下位机设计范文

下位机设计范文（精选6篇）

下位机设计 第1篇

鉴于上述原因，提出一个适合于空间环境长周期工作的蓄电池控制用电源下位机的设计方法，并做了进一步的探讨和研究。

1 电源下位机概述

电源系统下位机包括：电源模块、1553B总线收发模块、指令控制模块、遥测采集模块和控制模块。考虑到空间应用的不可维修性，电源下位机采用双机冷备份的设计。图1给出电源下位机的原理框图。它把遥测变换采集、总线通信、指令发送、系统控制等多个模块有机地融合为一体，实现了对电源系统及蓄电池组的有效控制。

为了满足对电源系统的控制要求，电源下位机采用以硬件实现对模拟量电压变换、处理工作，软件实现对蓄电池充放电闭环控制、进行总线通信等工作。

1.1 硬件部分

硬件上对电池单体电压、电池组电压等模拟量采集后，使用高精度的运算放大器进行电压转换，并采用差分放大电路，最后使用软件判别修正，使转换精度达到5 mV。在蓄电池温度量采集的设计上，对测温基准5 V电源进行四冗余处理，使得任意一路测温基准电源的损坏都不影响温度量的正常采集。对指令控制电路的设计也采用四冗余设计，并通过组合码排列的方式进行指令解析，确保最坏情况也只会发送一条误指令，但由于各种充放电指令都采取了3取2的模式，所以一条误指令是不能对电池进行充放电控制的。同时，设计了硬件看门狗电路，确保软件跑飞时能对单片机进行及时复位。

1.2 软件部分

软件上，对各类参数的采集通过软件做数字平均滤波，确保在有干扰的情况下，各类参数的采集可靠有效。通过1553B总线与星务系统进行通信，及时反馈遥测信息和接收指令参数。在软件中对上注控制参数进行3取2比对，防止因空间单粒子翻转等因素影响上注参数的正确性。将氢压控制周期设计为连续2个周期满足指令发送条件才发送指令。电池电量不足时，电源下位机向星务报警，由星务判断关闭部分单机，确保平台安全。

2 电源下位机设计方案

2.1 硬件系统组成

电源下位机包括4个硬件模块，各功能模块中，模拟量输入交换子主、备机为热备份，其余模块主、备机均为冷备份。

2.1.1 电源模块

电源模块完成一次电源到二次电源的转换，为电源下位机提供工作电源。

2.1.2 间接指令发送模块

单片机经过对电源输入参数的判断，当满足发送指令的条件后，立即从P0口送出信号经锁存、译码后由驱动器送出指令脉冲，脉冲经锁存器锁存一定脉冲宽度后清除，脉冲宽度由单片机定时器控制。

2.1.3 遥测采集模块

遥测采集模块有2个功能：第一是对蓄电池输入的电压或电流量变换为适合模/数转换的范围；第二是若干路模拟量在控制模块选通信号控制下，由模拟门变换为PAM信号，然后送至控制模块进行采集、处理。

2.1.4 控制模块

控制模块电路采用单片机作为控制核心，由单片机系统控制1553B总线通信、遥测参数采集、A/D转换、间接指令发送等功能。控制电路的原理框图如图2所示。

单片机产生各级模拟门选通信号，配合控制A/D转换器完成遥测模拟信号到数字信号的转换，AD芯片选用了AD574AUD模/数转换芯片，转换精度可达12位，能够满足对电池参数采样判断的精度要求。同时，单片机根据实际采样值进行运算和值域判断，对满足条件的采样值或判断值，给出相应的指令地址用以指令发送。

单片机在控制输出的同时，将所采集的数据或参数按照需要进行数据包封装，通过1553B总线传至卫星平台进行后处理。另外，单片机还通过1553B总线接收来自星务计算机的注数包和指令包，解析后执行相应操作。1553B协议处理器采用美国DDC公司的芯片BU65170作为一个终端RT，该芯片具有确定的传输延迟，可靠的传输能力，容错能力强等特点，而被广泛应用于航空，航天和军事领域的电子设备中[4]。

2.2 软件控制流程

电源下位机软件主要完成3项功能：对氢镍蓄电池组进行氢压和安时计充电控制；对锂离子蓄电池组进行充电控制和均衡管理；与星务主机进行通信。

2.2.1 氢镍蓄电池组控制流程

平台氢镍蓄电池组的充电控制是由氢压控制作为主要手段。

氢压控制的内容包括：

(1）连续采集当前各电池模块的氢压，与设定值（上限、下限）进行比较，在条件满足后即当前氢压超过设定氢压上限时发出充电终止指令，当前氢压低于设定氢压下限时发出充电解锁指令。氢压设定值（上限、下限）可在轨注数“氢压设置”参数来修改。

(2）氢压控制蓄电池组充电的同时设有电池组温度及电池组电压监控，当蓄电池组温度大于温度设定值或蓄电池组电压过高时即发出充电终止指令，停止充电。温度设定值由在轨注数“温度设定”参数设定。

氢压控制流程如图3所示。

同时，为了提高可靠性，氢镍蓄电池组充电控制还可由安时计控制辅助手段实现。

氢压控制和安时计控制2种充电控制方式相互独立，通过安时计接通、断开指令进行控制模式切换。安时计控制流程如图4所示。

在每次下位机加电或复位重新开始工作时，对蓄电池组过温保护状态标志、蓄电池组过压保护状态标志等数据先做初始化操作，然后按照实际的流程进行相应的控制。

2.2.2 锂离子电池组控制流程

锂离子蓄电池组充电保护控制功能，首先根据采集到的锂离子蓄电池组电压和单体电压，与设定的控制电压以及过压保护电压进行比较，并对充电终止时间进行计时判断，在条件满足后发出充电终止或充电恢复指令。

其中，控制电压及过压保护电压的设定值可通过总线注数修改。由于锂离子电池组是由多节单体锂离子电池所组成，为了提高锂离子蓄电池单体之间的均衡性，电源下位机提供了对锂离子蓄电池单体均衡管理的功能。

根据采集到的锂离子蓄电池单体电压，在正常单体电压中找出最低电压，将每个单体电压和最低电压进行差值计算，差值与设定的均衡阈值比较，单体电压和最低电压的差值大于等于设定的均衡阈值或单体电压大于等于设定的单体控制电压时发均衡开指令，满足相应条件后发均衡关指令。设定的阈值电压可通过总线注数修改。

均衡管理流程见图5。

2.2.3 总线通信

电源下位机通过1553B总线来实现与其上位机星务系统进行通信，包括发送组帧后的遥测值，接收指令参数等。具体的组帧格式和参数上注包格式可根据总体规定的软件高层通信协议要求执行。

3 结语

在航天任务中，星载蓄电池广泛运用于各卫星型号中。本文以增强对星载蓄电池的控制为目的，设计了一种新型的基于电源系统的下位机，对星载蓄电池控制的可靠性有效提高。通过该方法，可使星载蓄电池使用寿命大大增加。目前该产品已完成样机的研制，实际应用于在轨卫星型号当中，取得了较理想的效果。

摘要：为了增强对新一代星载蓄电池的管理,设计一套多功能的电源系统下位机变得有重要意义。在此论述了一种电源下位机的设计方案,它以MCS-51微处理器系统为核心,通过软硬件相结合,针对蓄电池的特性,合理制定了蓄电池的充放电管理策略。实践结果表明,电源下位机的技术方案可行,能有效地对蓄电池进行控制,大大提升了星载蓄电池的工作寿命与可靠性。

关键词：电源下位机,蓄电池,充放电,流程控制

参考文献

[1]李国欣.航天器电源系统技术概论[M].北京:中国宇航出版社,2008.

[2]杜红,刘震.氢镍蓄电池寿命影响分析及在轨充电控制技术研究[J].航天器工程,2011(1):88-91.

[3]张建琴.空间锂离子蓄电池充放电一体化供电技术研究[D].上海:上海交通大学,2012.

[4]臧佳,郭永飞.基于SOPC的1553B通信系统设计[J].计算机测量与控制,2011(11):24-28.

[5]张毅刚.单片机原理及接口技术[M].北京:人民邮电出版社,2011.

[6]刘志鸿,贾小铁.基于单片机的集散控制系统下位机控制模块的调度设计[J].工业控制计算机,2005(5):46-49.

[7]吴结根,杨俊.1553B总线远程端点数据链路层协议的FPGA实现[J].现代电子技术,2009,32(3):163-166.

下位机设计 第2篇

随着国民经济及工业技术的发展,环境保护越来越受到重视。现在市场上已经出现了多种环境监控系统,但性能不稳定。现场监控终端大多采用工控机或单片机,前者抗干扰性能好,但成本较高;后者处理能力低,人机界面不友好,不利于现场人员的监控管理。针对上述问题,笔者设计了一种基于多线程的环境监控系统[1]。该系统采用多线程技术有效地实现了监控过程中数据的采集与存储、实时数据显示、下位机(监控终端)与上位机(监控中心)的通信、实时报警等功能。本文重点介绍该系统下位机的设计。

1 系统总体结构

基于多线程的环境监控系统由现场监控终端(下位机)、传输网络、监控中心(上位机)3个部分组成[2],其结构如图1所示。

下位机是一个基于ARM9的嵌入式系统,用于定时采集、处理、存储被监测的特征数据。经过下位机处理后的数据,按照相关协议,经GPRS模块发送给上位机[3]。上位机由一台PC机担任,负责接收多个下位机发送的数据,并对这些数据进行分析、处理和显示。环保部门可通过上位机监控其辖区内的污染排放状况。上位机基于VB.NET开发。

2 下位机硬件设计

下位机的硬件核心部分由S3C2410、Nand FLASH和SDRAM组成[4],如图2所示。S3C2410是三星公司生产的一款基于ARM920T内核的32位RISC嵌入式微处理器,带有独立的16 KB指令Cache和16 KB数据Cache、LCD控制器、RAM控制器、Nand FLASH控制器、并行I/O口、8路10位ADC,其运行频率可达203 MHz。8位64 MB的Nand FLASH选用的芯片为K9F1208,64 MB的SDRAM由2片HY57V561620组成。下位机通过以太网控制器CS8900A扩展了一个网口,数据既可以通过无线传输,也可以通过有线传输;通过I/O接口扩展了8个DI口(数字量输入)、4个AI口(模拟量输入)、4个DO口(数字量输出),下位机通过这些接口与被监控设备通信。

3 下位机的需求与结构设计

下位机定时采集、处理现场数据,并存储在数据库中,把实时数据发送给上位机,并响应上位机发送的控制命令。因此,下位机需要同时处理多个任务,这些任务并发执行。若使用单线程来完成这些任务,则需要使用多个定时器来触发,而过多的定时器会导致系统不稳定。Windows是抢先式多任务的操作系统,启动了一个应用程序就等于启动了一个进程。一个进程通常拥有一个线程,在系统资源管理中,每一个线程被分配一定的时间片。采用多线程的设计方法可以使程序拥有多个线程,这样程序就能同时处理更多的任务[5]。因此,若使用多个进程来协作完成,能避免上述缺点且系统比较稳定,但系统对进程的频繁调度会占用过多资源,程序的可读性也不好。

笔者采用一种并行的、多线程方案[6]能够很好地处理多个任务,并充分节约系统资源。该方案中,下位机有5个线程:GUI线程、复位线程、数据采集与存储线程、网络通信线程、决策线程。其中GUI线程为主线程,负责界面处理、系统数据的初始化以及创建子线程等任务;复位线程、数据采集与存储线程、网络通信线程是后台的工作线程,通过优先级调度、线程同步等机制保证能可靠执行现场数据采集、存储、发送、显示等任务。复位线程在启动后循环地对看门狗操作,不作为任务处理线程。任务线程之间的关系如图3所示。

4 多线程技术在系统中的应用

4.1 线程的创建

Linux环境下,使用pthread_create( )函数创建一个新线程,默认情况下主线程会等待被创建的子线程执行结束,得到子线程的返回结果然后再继续往后执行。实时监控程序的子线程都是循环执行的,不需要运行结束后归并到主线程中,需设置其属性为PTHREAD_CREATE_DETACHED。根据子线程的重要性进行优先级设置,确保重要线程优先执行。子线程的优先级从高到低依次为复位线程、数据采集与存储线程、决策线程、网络通信线程。线程的创建、设置伪代码如下[7]:

void *thread_watchdog(void *arg); //复位线程函数

void *thread_collection(void *arg); //数据采集与存储线程函数

void *thread_communication(void *arg);//网络通信线程函数

void *thread_decise(void *arg); //决策线程函数

int data[12]; //数据缓冲区,用于存放线程间共享的数据函数

main( )

{

//初始化工作

pthread_t watchdog; //线程号

pthread_t collection;

pthread_t communication;

pthread_t decise;

pthread_attr_init( ); //初始化线程属性

pthread_attr_setdetachstate( ); //不对线程进行重新归并

pthread_attr_setschedparam( ); //设置线程的优先级

sem_init( ); //对相关信号量进行初始化

pthread_create( ) ; //创建新线程

//启动GUI程序

}

4.2 线程的同步机制

同步机制是否合理是多线程应用程序运行是否稳定的关键。在程序设计时,需考虑到可能引起数据毁坏的多线程数据访问冲突以及如何使用同步技术避免这种冲突。Linux操作系统实现同步机制的方法有信号量(semaphore)和互斥量(mutex),这两种方法相似,但各有侧重。信号量侧重于一个线程被另一个线程激活,常有先后执行的关系。而互斥量则保护某一共享内存任一时刻只有一个线程访问。网络通信线程和数据采集与存储线程之间的同步通过信号量来实现。

为了防止系统资源泄漏,保持各个线程的同步,主线程需要初始化数据采集驱动代码,为数据采集做好准备;申请相应的内存空间,用于存放采集到的实时数据;定义好各个信号量和互斥量。

4.3 线程的实现方法

数据采集与存储线程是获取数据的起始线程,由GUI线程创建,网络通信线程和决策线程是由数据采集与存储线程激活。下位机开始运行后,数据采集与存储线程启动,每隔5 s运行1次,读DI、AI接口的状态,并把这些状态和此刻的时间存入SQLite数据库中。数据采集与存储线程每运行一次,对信号量sem_decise和sem_com进行一次post操作,分别激活决策线程和网络通信线程。数据采集与存储线程的同步流程如图4所示。

数据采集与存储线程作为系统的数据源头,它激活了其它2个子线程,与之相对应,被激活的子线程随着它的结束而结束[8]。线程在未接受到信号量激活时处于阻塞状态,不占用系统资源。前台处理用户界面的GUI线程与后台的工作线程之间是独立的。GUI线程提供友好的人机界面,它把被监控对象的信息实时显示在图形界面上,供现场工作人员查询和设置。

监控程序的每个线程都需要对存放被监控对象实时状态的数据缓冲区进行访问。由于Linux操作系统允许多个线程同时对某一数据缓冲区进行读操作,但在同一时刻对该数据缓冲区只能有一个写操作。GUI线程需要定时刷屏,更新被监控对象的实时状态,因而需要定时对缓冲区进行读操作,而数据采集与存储线程定时地对该缓冲区进行写操作,它们之间没有触发关系,是相互独立运行的。因此,需要对缓冲区设置一个互斥量,确保任一时刻这两个线程只有一个能对其进行访问[6]。

数据采集与存储线程对缓冲区进行写操作之前,先对互斥量进行加锁操作,把实时状态写入数据缓冲区后,再进行解锁。这样避免了因与GUI线程争夺资源而造成系统不稳定的现象。上锁与解锁操作代码如下:

void *thread_collection(void *arg)

{

pthread_mutex_lock(&data_mutex); //上锁操作

read(fd, &data, sizeof(data)); //写实时状态到data缓冲区

pthread_mutex_unlock(&data_mutex); //解锁操作

//激活网络通信线程、决策线程,并写数据到数据库

}

同样,GUI线程中也需要对缓冲区进行相应的上锁、解锁操作。

网络通信线程和决策线程由GUI线程创建,由数据采集与存储线程激活,都是每5 s运行1次。由于GPRS模块通过串口与下位机相连,并采用透明传输模式,即有数据即传输,因此,网络通信线程只需要定时对串口写操作就可以完成数据传输任务。网络通信线程先打开串口,设置串口的波特率、数据位、校验位等属性,然后等待数据采集与存储线程的信号量将其激活,第一次被激活后,进入了一个while循环,执行一次串口写操作,再等待下一次被激活。网络通信线程被激活的条件是数据采集与存储线程对信号进行了一次加1操作,即sem_post (&sem_2)。网络通信线程的关键代码如下:

fd=open(“/dev/ttySC4”, O_RDWR);

set_speed(fd, 9 600); //设置波特率

set_parity(fd, 8, 1, n’); //设置数据位、奇偶校验位

sem_wait(&sem_2); //等待信号量激活

while(1){

write(fd, buf, sizeof(buf)); //对串口写操作,发送数据

sem_wait(&sem_2); //等待下一次信号量激活

}

pthread_exit( “thread exit”); //线程退出

决策线程的任务是对当前被监控对象的状态进行判断,如果有异常发生,则产生一个报警信号,并执行相关动作来应对这些异常。其代码结构与网络通信线程相似。

5 结语

基于多线程的环境监控系统采用多线程技术完成下位机的多个任务,相对于单任务应用程序,多线程应用程序能够减少定时器的使用,节约系统资源,从而提高系统效率。而且,多线程应用程序更能体现模块化设计思想,程序易于维护和修改。该系统已经成功应用于多个项目之中,性能稳定可靠。

参考文献

[1]陈海明.基于ARM和GPRS远程无线监控系统的设计与实现[D].北京:北京邮电大学,2009.

[2]刘坚,陶正苏,陈德富,等.基于GPRS的环境监测系统的设计[J].自动化仪表,2009,30(2):30-32.

[3]XINGJianping,ZHANG Jun.GPS Real Ti me VehicleAlarm Monitoring System Based on GPRS/CSD Usingthe Embedded System[C]//ITS TelecommunicationsProceedings,2006.

[4]刘森,慕春棣,赵明国.基于ARM嵌入式的拟人机器人控制器的设计[J].清华大学学报:自然科学版,2008,44(4):482-486.

[5]王苓,苏维均.基于多线程技术的多串口通信[J].微计算机信息,2006(7):261-263.

[6]景征骏,周军.基于多线程的集控式足球机器人上位机系统[J].计算机工程,2008,34(21):199-203.

[7]MATTHEW N.Linux程序设计[M].2版.北京:机械工业出版社,2002:445-447.

下位机设计 第3篇

由于三自由度机械手能够在三维空间中完成升降、平移等基本指令，而二自由度机械手仅能在一个平面内动作，因此有必要设计一种较高自由度机械手来满足实际中有较高要求的场合，并将研究成果应用到企业的生产实际中。另外,PLC技术的控制能力强，能实现模拟量的控制，具有可靠性高、抗干扰能力强、可编程等优点。因此，基于对工厂控制系统的强抗干扰能力的要求，我们进行了机械手的PLC控制改造。通过本课题的研究,要求掌握基于PLC的三自由度机械手系统的设计方法,能够将这些先进的设计方法应用到其它自动化设备的开发当中,从而实现提高产品质量,缩短开发周期和降低开发成本。由于PLC无法进行复杂的运算和显示各种实时控制图表,人机交互性差,不便于监控，在当今的实际工程应用中,常采用上位计算机和PLC构成的分布式控制系统,完成整个系统的控制任务,这就需要使用PLC的通信技术。采用三菱FX系列PLC作为下位机,完成控制量输出、传感器数据的采集等工作;个人计算机作为上位机,用来发送控制命令、完成传感数据的分析、处理和显示等功能,实现对机械手动作的实时监控。

1 系统结构图

1.1 系统硬件连接

本系统采用FX系列PLC作为下位机,上位机串行接口通过SC209转换接口与PLC编程口相连,形成系统通信的物理通道,完成RS2232与RS2422信号间的相互转换。FX系列PLC提供一个RS2422异步通信口(称编程口),该通信口具有双重功能：其一功能是采用简易编程器或SWOPC2FXGP-WI N2C软件及其他编程软件对PLC进行编程和下载,在PLC运行时对其内部各器件的状态和数据进行监控;另一功能是根据用户需要,按照PLC的通信协议与上位机进行数据通信。可编程控制器(PLC)是一种专门为工业应用而设计的进行数字运算操作的电子控制装置。由于其具有可靠性高、功能强、编程简单、人机交互界面友好等特性而广泛用于工业控制系统，其硬件连接图如图一所示。

1.2 系统硬件选型

该系统机械手电机的驱动部分使用型号为SH-2H057的步进电机驱动器来驱动步进电动机的运行。在PLC系统设计时，首先应确定控制方案，下一步就是PLC工程设计选型。工程设计选型和估算时，应详细分析工艺过程的特点、控制要求，明确控制任务和范围，确定所需的操作和动作，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量。在PLC系统设计时，确定PLC的功能、外部设备特性等，最后选择有较高性能价格比的PLC和设计相应的控制系统。I/O点数估算时应考虑适当的余量，通常根据统计的输入输出点数，再增加10%～20%的可扩展余量后，作为输入输出点数估算数据。为了保证系统的高效运行，采用了三菱的FX2N-80MR。三菱FX2N-80MR是FX系列中最先进的超级微型PLC，具有高速、高性能的特性。一条基本指令的运算时间为0.08微秒，一条应用指令的运算时间为1.52-100微秒。FX2N-80MR的输入输出点均为40点。基于以上对三菱PLC的综合考虑，本系统设计采用FX2N-80MR系列PLC作为下位机。

1.3 PLC的I/O部分

根据机械手的控制要求，机械手的PLC输入输出电气接口如图二所示。其中在PLC输入输出电气接口图中，SQ1-SQ6是6个磁性开关，SB1、SB2分别是启动、停止开关，Y000-Y006分别接触器KM0-KM6，而Y007-Y014是输出状态的状态显示灯，用于显示状态。

1.4 PLC与上位机的连接

上位机串行接口通过SC209转换接口与PLC编程口相连,形成系统通信的物理通道,完成RS2232与RS2422信号间的相互转换,用来发送控制命令、完成传感数据的分析、处理和显示等功能,实现对机械手动作的实时监控，其硬件连接图如图三所示。

2 软件部分的设计

2.1 控制系统状态转移图

控制系统状态转移图如图四所示。

2.2 下位机与上位机的通信

FX系列PLC的编程口与上位机间的串行通信采用十六进制表示的ASCI I码进行数据传输,通信波特率9600bp s,7位数据位。上下位机之间采用主从应答方式,上位机始终具有初始传送优先权,根据需要向PLC发出读写命令,下位机处于被动状态响应上位机的命令。上位机读数据时通过通信口向PLC发出读数据命令,PLC响应命令并将数据传回上位机,上位机通过读通信口即可取得所需数据;写数据时上位机通过通信口向PLC发出写命令及数据,PLC即可接收。

为实现上位机与PLC的数据通讯,有多种软件开发平台可以使用。但在Windows环境下,利用Visual Basic编写通信软件十分方便,编程工作量小,软件界面简单易行,尤其是它提供了十分重要的、具有强大功能的通信控件MSComm,可方便地实现对下位机地址和数据的接收和发送,完成通信。本通信程序中,在通信窗口添加一命令按钮(SendCmd),通过点击该命令按钮控件,触发SendCmd_Click()事件,在该事件中完成写控制命令字的发送;同时利用定时器控件Timer1的时间中断事件Timer1_Timer(),定时发出读取PLC数据的命令。在对PLC的响应中,采用查询方式,通过判断输入缓冲区是否接收到终止字符,对接收的数据进行判断和处理。

3 结束语

本课题主要研究的是下位机PLC与上位机在机械手系统的应用，是用PLC技术来控制电机的运行状态，课题主要研究了交流电动机正、反转运行，实现了机械手在两个平面的升降、伸缩、顺时针、逆时针旋转90°的动作。另外，系统设计了上位机与下位机的通信，能根据现场的情况作出实时处理，达到比较好的效果。在用VB软件设计的界面中实现了简单的操作过程，达到了本次设计的目的。

参考文献

[1]顾绳谷.电机及拖动基础(第三版)[M].北京:机械工业出版社,2006,04.105.

[2]詹贵印,周红梅.三自由度液压机械手的PLC控制研究[J].装备制造行业应用,2007.07(3).

[3]范逸之.利用Visual Basic实现串并行通信技术[M].北京:清华大学出版社,2001.

[4]朱绍祥,王宏生等编译.可编程控制器(PC)原理与应用[M].上海:上海交通大学出版社,46.

下位机设计 第4篇

从港口集装箱码头装卸作业的实际开展情况来看, 在装卸模型的构建中, 要求能够实现装卸作业现场运行与电脑仿真的完全同步处理。为确保装卸模型运行的安全可靠, 要求在整个下位机控制系统处于空闲状态下, 可由上位机PC端发送装卸船操作指令, 由下位机负责接收指令, 由此实现对模型的运动控制。在此基础之上, 还要求下位机能够独立完成对门座吊起重机的装卸船控制。按照此种设计思路, 在进口卸船作业中, 岸边吊可将集装箱自船上吊起, 并由拖车运送至龙门吊下方, 最后由龙门吊将集装箱货物自拖车卸载至货物堆场。而在出口装船作业中, 则由龙门吊将集装箱货物自堆场转移至拖车, 并由拖车负责运输至岸边吊下方, 最后由岸边吊将货物装船。

1 装卸模型运动控制分析

在港口集装箱码头装卸作业的实施过程当中, 所涉及到的装卸模型包括:岸边吊模型、龙门吊模型、拖车模型、门座吊模型。各装卸模型所对应的运动控制为:

(1) 对于岸边吊模型而言, 在4个角所对应的12V电压等级直流电机驱动下, 岸边吊需要沿轨道做前后往复式运动。安装有起吊装置的小车在2个12V电压等级直流电机的共同驱动下, 沿轨道实施左向、右向运动。同时, 起吊装置装有1个独立的12V电压等级直流电机, 在该电机驱动下, 操作吸盘进行升降动作。集装箱可在吸盘内置直流电机的驱动下, 由电磁铁吸取并进行动作控制。

(2) 对于龙门吊模型而言, 在整个集装箱码头装卸作业的实施中, 其运动机理基本与岸边吊模型运动机理一致。两模型的差异表现为:龙门吊模型当中仅设置有一个驱动电机的起吊装置。

(3) 拖车模型主要是建立在12V电压等级直流电机基础之上, 获取驱动动力, 并沿港口码头U字型轨道进行左向、右向运动。

(4) 对于门座吊模型而言, 分别有1个独立运行的12V电压等级直流电机驱动门座吊转动、伸缩, 以及吸盘的升降处理。该模型吸盘中同样设置有与之相对应的12V驱动电磁铁装置。

2 控制系统硬件结构

整个港口集装箱码头装卸下位机控制系统正常运行状态下所涉及到的输出点点位共计24个, 输入点点位共计26个。基于该要求, 选取PLC装置为FX-64MR-001下位机。在引入该下位机的条件下, 模型当中的电机以及电磁铁装置可通过继电器实现控制。同时, 该PLC装置内部可面向模型输入端提供电源支持。结合下位机控制系统负载继电器电压水平, 采用HS-50-12开关电源作为输出端电源装置, 负载控制电路开关电源选择HS-145-12型。

整个系统还配置有继电器、微动开关、导线线路、12.0V导线线路、12股导线线路、接线端子排、线槽、电气安装轨等。电机正反转互锁动作通过继电器对电机电路的控制加以实现。整个电机正反转互锁电路结构如图1所示。

3 控制系统软件结构

下位机控制系统除需要负责下位机运行, 实现对整个装卸模型的顺序控制以外, 还需要在正常运行状态下, 与上位机系统之间形成良好的数据通信关系。

3.1 运动程序设计

考虑到整个港口集装箱码头装卸模型的控制动作运行基于4个特定方向的顺序, 因此可通过SFC方式进行编程。选择性分支流程个标称可以独立完成4个动作流程, 并行汇合流程编程可以并行完成两个独立步进回路。在回路动作完成后, 汇合执行进入下一阶段的步进点中。同时, 跳转指令编程可支持在装卸模型出现运行故障的情况下, 由操作人员通过执行急停按钮程序的方式, 返回指定步进点运行, 避免故障对PLC运行产生不良影响。整个, 运动程序当中, 还可借助于对定时器的应用, 实现对集装箱吊装高度的严格控制。

3.2 下位机PLC与上位机PC通信设计

下位机PLC装置以RS-232接口方式实现与计算机终端的连接。所对应的通信格式为:数据长度7.0bit, 奇偶校验为偶校, 停止位1.0bit, 通信传输期间波特率参数为9.6kbit/s。根据这一设置模式, PLC下位机系统所对应的数据储存器参数设定为:1010 0000 1000 0110=A086H。在PLC运行期间, 其通信程序如图2所示。

在该通信程序支持下, 上位机面向PLC终端发送运行指令, PLC接收操作指令, 并对指令所代表程序进行执行, 实现对装卸模型各种运动状态的控制。整个操作过程中所涉及到的指令:

(1) RS指令。定义PLC当中数据指令发送所对应的寄存器地址为D5-D10, D1为数据接收所对应的寄存器地址信息, 则RS指令下的通信程序如图3所示。

(2) ZRST指令。在下位机控制系统复位过程中, 数据寄存器D0~D10全部复位, ZRST指令下的通信程序如图4所示。

4 结语

设计的港口集装箱码头装卸模型下位机控制系统能够实现与上位机控制系统PC端的及时通信, 并根据上位机所发送的操作指令, 完成进口装船以及出口卸船在内的多种操作指令。下位机控制系统还支持在装卸模型运动产生故障的情况下, 通过操作急停按钮的方式, 使程序返回初始状态, 不需要反复进行PLC装置的重新上电操作, 兼顾实现电机的正反向互锁。系统运行以来性能良好, 可确保港口集装箱码头装卸作业的顺利开展。

摘要：根据港口集装箱码头装卸作业的实际情况, 基于PLC, 设计装卸模型所对应的下位机控制系统, 并介绍设计过程中的技术要点、注意事项。

关键词：PLC,港口集装箱码头,装卸,下位机,控制系统,设计

参考文献

[1]曾庆成, 胡祥培, 杨忠振, 等.集装箱码头泊位分配-装卸桥调度干扰管理模型[J].系统工程理论与实践, 2010, 30 (11) :2026-2035

[2]周桂清, 严伟.基于双40英尺集装箱装卸系统的自动化码头堆场计划[J].上海海事大学学报, 2011, 32 (3) :1-6, 24

[3]张莉, 霍佳震.基于单船装卸运输模型的集卡配置仿真研究[J].系统仿真学报, 2006, 18 (12) :3532-3535

下位机设计 第5篇

现代控制领域中, 综合性控制系统DCS (DIstributed Control System, 分散控制系统) 随着大型工业生产自动化的兴起和过程控制要求的日益复杂应运而生。它是计算机技术、系统控制技术、网络通讯技术和多媒体技术相结合的产物, 可提供窗口式人机界面和强大的通信功能。电气ECS (Electrical Control System) 系统是DCS的一条重要分支, 其主要应用于发电机的启、停控制及逻辑;工厂用电系统各开关的控制及逻辑;电气系统的各参数与设备状态的监视;继电保护动作情况、故障报警及时间顺序记录。因此系统中总站与从站各个设备之间的通讯, 是系统控制过程中的重要一环, 决定着控制决策执行的正确与否。本文以基于PLC控制系统中的通信对系统通信原理进行介绍, 并附交通灯控制实例加以说明。

2 系统构成

PL C控制系统的控制部分一般由三部分构成:上位机 (PC机) , 可编程控制器 (PLC) , 以及连接二者的PC/PPI电缆。

上位机提供人机交互平台, 进行程序编写, 设置各项参数;PLC进行数据处理, 程序执行;PC/PPI电缆用于上位机与PLC之间的通信。

3 通信原理

3.1 并行通信与串行通信

工程应用中, 为实现分散控制和集中管理, 控制系统的各个部分必定要相互进行数据通信。按照传输方式, 可分为并行通信与串行通信。

并行数据通信是以字节或字尾单位的数据传输方式, 其特点是传输速度快, 但传输线的根数多。适用于近距离数据传输。

串行数据通信是以二进制的位 (bit) 为单位的数据传输方式, 每次只传送1位, 适用于举例较远的场合。工业控制一般使用串行通信。PC机和PLC都有通用的串行通信接口, 例如RS-232C和RS-485接口。

3.2 异步通信与同步通信

在实际通信中, 操作时很难保证数据接收方和发送方有相同的传输速率, 为了保证发送过程和接受过程同步, 不发生累计误差造成的错位。可以根据实际通信要求选用同步或异步通信方式。

异步通信发送字符的信息格式有1个起始位, 7、8个数据位, 1个奇偶校验位 (可省略) , 1、2个停止位组成。在通信开始之前, 通信双方需要对所采取的信息格式和数据传输速率作相同的约定。由于1个字符中包含的位数不多, 及时发送方和接受方的收发频率略有不同, 也不会因两台设备之间的时钟脉冲周几的积累误差而导致收发错位。其特点就是传送附加的非有效信息较多, 传输效率稍低。

同步通信方式以字节为单位 (8bit) , 每次传送1、2个同步字符, 若干个数据字节和校验字节。在同步通信中, 发送方和接收方要保持完全同步, 因此要用调制解调的方式从数据流中提取出同步信号, 使接收方得到与发送方完全相同的接收时钟信号。其传输速率较高, 一般用于高速通信。

3.3 单工通信方式与双工通信方式

单工通信方式只能延单一方向发送或接收数据。双工方式的数据可以沿两个方向传送, 每一个站既可以发送数据也可以接收数据。双工方式又分为全双工和半双工两种方式。

4 PLC通讯功能介绍

P LC其它P L C, 变频器, P C机, 远程设备, 工业以太网等按照不同的通信协议进行通信, 本文主要介绍PLC与PC机之间的通信。

4.1 PLC与使用自由端口模式的PC机的通信

自由端口模式为PC机与PLC之间的通信提供了一种方便和灵活的方法。在自由端口模式, PLC的串行通信有用户程序控制, 可以用接收完成中断、字符接收中断、发送完成中断、发送指令和接受指令来控制通信过程。

发送指令 (XMT) 启动自由端口模式下数据缓冲区的数据发送。通过指定的通信端口, 发送存储在TBL中的信息 (最多255个字符) 。发送结束时可以产生中断事件。接收指令 (RCV) 初始化或终止接收信息的服务 (最多255个字符) 。通过指定端口, 接收的信息存储在TEL中。在接收完最后一个字符时, 或每接收一个字符均可产生一个中断。

4.2 PPI多主站电缆

PPI多主站电缆如图1所示, 用于PLC和有RS-232C接口的设备, 即安装有STEP7-M icro/WIN编程软件PC机进行通信。

电缆的护套上有8个DIP开关, 各个位功能如表1所示:

5 VB通信功能的介绍

5.1 Windows环境下上位机通信软件介绍

在Windows环境下, 上位机与PLC实现串行通信, 需要有软件提供人机交互平台, 实现通信控制。常用的可实现串行通信的软件有Win CC flexible组态软件和VB程序设计软件。由于实际工程需要的多变性及复杂性, 多选用VB搭建人机交互平台。其通信过程如图2所示:

VB不仅能实现串行通信, 还能满足各种工程实际的不同要求, 设计不同的面向对象的工作窗口界面。它本身提供的各种控件, 可以方便简易的实现各种设计要求。

5.2 MSComm控件的属性

VB提供了一个串行通信控件Miscrosoft Comm Control, 即MSComm控件。编程人员只需要设置和监视MSComm控件的属性和事件, 就可以轻而易举的实现串行通信。

MSComm控件的属性如表2所示:

根据实际需要设置各个属性, 以满足通信要求。

6 应用实例

城市交通路口信号控制充分应用了这一通讯功能的应用。现代社会多变的交通状况。传统的交通控制方法已经不能解决目前的城市交通问题, 因此基于PLC可通信的控制系统可时效性的解决这一问题。部分通信程序如下:

(1) VB程序:

通过VB实现与PLC通信。使PC机可以实时的管理PLC的工作。在此通信基础上, 控制系统各部分运行良好, 无误码出现, 有效的解决了交通拥堵中红绿灯控制的问题。

7 结语

基于PLC控制系统的通信过程明显将现有控制技术提升一个新的阶段。通信技术已经是工业控制中不可或缺的一个重要环节, 也会是未来发展的主要方向, 以满足现代工程远程化, 实时性的发展需要。

摘要：控制系统的中各个设备之间的通信是目前控制系统发展的重点环节。本文以基于PLC的控制系统中上下位机通讯的实现, 介绍计算机通信的基本原理, PLC通信方式, VB通信控件, PC/PPI电缆的应用。并用交通灯实例说明程序实现方法, 较完整的阐述了个环节之间通信的实现方式。

下位机设计 第6篇

本文以友联船厂的造船龙门机超载限制系统为例进行介绍。一台大型造船龙门起重机,有效起吊高度50m,跨度100m,4个钩为100t2+120t/20t的组合,其超载限制系统需要实现以下显示和控制功能。

1)主机:仪表供电AC220V;工作环境温度-10℃～+60℃;工作环境湿度20%～95%RH(不能结露);整机功耗<60W;报警音量>60dB;继电器触点容量AC250V,5A;系统误差±5%;有效显示范围0～999.9t;最小显示分辨率0.1t。

2)显示:(1)上小车钩Ⅰ、钩Ⅱ重量独立显示;(2)下小车主钩Ⅲ、副钩Ⅳ重量独立显示;(3)钩Ⅰ与钩Ⅲ,钩Ⅱ与钩Ⅲ总重显示;(4)钩Ⅰ、钩Ⅱ总重显示;(5)钩Ⅰ、钩Ⅱ、钩Ⅲ载荷偏差显示;(6)上小车钩Ⅰ、钩Ⅱ、下小车主钩Ⅲ、副钩Ⅳ起升高度显示。

3)控制:(1)上小车钩Ⅰ、钩Ⅱ、下小车主钩Ⅲ、副钩Ⅳ超额定载荷95%时,仪表发出声光报警,超额定载荷105%过载控制。额定载荷为钩Ⅰ与钩Ⅱ各为80t,主钩Ⅲ120t,副钩Ⅳ20t;(2)上小车钩Ⅰ、钩Ⅱ抬吊超额定载荷95%时,仪表发出声光报警,超额定载荷105%过载控制,额定载荷为160t;(3)上小车钩Ⅰ、钩Ⅱ、下小车主钩Ⅲ、副钩Ⅳ低于额定重量的40%时,仪表给出控制信号,信号为常闭;(4)上小车钩Ⅰ、钩Ⅱ抬吊或钩Ⅰ与主钩Ⅲ抬吊、或钩Ⅱ与主钩Ⅲ重量偏差达40t时控制;(5)上小车钩Ⅰ、钩Ⅱ、下小车主钩Ⅲ、副钩Ⅳ起升高度上限控制;(6)共16个控制输出。

上述要求如果按照常规超载限制器处理方式,会存在以下问题:(1)4个重量、4个高度信号的输入接入仪表,普通单片机资源不够处理;(2)需要4根4芯电缆、4根6芯电缆各120m,电缆数量比较多,布线和后期维护工作量比较大;(3)仅继电器输出就占用单片机的16个端口,单片机显然不能满足显示、输入、输出各级功能。采用上下位机数字通讯方式既可以保证功能可靠实现,又兼顾较高的性价比,图1为工作示意图。

采用上下位机超载限制器的优点:(1)每个小车安装有下位机,可以直接采集重量、高度传感器信号并转化成标准MODBUS数字信号,整个系统的传感器部分只需要铺设2组双绞双屏的2芯电缆即可,电缆价格及铺设成本大大减小,后期出现故障的风险降低;(2)数字信号可以克服长距离输出的信号衰减问题,保证了数据传输的稳定和可靠;(3)司机室的仪表不直接采集传感器信号,因此有足够的资源完成16路继电器的输出。

宜昌微特电子公司为友联船厂龙门起重机选用了WTL-A600的超载限制器系统。WTL-A600型超载限制器采用模块化结构,由重量传感器、角度传感器、信号传输电缆、微电脑主机(含电源、显示、信号处理、控制输出)等部分组成。其进口真彩65 536色TFT-LCD显示板(图2),不仅可以通过汉字、图形显示各个参数数据和状态,还可以通过颜色的变化,使用户一目了然地观察到所需要的数据,显示清晰、直观、方便。

根据客户不同需要,宜昌微特还为某码头集装箱起重机安装了WTZ-A300型超载限制器,它采用全合一CPU主板,系统全部硬件电路(CPU、A/D转换、EPROM、EEPROM、控制器及其它)都集成到一块板上,具有极高的可靠性和抗干扰能力,主机板设有自恢复电路WATCH DOG(又称“看门狗”),当程序进入死机状态时能自动恢复。WTZ-A300型起重量限制器仪表由STC89C516RD+单片机及相应的外围路组成,显示部分采用点阵液晶显示屏(图3),具有较高的性价比。

1-液晶显示屏;2-正常指示灯;3-满载指示灯;4-超载指示灯;5-欠载指示灯;6-偏载指示灯;7、14-控制解除;8-增加键;9-功能键;10-退出键;11-减小键;12-确定键;13-复位键;15-蜂鸣器