CPLD在PLC中的應(yīng)用及PROTOS卷煙機(jī)電控系統(tǒng)PLC改造項(xiàng)目

可編程邏輯控制器PLC(Progranlmabel Lgoci Controner)是一種以微處理器為基礎(chǔ)的控制器形式，使用可編程內(nèi)存以存儲(chǔ)指令，即使操作者對(duì)計(jì)算機(jī)或電腦語言了解得不多，也能對(duì)其進(jìn)行操作。PLC是經(jīng)過預(yù)先設(shè)計(jì)編程的，可直接輸人控制程序，僅使用簡(jiǎn)單的圖示語言—梯形圖。在編程過程中經(jīng)常要涉及到邏輯和接通操作。例如，如果發(fā)生A或B，接通C;如果發(fā)生A和B，則接通D。以體積小、編程靈活、功能強(qiáng)大、使用方便等特點(diǎn)在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

1、基于PLC概念的軟件方案

    PLC軟件根據(jù)通用模型而建立:輸人掃描，控制代碼運(yùn)行，輸人更新，以及常規(guī)功能執(zhí)行。由于輸入循環(huán)、輸出循環(huán)和常規(guī)循環(huán)都是隱藏的，所以控制工程師只需關(guān)注控制代碼的設(shè)計(jì)。由于廠商已完成了大部分工作，這種嚴(yán)格的控制架構(gòu)使得建立控制系統(tǒng)更為容易和快速。這些系統(tǒng)的嚴(yán)格性也能讓控制工程師在開發(fā)可靠的程序時(shí)無需深人了解PLC的底層操作。然而，作為PLC主要優(yōu)勢(shì)的這種嚴(yán)格的掃描式構(gòu)架也導(dǎo)致其靈活性的欠缺。

    PLC在運(yùn)行過程中，其CPU與各設(shè)備之間的信息交換、用戶程序的執(zhí)行、信號(hào)采集、控制量的輸出等操作都是按照固定的順序以循環(huán)掃描的方式進(jìn)行。每個(gè)循環(huán)都要對(duì)所有功能進(jìn)行查詢、判斷和操作，不能人為改變。一個(gè)周期內(nèi)，CPU對(duì)整個(gè)用戶程序只執(zhí)行一遍。這種機(jī)制雖然方便，但實(shí)時(shí)性差。過長時(shí)間的掃描，直接影響系統(tǒng)對(duì)信號(hào)響應(yīng)的效果。PLC的這種響應(yīng)特性使它不能滿足實(shí)時(shí)響應(yīng)速度要求較高的應(yīng)用系統(tǒng)。

    2、CPLD在PLC系統(tǒng)中應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)

    CPLD是ComPlex Progralnable Logic Deivce(復(fù)雜可編程邏輯器件)的縮寫，代表的是一種可編程邏輯器件，它可以在制造完成后由用戶根據(jù)自己的需要定義其邏輯功能。并且CPLD使用的是一個(gè)集中式邏輯互連方案，它具有編程靈活、集成度高、設(shè)計(jì)開發(fā)周期短、適用范圍寬、開發(fā)工具先進(jìn)、設(shè)計(jì)制造成本低、對(duì)設(shè)計(jì)者的硬件經(jīng)驗(yàn)要求低、標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品無需測(cè)試、保密性強(qiáng)、價(jià)格大眾化等特點(diǎn)。這些特點(diǎn)都使CPLD適于作為可編程邏輯控制系統(tǒng)的核心控制部件。

    CPLD很重要的一個(gè)特點(diǎn)是在對(duì)輸人輸出信號(hào)進(jìn)行邏輯控制時(shí)，不需要執(zhí)行指令和程序，不需要執(zhí)行掃描循環(huán)，沒有“指令周期”的概念，輸人信號(hào)僅通過CPLD芯片內(nèi)硬件邏輯門陣列的不同組合來控制輸出信號(hào)，系統(tǒng)對(duì)輸人信號(hào)的響應(yīng)時(shí)間僅取決于門陣列的傳輸延時(shí)。這相對(duì)于PLC來說具有顯著的優(yōu)勢(shì)。

    3、PLC基于CPLD的結(jié)構(gòu)

一、項(xiàng)目概述 

在我國煙草行業(yè)卷煙機(jī)設(shè)備中，PROTOS 70/90系列卷煙機(jī)占有相當(dāng)大的比例，并已成為目前國內(nèi)各家卷煙廠的主流卷煙機(jī)機(jī)型。該類機(jī)型采用了繼電器和分立元件組成的邏輯電路板系統(tǒng)進(jìn)行控制，大量的各類繼電器以及電子線路板構(gòu)成了繁雜的電氣邏輯系統(tǒng)，因此維護(hù)成本很高；加上系統(tǒng)長年運(yùn)行，設(shè)備電氣故障頻繁出現(xiàn)，排除故障相當(dāng)困難，在一定程度上嚴(yán)重影響了卷煙廠的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

隨著工業(yè)控制技術(shù)不斷提高，從2001年開始，德國虹霓(HAUNI)公司重新開發(fā)出了采用INTERBUS總線型方案的PROTOS E-8卷煙機(jī)，考慮到我國工業(yè)企業(yè)中SIEMENS產(chǎn)品使用較為廣泛，德國虹霓2002年又開發(fā)了基于PROFIBUS總線方案的卷煙機(jī)。目前，我國正在商談引進(jìn)事宜。但是，全部技術(shù)文檔和資料轉(zhuǎn)讓費(fèi)用相當(dāng)昂貴，因此，依靠我國國內(nèi)的技術(shù)力量對(duì)現(xiàn)有的基于電子線路邏輯控制系統(tǒng)的PROTOS卷煙機(jī)進(jìn)行改造，是提升設(shè)備檔次、減少設(shè)備維護(hù)成本的有效途徑。

通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研認(rèn)證，PROTOS 70/90卷煙機(jī)機(jī)型其控制系統(tǒng)由繼電器和分立元件組成的邏輯電路板構(gòu)成，這些控制系統(tǒng)逐步顯示出一些不利于卷煙生產(chǎn)企業(yè)發(fā)展的因素，其主要表現(xiàn)在：

1、受電路板和繼電器控制技術(shù)控制本身特點(diǎn)的限制，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的各種接口非常多，各種各樣的接線凌亂的分布在現(xiàn)場(chǎng)，系統(tǒng)出錯(cuò)時(shí)，排除故障很不方便。

2、原有控制系統(tǒng)采用的板卡全部依靠進(jìn)口，價(jià)格較高，且這些板卡很多現(xiàn)在已經(jīng)停產(chǎn)，一旦損壞將給企業(yè)造成重大損失；

3、使用原有的控制系統(tǒng)進(jìn)行生產(chǎn)，工人必須對(duì)機(jī)器相當(dāng)熟悉，需要進(jìn)行大量的崗前培訓(xùn)，而且工作量較大；

4、生產(chǎn)時(shí)如機(jī)器出現(xiàn)故障，有些只能依靠面板上的指示燈顯示出故障，無法準(zhǔn)確定位故障位置，以便及時(shí)排除故障；

5、原系統(tǒng)無數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)功能。由于采用邏輯電路控制方式，其生產(chǎn)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)無法用軟件進(jìn)行采集，而只能靠原始的手工抄寫數(shù)據(jù)并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

二、改造優(yōu)勢(shì) 

綜合以上情況，大樹智能科技（南京）有限公司公司研制開發(fā)了PROTOS卷煙機(jī)的PLC控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)可大大提高PROTOS卷煙機(jī)整體的穩(wěn)定性，同時(shí)具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1、機(jī)器故障率低。由于PLC系統(tǒng)具有防塵、防震、抗干擾等優(yōu)點(diǎn)，所以大大提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性能，平均無故障時(shí)間可達(dá)十萬小時(shí)以上；

2、操作界面友好，操作方便。全漢化的操作界面，方便操作人員了解設(shè)備狀況，修改工藝參數(shù)、提供產(chǎn)量和原材料消耗的查詢便于生產(chǎn)資料調(diào)度，同時(shí)以圖形方式直觀顯示故障、報(bào)警信息；

3、出現(xiàn)故障時(shí)維修方便。在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，PLC控制系統(tǒng)能顯示發(fā)生故障的具體位置及故障原因，從而大大提高了排除故障的效率；

4、機(jī)器備件無后顧之憂。由于PLC電控系統(tǒng)采用的都是國際上通用的軟、硬件，因此便于工廠技術(shù)人員掌握，同時(shí)各個(gè)備品均可在國內(nèi)選購。

5、具有數(shù)據(jù)采集與傳輸功能。由于采用了現(xiàn)場(chǎng)總線，新的控制系統(tǒng)能夠很好地滿足工廠自動(dòng)化以及CIMS系統(tǒng)的信息集成要求，可實(shí)現(xiàn)底層設(shè)備單機(jī)控制、連機(jī)控制、通信連網(wǎng)、在線設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)及現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行、生產(chǎn)數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)等功能，保證現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備高質(zhì)量完成生產(chǎn)任務(wù)，并將現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備生產(chǎn)及運(yùn)行數(shù)據(jù)信息傳送到工廠管理層，向工廠級(jí)MIS系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫提供數(shù)據(jù)；同時(shí)也可接受工廠管理層下達(dá)的生產(chǎn)管理及調(diào)度命令并執(zhí)行之。 

三、改造內(nèi)容、方法 

PROTOS70由VE供料部分、SE卷煙部分、MAX濾嘴接裝等三個(gè)部分組成，其控制系統(tǒng)是由多個(gè)既相互獨(dú)立又相互有關(guān)聯(lián)的小控制系統(tǒng)組成，其功能相對(duì)集中，圖1.1為其控制系統(tǒng)的分布示意圖（頂端視圖）。由圖我們可以看出，原控制系統(tǒng)嵌入在整條生產(chǎn)線的內(nèi)部，分布于生產(chǎn)線的四周，便于檢查和維護(hù)。各部分控制系統(tǒng)之間的相互連線都從機(jī)器內(nèi)部走線；眾多的傳感器和執(zhí)行器不規(guī)則地分布于整條生產(chǎn)線的各個(gè)部位。各個(gè)控制柜（除放置電子控制卡的柜子）內(nèi)部有空氣開關(guān)、接觸器、斷路器和繼電器等, 其中繼電器大多是用來實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的邏輯功能（如連鎖、互鎖等），新的設(shè)計(jì)中只保留了極少數(shù)的繼電器，控制邏輯由PLC來實(shí)現(xiàn)，去除繼電器后多出來的空間用作放置PLC的子站點(diǎn)，PLC子站點(diǎn)主要包括通訊模塊、輸入輸出模塊和特殊功能模塊等。

原控制系統(tǒng)嵌入到了機(jī)器內(nèi)部，各個(gè)柜子均做了相應(yīng)的通風(fēng)、防塵等處理，但是隨著時(shí)間的推移，柜子里面的灰塵還是越積越多，柜子內(nèi)的溫度始終維持在一個(gè)相對(duì)高的水平，控制系統(tǒng)中的電路板也沒有做特別的防護(hù)。電路板終年在高溫、多灰塵的環(huán)境下工作，加速了電子元件的老化，導(dǎo)致整個(gè)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的降低。采用PLC控制系統(tǒng)時(shí)，我們將原控制系統(tǒng)的電子控制卡去除，其功能由PLC實(shí)現(xiàn)，PLC的中央處理器則放于新增加的一個(gè)控制柜內(nèi)，這樣有利于控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的提高。

原控制系統(tǒng)主要采用三種供電方式：1、主電源采用了TN－S三相五線制的交流配電：為變壓器、主電機(jī)、風(fēng)機(jī)、油泵、紙盤回轉(zhuǎn)電機(jī)等提供電能；2、單相交流配電：由變壓器輸出的交流電壓為各控制電路、鋼印電機(jī)、紙張緊力控制電機(jī)，磨刀電機(jī)提供電能；3、直流電源配電：由變壓器輸出的交流電壓，經(jīng)電子箱的穩(wěn)壓電源卡向各電子箱內(nèi)的各電子控制卡提供直流電能。原控制系統(tǒng)為了使各種不同的電子控制卡工作，分別根據(jù)電子控制卡的需要提供了不同的電源電壓，從而整個(gè)系統(tǒng)中同時(shí)存在多種電壓。改用新的PLC控制系統(tǒng)后，由于可以選擇不同電壓的PLC模塊，并且各個(gè)模塊都帶有隔離保護(hù)裝置，各個(gè)傳感器和執(zhí)行器的電源供給電壓得到了統(tǒng)一，故設(shè)計(jì)的PLC控制系統(tǒng)主要采用220VAC、110VAC、24VAC和24VDC幾種電壓就可以滿足需求，直流電壓直接通過開關(guān)電源取得，去除了穩(wěn)壓電源卡，提高了電源的穩(wěn)定性。在設(shè)計(jì)新的供電系統(tǒng)時(shí)我們借鑒了原供電系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，原有的空氣開關(guān)、接觸器、斷路器等得到了保留，其安裝位置也基本上保持不變。

主驅(qū)動(dòng)器、SRM煙條重量控制系統(tǒng)等單元可換用大樹公司生產(chǎn)的成熟產(chǎn)品，以徹底解決備件供應(yīng)問題。常用開關(guān)操作方式保留，生產(chǎn)操作習(xí)慣保留，IT80顯示器換成液晶TFT顯示，薄膜鍵盤換成軟件觸摸式。因此改造以后的顯示單元外形將變得輕巧美觀，操作工不易視力疲勞，更具人性化。 

四、技術(shù)特點(diǎn) 

下面對(duì)本方案中涉及到的幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)作簡(jiǎn)要介紹，詳細(xì)內(nèi)容請(qǐng)參閱相關(guān)資料或向大樹智能科技（南京）有限公司咨詢。 

（1） 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù) 

現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)本質(zhì)上是一種計(jì)算機(jī)本地網(wǎng)絡(luò)連接技術(shù)，一般采用小型令牌環(huán)網(wǎng)方式以保證固定的訪問延時(shí)。它正在被越來越多的引入工業(yè)控制中，目的是解決工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)眾多設(shè)備信號(hào)的實(shí)時(shí)和集中傳遞問題，各大公司相繼推出各自的總線標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品，如西門子的PROFIBUS,菲尼克斯的INTERTUS等，各自有自己的優(yōu)缺點(diǎn)且互不兼容，基本上都能滿足大部分的工業(yè)控制要求，它們多數(shù)都是采用雙絞線作物理層傳輸介質(zhì)。本方案中即可采用的是西門子的PROFIBUS總線，也可采用菲尼克斯的INTERTUS總線。西門子的PROFIBUS總線是面向I/O的國際標(biāo)準(zhǔn)總線，其恒定的500Kbit/S傳輸速率，集總幀的數(shù)據(jù)傳輸方式，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃�，使得控制系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)I/O設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換具有很高的實(shí)時(shí)性，是國際上公認(rèn)的高速總線。PROFIBUS具有強(qiáng)大的總線組態(tài)、監(jiān)控、故障診斷功能，在總線控制板、現(xiàn)場(chǎng)I/O設(shè)備以及 GMD軟件上都能對(duì)每一個(gè)總線設(shè)備的狀況進(jìn)行監(jiān)控，對(duì)故障的診斷塊，從而極大地提高了控制系統(tǒng)的易維護(hù)性和可靠性。INTERBUS總線是德國Phoenix Contact公司推出的現(xiàn)場(chǎng)總線產(chǎn)品，是一種經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)單、開放的傳感器執(zhí)行器總線。主要用于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與PLC控制系統(tǒng)之間的互聯(lián)，構(gòu)建具有較高實(shí)時(shí)性要求的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò)，它是一種廣泛應(yīng)用于制造業(yè)和機(jī)器加工業(yè)等各種領(lǐng)域的工業(yè)局域網(wǎng)。 

（2）國產(chǎn)化SRM重量控制系統(tǒng) 

采用大樹公司研制開發(fā)的SRM重量控制系統(tǒng)替換現(xiàn)在的重量控制系統(tǒng)。檢測(cè)裝置可以選擇保留原機(jī)的核掃描器或者選擇新一代微波檢測(cè)裝置。我公司研制的SRM重量控制系統(tǒng)從硬件、軟件設(shè)計(jì)兩個(gè)方面保證與整機(jī)改造相一致。硬件上采用通用板卡，用液晶觸摸屏替換原機(jī)的IT80顯示器，將整機(jī)的主態(tài)顯示與SRM各報(bào)表顯示集于一體。軟件上是自己開發(fā)的具有自主版權(quán)的控制軟件，安裝上用選用德國原裝HARTING接插件，直接匹配原有PROTOS70/90卷煙機(jī)組信號(hào)接插件。具有以下特點(diǎn)：

在計(jì)算煙支重量、采集各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行報(bào)表顯示、跟蹤并剔除所檢測(cè)到的不合格煙支等功能方面與原SRM90電控系統(tǒng)具有較好的一致性；

新的重量控制算法明顯改善了控制過程中削絲盤調(diào)節(jié)的超調(diào)和震蕩現(xiàn)象，大幅度提高了煙支的重量控制精度，現(xiàn)場(chǎng)成品煙支的大量取樣結(jié)果表明單支煙重量的離散性較原系統(tǒng)有較大的改善，其100支香煙的均值偏差小于±10毫克，1000支香煙長期標(biāo)準(zhǔn)偏差小于7毫克。

部分報(bào)表的功能可以根據(jù)不同煙廠的具體情況作相應(yīng)的軟件調(diào)整，并可增加新的報(bào)表內(nèi)容。 

（3） 液晶觸摸屏顯示技術(shù) 

液晶觸摸屏顯示技術(shù)已經(jīng)是一項(xiàng)比較成熟的顯示交互技術(shù)了，常用它替代老式的CRT顯示和鍵盤輸入，能大大減輕重量和縮小外形體積。由于原機(jī)都采用IT80終端顯示，該顯示器僅顯示原SRM有關(guān)數(shù)據(jù)及報(bào)表，同時(shí)，由于老化的原因，目前顯示質(zhì)量比較差，有屏閃、聚焦不良、晃動(dòng)等問題，也比較笨重，用液晶觸摸屏代替后能起到明顯的改善作用，并且新增有關(guān)整機(jī)的參數(shù)設(shè)置，產(chǎn)耗分析、故障信息報(bào)警定位等功能。

五、技術(shù)優(yōu)勢(shì) 

大樹智能科技（南京）有限公司多年前就開始關(guān)注PROTOS卷接機(jī)的電控系統(tǒng)改造，并投入核心技術(shù)力量前往多家煙廠進(jìn)行

    PLC基于CPLD的結(jié)構(gòu)，它具有與PLC相同的輸人輸出電路，但控制器的核心采用CPLD芯片，用來實(shí)現(xiàn)對(duì)輸人輸出信號(hào)的邏輯控制，取代了PLC

中的微處理器、存儲(chǔ)器及控制程序。

    輸人接口電路的作用是將各種現(xiàn)場(chǎng)輸人信號(hào)轉(zhuǎn)換為巧V的邏輯信號(hào)，經(jīng)過光電隔離送給CPLD處理。輸出接口電路的作用是將CPLD的輸出控制信號(hào)經(jīng)過光電隔離和驅(qū)動(dòng)，以繼電器方式或晶體管方式提供給系統(tǒng)的執(zhí)行電路。

    4、PLC基于CPLD系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法

    用CPLD設(shè)計(jì)可編程邏輯控制系統(tǒng)的流程如圖1所示。

    用VHDL語言或邏輯原理圖實(shí)現(xiàn)PLC控制系統(tǒng)中階梯圖的功能，這一工作可用集成軟件開發(fā)完成，如xilinx公司的Xilinx Foundation、Lattice公司的Latieis PEXPERT、A工TERA公司的MAX+PLUSll和Quartusll等。

    首先根據(jù)系統(tǒng)邏輯控制功能的需要進(jìn)行設(shè)計(jì)輸人，實(shí)現(xiàn)類似PLC階梯圖的功能。可采用兩種設(shè)計(jì)輸人方法:邏輯原理圖法和VHDL語言編程法。邏輯原理圖法是一種圖形輸人方法，具有直觀易懂的特點(diǎn)。當(dāng)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)較為復(fù)雜時(shí)，可采用層次化設(shè)計(jì)，使用十分方便。使用中可直接調(diào)用許多現(xiàn)成的庫元件，用戶還可以向庫中自主加入新元件。VHDL語言編程法具有多層次描述系統(tǒng)硬件功能的能力，具有豐富的庫函數(shù)和仿真語句，可隨時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行仿真模擬，在設(shè)計(jì)早期就能查驗(yàn)設(shè)計(jì)的功能可行性。設(shè)計(jì)輸人完成后，可進(jìn)行仿真，檢驗(yàn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的功能和時(shí)序，確保設(shè)計(jì)的正確性和可靠性。

    設(shè)計(jì)校驗(yàn)過程包括仿真和定時(shí)分析，項(xiàng)目編譯后，為確保設(shè)計(jì)無誤，要再用專用軟件進(jìn)行仿真，如果發(fā)現(xiàn)了錯(cuò)誤，則應(yīng)對(duì)設(shè)計(jì)輸人進(jìn)行部分修改直至無誤。

    通過編程器將編譯器生成的編程文件編程或配置到AlteraCPLD器件中，然后加人實(shí)際激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行測(cè)試，檢查是否達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

    5、設(shè)計(jì)例子

    下面以一個(gè)最簡(jiǎn)單的例子說明具體的設(shè)計(jì)方法。本例中，描述邏輯控制功能的階梯圖如圖2所示。

    其中:XI、XZ為啟動(dòng)信號(hào)，Yl為輸出控制信號(hào)，Xl、XZ、Yl都是高電平有效;reset為CPLD芯片的上電復(fù)位信號(hào)，低電平有效。采用

VllDL語言編程如下:

LBIRARY ieee;

USEieee.std_logi-c1164.all;

ENTITY and IS

PORT(X1，XZ，reset:IN STD-LOGIC;

YI:BUFFERSTD-LOGIC);

END and;

ARCHITECTURE ladder 0F and IS

 BEGIN

PROCESS(reset，xl，xZ)

BEGIN

IF(reset='0')

THEN yl<=，0，;

ELSE

Yl<=x1,AND x2;

END FI;

END PRDCESS;

END ladder;

    微秒級(jí)的輸出響應(yīng)時(shí)間相比具有顯著優(yōu)勢(shì)。統(tǒng)控制中。用速度等級(jí)更高的CPLD芯片，則可進(jìn)一步擴(kuò)大速度。

    結(jié)果表明，CPLD可以很好的應(yīng)用于PLC的設(shè)計(jì)中，基于CPLD的PLC系統(tǒng)具有響應(yīng)速度快、實(shí)時(shí)性好等優(yōu)勢(shì)，可應(yīng)用于對(duì)實(shí)時(shí)性要求很高的系仿真以上程序