài)。 　?。?）變頻器控制 該模塊用來控制變頻器，以維持金剛石合成過程中的壓強基本不變，生產(chǎn)出高質(zhì)量金剛石。 　?。?）信息管理系統(tǒng) 信息管理系統(tǒng)是采用數(shù)據(jù)庫開發(fā)技術(shù)開發(fā)，用來登記操作人員工作、出勤、工作量等情況，提供查詢、匯總等管理功能。 　　由于通信模塊與變頻器控制模塊都要進(jìn)行串口通信，所以在軟件編制過程中設(shè)計了串口通信通用類CSerialPort，該類封裝了串口通信的基本數(shù)據(jù)和方法，以解決RS-232和RS-485等不同類型串口的通信問題。CSerialPort類頭文件中的主要成員變量和成員函數(shù)如下： 　　Class CSerialPort 　　｛ 　　Private: 　　HANDEL m_hPort; 　　DCB m_Dcb; 　　COMMTIMEOUTS m_TimeOuts; 　　DWORD m_Error; 　　Public: 　　CSerialPort（ ）; //構(gòu)造函數(shù) 　　virtual ～ CSerialPort（ ）; //析構(gòu)函數(shù) 　　//InitPort（ ）函數(shù)實現(xiàn)初始化串口 　　BOOL InitPort（ ）; 　　DCB GetDCB（ ）; //獲得DCB參數(shù) 　　//SetDCB（ ）函數(shù)實現(xiàn)設(shè)置DCB參數(shù) 　　BOOL SetDCB （）; 　　// GetTimeOuts（ ）函數(shù)獲得超時參數(shù) 　　COMMTIMEOUTS GetTimeOuts （）; 　　// SetTimeOuts（ ）函數(shù)設(shè)置超時參數(shù) 　　BOOL SetTimeOuts （）; 　　// WritePort（ ）函數(shù)實現(xiàn)寫串口操作 　　Void WritePort （CString port, CString）; 　　CString ReadPort（CString port ）; //讀串口操作 　　BOOL ClosePort（CString port ）; //關(guān)閉串口 　?。? 　　對該類的重要函數(shù)說明如下： 　　InitPort（ ）函數(shù)完成串口的初始化工作，包括打開串口、設(shè)置DCB參數(shù)、設(shè)置通信的超時時間等。打開串口使用CreateFile（ ）函數(shù)。 　　SetDCB（ ）函數(shù)用于設(shè)置DCB參數(shù)，包括傳輸?shù)牟ㄌ芈省⑹欠襁M(jìn)行奇偶校驗、每字節(jié)長度以及停止位等。 　　WritePort（ ）函數(shù)用來完成向串口寫數(shù)據(jù)，由于該系統(tǒng)中需要對多個串口進(jìn)行通信，所以把串口號作為參數(shù)傳遞給該函數(shù);該函數(shù)把要發(fā)送的數(shù)據(jù)先進(jìn)行編碼（加入校驗，以減少誤碼率），然后再調(diào)用Windows API函數(shù)WriteFile（ ）把數(shù)據(jù)發(fā)送到串口中。 　　ReadPort（ ）函數(shù)用來完成從串口讀數(shù)據(jù)，它先調(diào)用API函數(shù)ReadFile（ ）把下位機發(fā)送的數(shù)據(jù)讀出來放到緩存里面，然后對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并變換成字符串（CString）類型返回。 　　2.3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計中幾個關(guān)鍵技術(shù)性問題的解決 　　2.3.1 上位機VC++程序設(shè)計中技術(shù)問題 　?。?）由于上位機和下位機需要進(jìn)行實時通信并且上位機還要對系統(tǒng)進(jìn)行實時監(jiān)控顯示，所以上位機程序設(shè)計中采用了多線程技術(shù)。當(dāng)監(jiān)控系統(tǒng)開始工作時，用AfxBeginThread（）函數(shù)[4]創(chuàng)建輔助線程來管理串口通信。這樣設(shè)計后，當(dāng)進(jìn)行串口通信時候，主線程能夠繼續(xù)完成監(jiān)控功能和處理其它事務(wù)。輔助線程函數(shù)的主要代碼如下： 　　UINT SerialPro（void＊ param） 　?。? 　　Ccrystal＊ mdlg=（ Ccrystal＊）param; 　　CString str; 　　int flag=1; 　　… … //如果初始化串口失敗返回 　　//循環(huán)讀寫串口，直到結(jié)束 　　while（flag） 　?。? 　　… … //這里把要發(fā)送的數(shù)據(jù)賦給變量str 　　//向串口寫數(shù)據(jù) 　　mdlg->serial.WritePort（hport，str ）; 　　_sleep（100）; //讓輔助線程休眠100毫秒 　　//從串口讀數(shù)據(jù)并賦給變量str 　　str=mdlg->serial.ReadPort（ ）; 　　… … //這里把從串口得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理 　?。? 　　｝ 　?。?）由于在系統(tǒng)開發(fā)中加入了數(shù)據(jù)庫開發(fā)，因此數(shù)據(jù)庫規(guī)劃也是一個工作重點。數(shù)據(jù)庫的開發(fā)采用SQL Server，上位機通過在Visual C++中用ADO進(jìn)行數(shù)據(jù)庫編程。 　　2.3.2下位機PLC程序設(shè)計中技術(shù)問題 　　下位機PLC主要是進(jìn)行實時控制，所以PLC程序運行的好壞直接影響著整個系統(tǒng)工作的好壞，其中控制算法是需要認(rèn)真進(jìn)行設(shè)計的。本文將PID控制算法獨立出來成為一個子模塊，這樣做的好處是以后維護和升級比較方便，如果有更好的控制方法，只需要更改該PID控制模塊即可，這樣系統(tǒng)的維護代價比較低。 　　2.3.3IPC與PLC之間通信程序的設(shè)計 　　IPC與PLC之間采用主從應(yīng)答方式，IPC具有傳送優(yōu)先權(quán)，根據(jù)需要向PLC發(fā)出讀寫命令;下位機處于被動狀態(tài)響應(yīng)上位機的命令。上位機讀數(shù)據(jù)時向PLC發(fā)出讀數(shù)據(jù)命令，PLC響應(yīng)命令并將數(shù)據(jù)傳回上位機;寫數(shù)據(jù)時，上位機向PLC發(fā)出寫命令及數(shù)據(jù)，PLC即可接收。當(dāng)PLC沒能正確響應(yīng)時，PLC返回沒能正確響應(yīng)標(biāo)志。 　　為了使IPC和PLC建立起正確的通信，必須進(jìn)行如下工作：首先，要定義好通信協(xié)議如指令格式等，且在PLC的特殊寄存器作相應(yīng)的設(shè)置;其次，要確定微機串行口且對進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)的端口參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，如波特率、數(shù)據(jù)長度、校驗方式等;最后，由于數(shù)據(jù)傳輸過程中有誤碼率，所以需要進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗，這里采用自己設(shè)計的數(shù)據(jù)校驗算法。 3 應(yīng)用 　　本控制系統(tǒng)應(yīng)用于山東某金剛石加工廠，經(jīng)過半年多的運行，本文所述的控制系統(tǒng)運行情況良好，與原來的單純PLC控制系統(tǒng)相比，大大提高了控制精度和金剛石產(chǎn)品的質(zhì)量，大大減輕了操作人員的勞動強度，基本上杜絕了誤操作?，F(xiàn)在，本控制系統(tǒng)能自動記錄操作人員的工作情況及其所生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量，還能考察職工的出勤情況，這樣使公司的管理上了一個新臺階。在取得良好的經(jīng)濟效益的同時，也取得了良好的社會效益。 4 結(jié)論與建議 　　1、將IPC與PLC有機結(jié)合，發(fā)揮各自的優(yōu)勢，并利用現(xiàn)有的設(shè)備，有效地解決了目前金剛石合成機控制系統(tǒng)不能適應(yīng)生產(chǎn)需要的問題，提高了金剛石產(chǎn)品的控制精度和質(zhì)量，取得了良好的社會和經(jīng)濟效益，這無疑為傳統(tǒng)設(shè)備、傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的改造走出了一條既經(jīng)濟又有效的方法。 　　2、計算機監(jiān)控操作人員的工作情況和產(chǎn)品質(zhì)量，提高了企業(yè)管理的科學(xué)化水平。 　　3、該控制系統(tǒng)軟件設(shè)計中應(yīng)用了面向?qū)ο蠹夹g(shù)，使得軟件以后的維護和升級成本降低，很適合進(jìn)一步的推廣使用。 　　4、下位機PLC控制系統(tǒng)中采用的是參數(shù)自整定PID控制算法，可以根據(jù)實際情況采取其它的控制算法，比如模糊控制、自適應(yīng)控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。 　　5、根據(jù)需要，只需要將控制系統(tǒng)稍微改動，就可以由IPC控制多個PLC操作站。 參考文獻(xiàn)： 　　[1] 何衍慶.集散控制系統(tǒng)原理及應(yīng)用[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社, 1999. 　　[2] 賴壽宏.微型計算機控制技術(shù)[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，1998. 　　[3] 尹宏業(yè).PLC可編程控制器教程[M]. 北京：航空工業(yè)出版社, 1997. 　　[4] David J. 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