微机和PLC组成的新型控制系统

摘 要：以金刚石压机控制系统改造为例，提出了一种基于PLC和微机的DCS控制系统。在系统设计中，采用了上位机与下位机独立运行、信息传递以串行通信的方式，并且在软件开发中引入了容错技术，大大提高了系统的可靠性与稳定性，延长了系统的平均无故障时间。文中论述了控制系统的结构、软硬件配置和系统软件开发过程中的一些细节问题。

关键词：DCS；PLC；程序设计；串口通信

1． 引言

原来的金刚石合成控制系统是由一个PLC和一个可显示终端构成。由于系统所有的工作（如控制、检测、调整等）都是由PLC完成，所以其控制效果并不是很精确；而且由于可显示终端的尺寸太小，工作人员进行操作时可能会引起误操作，而且观察系统的状态时也很不方便。此外，由于原来的系统不能对参数设置保存，而当需要根据不同要求进行不同的参数设置时，每次都必须调整所有的参数，这样时间代价太大并且操作麻烦。正是由于原控制系统存在上述的这些问题，所以进行新的系统设计，来达到更好的控制效果和方便的操作性。

2． 设计思想

本着最高性价比的原则，采用当前最先进且比较成熟的DCS方式，控制站采用西门子公司的S7－200系统，操作站为采用人机界面非常友好的Windows98系统的微机。这样本次改造系统的硬件投资成本就很低。而且由于在该项目中软件所占的比重比较大，并且为了更好地满足系统功能需求，所以就自行开发控制软件和操作软件，这样不仅满足了系统要求、提高了系统性能，而以后的维护和升级工作都十分方便。

1)系统结构

新设计的控制系统采用先进的PLC＋微机模式，操作站由一台微机构成，控制站由一套西门子公司的S7－200构成，其构成如图1所示。

2) 硬件配置

本系统中共有20路开关量输入，19路开关量输出，1路模拟量输入和2路模拟量输出。硬件配置如表1所示。

3) 系统软件配置 整个软件开发是运行于Windows98平台的，因为Windows98具有良好的操作界面、功能强大，而且大家都能熟练操作。

下位机PLC程序开发采用SIMEMENS公司的STEP7，它具有以下功能：

(1)良好的操作界面；(2)硬件的组态和参数设置；(3)通信的定义，主要有通过MPI的时间驱动循环数据传送和事件驱动数据传输；(4)编程，提供的语言有梯形图、功能模块图和语句表；(5)程序下载、测试、启动和维护。

上位机监控软件开发采用VC＋＋6.0，它具有以下优点：

(1)VC＋＋和Windows98都是微软产品，他们之间的兼容性很好且可靠性很高；(2)采用面向对象技术，软件的维护和升级代价小；(3)MFC封装了很多组件，软件开发周期短、成本低；(4)功能强大，能开发出高质量的应用软件，能适用不同场合需求；(5)可以方便地通过串口与PLC进行通信；(6)操作界面友好，开发方便快速。

3． 应用软件编制

1) 下位机PLC程序 下位机程序功能结构图如图2所示。

其中：下位机程序编制的难点在于通信程序、PID控制程序。

对于通信程序模块来说，由于PLC程序需要从上位机获得设定参数，并且把现场状态反馈给操作人员。这里，需要定义通信协议以及通信指令的格式。微机通过COM口发送指令到PLC的PORT0（或PORT1）口，PLC通过RCV接收指令，然后对指令进行译码，译码后调用相应的读/写子程序实现指令要求的操作，并返回指令执行的状态信息。

对于PID控制程序模块来说，主要是根据特定的现场环境和用户需求，对标准的PID算法进行改进，以达到最好的控制效果，并且PID控制模块应该具有良好的扩展性，以便于软件的维护和升级。

2) 上位机监控系统程序 监控系统程序功能结构图如图3所示。

其中：监控系统中的一些功能模块所完成的具体工作如下所示。

(1)参数设置 该控制系统所需要的参数都是通过该程序模块完成的。并且可以保存和读取参数设置，然后按照需要修改其中几个参数就可以完成系统的参数设置。

(2)故障报警 当现场产生故障时候，该软件模块会给出报警信息提示并且及时反映出来，以供操作人员处理参考。

(3)实时信息显示 把当前系统中的实际值显示出来，并与预先设定的值进行比较，以此来判断控制算法的好坏和系统是否正常工作。

(4)调整操作 给用户提供一些手动操作的面板，这样可以使工作人员很方便地进行调整和控制操作。

(5)报表 记录下来历史数据，供以后分析使用，并且可以随时把即时数据打印出来，供工作人员观察系统的运行状态。

4． 控制系统软件设计中技术性问题及解决

1)上位机VC＋＋程序设计中技术问题

由于上位机需要和下位机进行实时通信而且上位机还要对系统进行监控显示，所以上位机程序设计中使用了多线程技术，使得通信模块和显示模块等在不同的线程中独立运行，而且也很好地解决了数据共享问题。

2) 下位机PLC程序设计中技术问题

下位机PLC主要是进行控制，所以PLC程序运行的好坏直接影响着整个系统工作的好坏，其中的控制算法需要进行设计。这里将控制算法独立出来成为一个模块，这样做的好处是以后维护和升级比较方便，如果又找到更好的控制方法，那么只需要更改该PID控制模块即可，这样系统的维护代价比较低。

3) 上位机与下位机通信设计

上位机VC＋＋程序要把参数传送给下位机PLC程序，并且不停地从下位机获得系统的状态数据进行处理，所有他们之间的通信问题需要进行认真设计和处理。首先，他们要定义好通信协议；其次，他们要确定微机端口且对进行传输数据的端口参数进行设置；最后，由于数据传输过程中可能发生错误，所以需要进行数据校验，这里采用自己设计的数据校验算法。

5． 结 语

整个系统设计很先进，采用PLC＋微机的DCS方式，上、下位机独立运行、信息通过串口进行传递，软件中加入了容错技术，使得系统的友好性、可靠性等都得到了很大的提高，而且系统的控制效果也有了很大的提高。软件设计中应用了面向对象技术，使得软件以后的维护和升级成本降低。另外，在PLC中采用的是PID控制，可以根据实际情况采取其他的控制算法，比如模糊控制、自适应控制等。