CN105094021A - 一种基于arm嵌入式技术的plc协同控制装置 - Google Patents

一种基于arm嵌入式技术的plc协同控制装置 Download PDF

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周小忠
孙哲建
李汉莹
杜平
朱辉平
金军杰
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Abstract

本发明涉及一种基于ARM嵌入式技术的PLC协同控制装置，包括硬件***和软件***两部分；硬件***包括CPU模块、电源模块、数字输入模块、数字输出模块、模拟量I/O模块和底板连接模块，CPU模块、电源模块、数字输入模块、数字输出模块和模拟量I/O模块分别与底板连接模块相连接；数字输入模块和数字输出模块实现装置与外部I/O接口的联系；模拟量I/O电路先将现场的模拟量转变成A/D转换后适用的电压信号后进行转换，电压输入信号通过滤波电路和电压钳制电路，再进行电平增益转换输入到A/D接口，如果是电流输入，首先进行I/V转换再进行处理。本发明具有很强的可修改性和可移植性；且***的可靠性较高。

Description

一种基于ARM嵌入式技术的PLC协同控制装置
技术领域
本发明涉及一种工控ARM芯片软核PLC装置，尤其涉及一种基于嵌入式技术的协同PLC实现工业自动化控制的装置。
背景技术
由于传统硬件PLC技术对外封闭，各个生产厂商的PLC硬件平台各不相同，支持的PLC语言也不相同，而且相互之间通信的协议和总线也完全不同。因此，随着计算机技术的发展，人们已经逐渐认识到硬件PLC的通用性、兼容性和拓展性不好正在制约着PLC的快速发展。同时，随着卷烟工业新一轮的技改，大量新型烟草制丝设备从德国HAUNI、意大利Garbuio等国外烟机设备公司引进，设备厂家对于关键设备的PLC程序采取了技术封锁甚至加密等手段。因此，对于烟机功能改进，需要寻求一种新的解决方案来突破传统PLC内部程序封锁以及外部通用性、兼容性差等问题。
以ARM为代表的32位高性能微处理器促使了嵌入式***的高速发展，使***开发更加方便、灵活。同时，I2C总线的发展使得总线速度已达3.4Mbps，扩展了通讯距离，具有出色的热插拔功能，并拥有一整套完善的产品，包括大量的集线器、中继器、多路复用器和开关等器件，将I2C技术从芯片间二线通讯的简单应用发展到功能强大而且全面的控制网络。嵌入式Linux具有内核可裁剪、功能可定制、效率高、稳定性好、可靠性高、移植性好、源代码开放等优点，还内含了完整的TCP/IP网络协议栈，很适合在嵌入式领域应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于ARM嵌入式技术的PLC协同控制装置。基于ARM嵌入式技术的PLC协同控制装置就是在不改变原有PLC程序、硬件接线前提下，通过现场总线访问PLC内部资源，并将自身控制逻辑运算结果再次通过现场总线传回PLC，最终实现双核协同控制。将基于嵌入式技术的ARM作为虚拟PLC来协助传统硬件PLC完成自动化控制，解决传统PLC单一控制的缺点，通过Linux平台定制各种功能与传统PLC实时通讯达到双核协同时控制同一设备的目的。
为了实现上述的目的，本发明采用了以下的技术方案：
一种基于ARM嵌入式技术的PLC协同控制装置，包括硬件***和软件***两部分；所述的硬件***包括CPU模块、电源模块、数字输入模块、数字输出模块、模拟量I/O模块和底板连接模块，CPU模块、电源模块、数字输入模块、数字输出模块和模拟量I/O模块分别与底板连接模块相连接；所述的CPU模块选用AT91RM9200微处理器作为控制芯片，AT91RM9200微处理器连接设有复位电路、SDRAM芯片、Flash芯片、RS232通信接口A、RS232通信接口B、以太网接口和I2C总线接口，并设置复位电路用于保证***运行的稳定；扩展16MB容量的SDRAM芯片、8MB容量的Flash芯片；RS232通信接口A作为整个装置的监视接口，同时作为调试接口；RS232通信接口B是整个协同控制器的核心总线；以太网接口实现与上位机的通讯；I2C总线接口与基于协议的外设器件进行通讯；所述的数字输入模块和数字输出模块实现装置与外部I/O接口的联系；所述的模拟量I/O电路选用PCF8591芯片，模拟量I/O电路先将现场的模拟量转变成A/D转换后适用的电压信号后进行转换，电压输入信号通过滤波电路和电压钳制电路，再进行电平增益转换输入到A/D接口，如果是电流输入，首先进行I/V转换再进行处理；
所述的软件***包括嵌入式Linux实时操作***、Bootloader引导程序、***服务程序、用户应用程序；所述的嵌入式Linux实时操作***选择Linux-2.4.19内核版本作为嵌入式操作***，所述的Bootloader将U-Boot作为引导装载程序，初始化硬件设备并建立内存空间的映射图；所述的Linux操作***包括Linux内核和根文件***两部分，Linux内核根据本装置的实际硬件情况，将Linux***以及各种设备驱动进行移植，根文件***用于存放各种工具、应用程序、必需的链接库；所述的***服务程序向用户提供服务的应用程序，为用户的应用程序提供必要的服务；用户应用程序在本装置中是指实现虚拟PLC功能的程序代码，将PLC的梯形图程序编译生成的可执行文件。
作为优选，所述的数字输入输出电路使用光电耦合器，通过上拉电阻和光电耦合器实现信号输入，通过下拉电阻和光电耦合器实现信号输出。
作为优选，所述的PCF8591芯片的模拟量输出信号经过内部保持器保持，保持器的输出信号经过滤波电路、增益转化电路和功率放大电路送到执行机构，输出0～10V的电压，控制执行机构按要求的控制规律动作。
本发明由于选用ARM为核心并利用嵌入式技术进行构建，具有很强的可修改性和可移植性；由于添加了Linux实时操作***保证了***运行的实时性，并且能够根据特定的需要编写自定义功能函数，自由添加所需要的特定功能，同时方便的增加或减少I/O端口的数量，使***更具可拓展和维护性；又由于ARM具有较高的密度，能够集成很大的***，因此又增加了***的可靠性。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明协同PLC控制示意图。
图3为本发明硬件组成示意图。
图4为本发明ARM***组成示意图。
图5为本发明数字输入输出电路示意图。
图6为本发明模拟I/O电路示意图。
图7为本发明软件***运行流程示意图。
图8为本发明软件***组成示意图。
图9为本发明软件***运行方式示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做一个详细的说明。
如图1所示，本发明***包括硬件***1和软件***2两部分；所述的硬件***1包括CPU模块3、电源模块4、数字输入模块5、数字输出模块6和模拟量I/O模块7；所述的软件***2包括嵌入式Linux实时操作***8、Bootloader引导程序9、***服务程序10、用户应用程序11。
如图2所示，所述的基于ARM嵌入式技术的PLC协同控制装置就是在不改变原有PLC程序、硬件接线前提下，通过现场总线访问PLC内部资源，并将自身控制逻辑运算结果再次通过现场总线传回PLC，最终实现双核协同控制。
如图3所示，所述的装置通过底板12连接模块将各个模块连接起来。电源模块4为各模块提供各种等级工作电压；CPU模块3是整个PLC协同控制器***的核心，与其他I/O模块构成虚拟PLC***，通过在CPU模块内移植嵌入式***，来执行应用程序，并采集输入模块的信号，经过处理来控制其他I/O模块的输出，达到实现功能定制的目的。
如图4所示，所述的CPU选用AT91RM9200微处理器13作为控制芯片，复位电路14用于保证***运行的稳定；扩展16MB容量的SDRAM芯片15用来执行内部的嵌入式操作***，以提高整个***的运行速度；扩展8MB容量的Flash芯片16作为嵌入式操作***及应用程序的存储；RS232通信1接口17作为整个装置的监视接口，通过上位机提供的接口软件来监控***的启动信息，同时作为调试接口，可以通过命令实现对装置***变量的设置等功能；RS232通信2接口18是整个协同控制器的核心总线，一方面与设备原有PLC通过RS485进行通讯，传输内部状态和控制命令，另一方面将控制信息通过总线传递到自身I/O模块的从器件，输入模块的状态通过总线传递到CPU模块3，经过程序处理后，再控制各个输出模块的状态变化；以太网接口19实现与上位机的通讯，快速下载嵌入式***和应用程序，监视***运行状态变化，实现上位机与虚拟PLC***之间的信息交互；I2C总线接口20与基于该协议的外设器件进行通讯。
如图5所示，所述的数字输入模块6和数字输出模块7要实现装置与外部I/O接口的联系。为了抑制噪声信号和防止灵敏电路因外部电压突变而引起损坏，数字输入输出电路6需要使用光电耦合器。通过上拉电阻21和光电耦合器22实现信号输入，通过下拉电阻23和光电耦合器24实现信号输出。
如图6所示，所述的模拟量I/O模块8选用PCF8591芯片25。电路预处理部分主要完成信号滤波、电平转换等功能，先将现场的模拟量转变成A/D转换后适用的电压信号后进行转换。电压输入信号通过滤波26和电压钳制27电路，再进行电平增益28转换输入到A/D接口；如果是4～20mA电流输入，首先进行I/V转换29再进行处理。PCF8591的模拟量输出信号经过内部保持器保持，以便在新的输出信号到来之前，能维持已有的输出信号不变，从而使执行机构驱动信号得到保持，保持器的输出信号经过滤波30、增益转化31和功率放大32电路送到执行机构，输出0～10V的电压，控制执行机构按要求的控制规律动作。
如图7所示，所述的协同控制器选择Linux-2.4.19内核版本作为嵌入式操作***。装置在上电或者复位以后，首先启动硬件检查，在确认完好的情况下，实现串口、I2C总线、***中断以及其他硬件的驱动，成功启动Linux操作***，然后执行固化在CPU模块中的***内置程序。完成PLC协同控制装置的三种状态(下载、运行、停止)的判断，根据不同的情况实现不同的功能。
如图8所示，所述的装置选用U-Boot作为Bootloader引导装载程序33，初始化硬件设备并建立内存空间的映射图，从而使***的软硬件环境达到一个合适的状态，以便为最终调用操作***内核准备好正确的环境。然后解压内核映像，再跳转到内核映像入口。
所述的Linux操作***34包括Linux内核和根文件***两部分：Linux内核根据本装置的实际硬件情况，将Linux***以及各种设备驱动进行移植。Linux内核针对虚拟PLC***的CPU目标板进行内核编译，实现CPU模块的各种设备驱动，包括网络接口、RS232串口、I2C总线驱动、装置三种运行状态中断驱动等；根文件***用于存放各种工具(Linux命令等)、应用程序、必需的链接库等，装置采用RAMDISK作为根文件***，它将内存RAM和磁盘DISK联系起来，在内存中开辟一块空间当做磁盘来使用。执行用户的init程序，完成***初始化、启动相关服务和管理用户登录等工作。
所述的***服务程序35主要包括下面几个部分：利用lrz/lsz工具包编译生成rz、sz工具，实现串口上应用程序的上传与下载；利用bftpd工具编译生成FTP服务器客户端程序，实现上位机登陆服务器并进行应用程序的上传与下载；编写装置状态判断程序，通过读取三种不同的状态来实现装置的下载、运行和停止。
所述的用户应用程序36是指将PLC的梯形图程序编译生成的可执行文件，由于RAMDISK是加载在内存SDRAM中运行，掉电后数据不保存，因此为了保存下载后的装置可执行文件以及一些需要保存的数据，制作Jffs2文件***，能够高效地直接对flash芯片进行操作，同时充分考虑意外断电的情况，当Linux***启动后，Jffs2文件***自动挂载到RAMDISK某个文件夹，用户可以很方便的进行应用程序的创建和保存。
如图9所示，所述的装置运行方式同传统PLC循环扫描方式类似，当Linux***启动后，先判断自身外设开关状态以及PLC外设状态，如果是下载状态，则会初始化串口下载程序和ftp服务器工具，此时用户可以从上位机通过串口1或者ftp登录工具进行应用程序的下载；如果不是下载状态，则转入运行或者停止状态，***首先复位所有的定时器、将输出继电器清零、检查总线及I/O连接是否完好，接着判断是否为运行状态，是则循环执行用户的应用程序，包括对输入的采样保持，顺序执行程序，最后进行输出状态的刷新；否则是装置的停止状态，此时则会保持当前I/O状态以及相应的***信息，停机运行应用程序。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应属本发明专利的涵盖范围。本发明的使用范围不仅局限于烟草工业控制，可拓展其他功能应用于更复杂的工业控制领域。在非精密控制领域，也可以将本发明独立作为PLC使用。

Claims (3)

1.一种基于ARM嵌入式技术的PLC协同控制装置，包括硬件***（1）和软件***（2）两部分；其特征在于：所述的硬件***（1）包括CPU模块（3）、电源模块（4）、数字输入模块（5）、数字输出模块（6）、模拟量I/O模块（7）和底板连接模块（12），CPU模块（3）、电源模块（4）、数字输入模块（5）、数字输出模块（6）和模拟量I/O模块（7）分别与底板连接模块（12）相连接；所述的CPU模块（3）选用AT91RM9200微处理器（13）作为控制芯片，AT91RM9200微处理器（13）连接设有复位电路（14）、SDRAM芯片（15）、Flash芯片（16）、RS232通信接口A（17）、RS232通信接口B（18）、以太网接口（19）和I2C总线接口（20），并设置复位电路（14）用于保证***运行的稳定；扩展16MB容量的SDRAM芯片（15）、8MB容量的Flash芯片（16）；RS232通信接口A（17）作为整个装置的监视接口，同时作为调试接口；RS232通信接口B（18）是整个协同控制器的核心总线；以太网接口（19）实现与上位机的通讯；I2C总线接口（20）与基于协议的外设器件进行通讯；所述的数字输入模块（5）和数字输出模块（6）实现装置与外部I/O接口的联系；所述的模拟量I/O电路（8）选用PCF8591芯片（25），模拟量I/O电路（8）先将现场的模拟量转变成A/D转换后适用的电压信号后进行转换，电压输入信号通过滤波电路（26）和电压钳制电路（27），再进行电平增益转换（28）输入到A/D接口，如果是电流输入，首先进行I/V转换（29）再进行处理；
所述的软件***（2）包括嵌入式Linux实时操作***（8）、Bootloader引导程序（9）、***服务程序（10）、用户应用程序（11）；所述的嵌入式Linux实时操作***（8）选择Linux-2.4.19内核版本作为嵌入式操作***，所述的Bootloader（33）将U-Boot作为引导装载程序，初始化硬件设备并建立内存空间的映射图；所述的Linux操作***（34）包括Linux内核和根文件***两部分，Linux内核根据本装置的实际硬件情况，将Linux***以及各种设备驱动进行移植，根文件***用于存放各种工具、应用程序、必需的链接库；所述的***服务程序（35）向用户提供服务的应用程序，为用户的应用程序提供必要的服务；用户应用程序（11）在本装置中是指实现虚拟PLC功能的程序代码，将PLC的梯形图程序编译生成的可执行文件。
2.根据权利要求1所述的一种基于ARM嵌入式技术的PLC协同控制装置，其特征在于：数字输入输出电路（6）使用光电耦合器，通过上拉电阻（21）和光电耦合器（22）实现信号输入，通过下拉电阻（23）和光电耦合器（24）实现信号输出。
3.根据权利要求1所述的一种基于ARM嵌入式技术的PLC协同控制装置，其特征在于：PCF8591芯片（25）的模拟量输出信号经过内部保持器保持，保持器的输出信号经过滤波电路（30）、增益转化电路（31）和功率放大电路（32）送到执行机构，输出0～10V的电压，控制执行机构按要求的控制规律动作。
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