西门子6GK7243-1GX00-0XE0原装代理

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嵌入式PLC市场空间巨大

根据《Control Design》杂志调查，2009年美国机械行业的PLC用户占三分之二，而PAC和制总共只占13%，嵌入式PLC仅占5%。在PLC技术发展及国际标准IEC6113-3研讨会上，PLCopen中国组织彭瑜表示，嵌入式PLC具有很大的发展空间。

ARC研究表明，各行各业对自动化产品领域的资本将继续保持强劲势头。PLC中国市场预期以12．4％的年复合增长率（CAGR）增长，2011年将达到13亿美元。

嵌入式PLC目前并没有确切的定义。英国敏思咨询公司在其嵌入式PLC市场报告中将其定义为：把交流变频调速器或HMI或其他设备内嵌PLC的功能归类于嵌入式PLC。

同时，国内外很多人把采用SOC嵌入式片上系统芯片和嵌入式实时操作系统实现PLC功能，并利用IEC61131-3的标准编程语言编程的，称之为嵌入式PLC。PLCopen中国组织采用的是第二种概念。

嵌入式PLC呈多元发展趋势

PLCopen中国组织彭瑜说：“嵌入式PLC的发展呈现多元化，在国内外均有很好的表现。”

在国外，德国赫优讯将现场总线技术和PLC技术相结合，推出了一款极具特色的netPLC,使得传统的PLC与软PLC的功能合二为一。据悉，该产品具有软硬件功能，板上配有netX模块，标准配置Profibus-DP主站卡，PLC运行/停机开关、小型USB诊断端口、4个LED指示灯，78个开关量I/O和6个AD通道等。其编程环境基于3S公司的CoDeSys V3.3,配有OPC Server标准软件接口程序、运行程序库、现场总线组态工具软件，PCI总线设备驱动程序等。

Rabbit公司推出的具有的嵌入式PLC开发套件，以其3000系列单片机为硬件基础，配以基于IEC6113-3的IsaGRAF V3.5编程环境，并支持5种PLC编程语言。传统的PLC程序员将能享受使用Rabbit套件附带的ISaGRAF软件来开发新方案。所有功能都整合在一块面积为100毫米X100毫米的集成板上，并能将其便捷地镶嵌在标准的100毫米DIN rail tray上。

在国内，华中科技大学在EASY CORE 1.00核心芯片组中加载了嵌入式PLC系统软件，作为硬件平台，开发了多模入通道的嵌入式PLC。

杭州电子科技大学计算机学院以开发PLC与人机界结合的硬软一体化为目标平台，充分利用CASE工具，结合各类嵌入式芯片的开发平台和各种输入输出通道的硬件电路库，专为机电设备开发客制化、具有OEM性质的专用PLC。

笔者认为，如今面对客户的需求在不断的变化，就需要PLC能够满足客户不断变化的需求。具有优势的嵌入式PLC，正好能够满足这一需求。在未来，传统工程机械PLC产品势必会被智能化的嵌入式PLC所取代。

1 引言

文中采用IP核复用方法和SOC技术基于AVR 8位微处理器AT90S1200IP Core设计专用PLC微处理器FSPLCSOC模块。

随着芯片集成程度的飞速提高，IC产业中形成了以片上系统SOC(System-on-Chip)技术为主的设计方式。一个电子系统或分系统可以完全集成在一个芯片上，同时IC设计能力和EDA工具却相对落后于半导体工艺技术的发展，两者之间日益加剧的差距已经成为SOC技术发展过程中一个突出的障碍。采用基于IP复用技术进行设计是减小这一差距惟一有效的途径，IP复用技术包括两个方面的内容:IP核生成和IP核复用。

2  IP核复用

IP核复用(IP Core Reuse)是指在集成电路设计过程中，通过继承、共享或购买所需的知识产权内核(第三方IP核)，然后再利用EDA工具进行设计、综合和验证。IP核是IP复用的载体和核心内容，基于应用需求、规范协议和行业标准的不同，IP核的内容也是千差万别的。在IC产业中，IP核被定义为用于ASIC， ASSP， PLD等芯片中，且预先定义好功能、经过验证的、可重用的电路功能模块，如PCI接口核、ADC核，FIR滤波器核、SDRAM控制器核等。根据IC设计层次的不同。IP核分为以下三类:软IP(Soft IP)、硬IP(Hard IP)，固IP (Firm IP)。文中主要涉及到软IP核设计和复用。软IP是可类比、综合的硬件描述语言(HDL)模型，通常是可综合的RTL模型，包括逻辑描述、网表和测试的文档(Testbench)。软IP设计、投人少，与工艺无关，可灵活修改，在设计中只须对时序、面积和功耗进行修正，可复用性最高。基于软核的设计(Soft Core-based design)是一种非常实用的SOC设计方法。它将系统的功能划分为不同的软核，包括微处理器、ALU、ROM、PC、ROM、I/0等。由于软IP核仅提供能够综合的HDL描述，因此复用前需要深人地了解HDL文件描述的RTL模型，采用适当工艺技术的标准单元库，再重新进行综合、布局布线、后网表、验时序等反复工作，最后集成到SOC设计中，因此SOC设计即生成的IP核和第三方复用IP核集成整合。

3 FSPLC微处理器IP核设计

3.1 IP软核生成

文中基于AVR8位微处理器分析实际PLC梯形图及其指令表，设计逻辑处理器LP、布尔处理器BP、存储器位接口MBI等3个模块用于提高PLC执行速度，下面以逻辑处理器LP单元模块为例，描述IP软核生成。PLC梯形图包括8种基本电路:左分支触点LBC/非触点LBCN，右分支触点RBC/非触点RBCN， 双分支触点DBC/非触点DBCN，不分支触点NBC/不分支非触点NBCN。文中根据这8种基本电路设计一个16xl6触点矩阵电路，即逻辑处理器LP单元，矩阵中各个触点由电子电路模拟PLC梯形图基本电路。在任何一个触点上包括横线输入、竖线输入、引出输出线圈。触点矩阵中共有256个横线输入圈节点hi，240个竖线输入圈节点vi，256个输出线圈Io。当一行超过16时，转向下一行，以此构成矩阵电路，如hi[i]，vi[i]，lo[i]表示某个触点的横线输入、竖线输入、输出，那么其同行的下一个触点的横线输入、竖线输入、输出分别为hi[i+ 1]、vi[i+1]、lo[i+1]，其同列的下一个触点hi[i+16]、vi[i+16]、lo[i+16]，那么输出触点的表达式为

I0[i]=I0[i-1]hi[i]+vi[i-16]lo[i-16]+vi[i]lo[i+16-1]hi[ i+16] 。

以此各个触点彼此互相连接组成处理梯形图的触点矩阵。

逻辑处理器LP采用Verilog描述，借助Model-Sim进行功能，验证模块功能的正确性。

验功能正确后，借助Synosys的综合工具Synplify Pro对模块进行综合。综合包括Compiling、Mapping、Optimization。综合时将经ModelSim。功能验的源代码调人Synplify Pro，执行Compiler，编译后，创建约束文件。sdc，编辑约束文件对模块添加约束条件，包括时钟、面积、扇人扇出、延时等，添加约束后执行综合，产生网表文件。EDF。根据综合后给出的。log文件观察Constraint文件中的约束条件是否满足需要，例如按照给出的“Worst Path Inbbbbation，修改约束以满足Worst Path的要求。综合完成后在Quartus Ⅱ4。0展开网表文件，布局布线后编译形成。sof文件，将此文件下级到Alters Nios开发板进行验，验正确后再借助ModelSim序验证。

3.2 AVRIP核复用

AVR8位微处理器AT90S1200IP核由opencores。org提供。整个微处理器IP核包括ALU、PC、SRAM、IR、ROM、I/0，控制等”个模块，可以分成3个单元；取指单元、执行单元和I/0单元。指令执行时，取指单元负责取出下一个指令，执行单元负责执行当前指令，而LO单元负资和外界的连接。取指单元和执行单元组成微处理器的CPU。

整个AVRIP核包括许多寄存器:指令寄存器、指令备份寄存器、程序计数器、通用寄存器、存储地址寄存器(MAR)，1/O口控制寄存器等。整个系统的工作就是基于这些寄存器之间的。设计所有的寄存器以及它们之间的组合逻辑及其连接就是系统的数据通道设计。控制模块决定怎样进行寄存器传愉。数据通道和控制单元组成了整个微处理器。

对于AT90S12001P核复用，考虑到IP核在SOC中集成整合，首先须彻底了解所复用核的架构和指令集，借助ModelSim进行功能，建立Testbench平台测试波形验证功能的正确性，如图3所示。编译无误且功能正确后借助Synplify Pro对IP核饰代码进行逻辑综合，如果VHDL程序正确无误并且其编程风格符合Synplify Pro综合要求，Synplify Pro将产生一个网表文件(。EDF文件)，再借助QuartusA4。0和ModelSim分别进行FPGA验证和时序验证，此过程不断循环，直至复用的微处理器IP核没有任何错误。

4 FSPLC微处理器核SOC设计

FSPLCSOC由AT90S1200、布尔处理器BP、存储器位接口MBI、逻辑处理器LP，CAN总线1。0接口CBI、底板总线接口BBI等6个模块组成。AT90S1200模块是SOC的核心，实现PLC指令的执行；BP模块由两个位累加器和一个位逻辑堆浅BLS组成，该结构可以有效处理IEC61131-3(国际电工委员会制订的基于bbbbbbs编程语言标准)PLC指令表语句中复杂的嵌套逻辑运算，使运行频率最高的位指令达到最大的执行速度；存储器位接口模块由一个存储器位寻址接口逻辑和一个8选1选择器组成，为布尔处理器和数据存储器之间的位访间接口；CAN总线1。0接口CBI模块和外部基于Atmega8515的USB-CAN适配器相连，通过此适配器FSPLC可以和其他带有CAN接口的PLC实现CAN通讯；通过底板总线接口BBI模块可以在FSPLC片外扩展模块，最多可以达到8个，包括I/0扩展模块、AID模块、D/A模块、计数模块等。其中AT90S1200，MBI，LP，CBI，BBI模块通过内部总线连接，BP通过MBI模块转换实现和其他模块的连接。

4.2 FSPLCSOC、综合、验证

由于SOC设计是一种面向IP核集成的设计，整合后的SOC模块同第三方IP核复用一样需要进行模块的、综合和验证。FSPLC SOC同复用AT90SI200核一样借助ModelSim进行功能和验后时序，借助Synplify Pro进行综合。

下面具体描述FSPLCSOC的验证，SOC设计中包含了系统设计和模块设计，因此SOC验一般包含了模块验、芯片验证和系统验证三个部分。由于FSPLCSOC涉及到的主要是数字IP核，文中采用Altera NioslI开发板作为设计的验证平台，该开发板带有一个20多万门的Altera EP20K200EFC484-2的FPGA芯片、拨码开关、数码显示器等，用一个实际PLC应用程序在此开发板上对FSPLCSOC进行了可行性验证，同时通过对AVR编译器Avral。0的编译代码变量中增加PLC指令代码，使之能够对PL(:指令进行编译。图5，图6分别为PLC控制程序的梯形图及其汇编程序。

开发板的拨码开关SWl的1、2、3、4来模拟上述开关的闭合，观察数码显示器Dl数码段明暗，验证设计的可行性。FSPLCSOC在Altera Nios开发板的FPGA芯片上进行了可行性验证，获得了理想的运行效果:在33MHz晶振下，执行基本逻辑指令速度为0。09μ/条，达到了国际上大中型PLC的处理速度。

5 结束语

目前IC产业中，SOC已成为最主要的集成电路设计方法8位RISC微处理器芯片设计正在向SOC化发展，通过IP核复用方法以缩短周期、降、提率。文中基于IP核复用和SOC技术借助ModelSim、Synplify Pro、QuartusⅡ等EDA软件设计了拥有自主知识产权的专用PLC微处理器SOC模块FSPLC，在复用了第三方AVRAT90SI200IP核基础上集成了自行设计的LP、BP、MBI、CBI、BBI等模块，具有快速处理PLC梯形图程序、快速处理IL语句表中复杂的嵌套逻辑运算、PLC之间CAN总线通讯等优点。最后采用Altera NiosII作为验证平台，对实际的PLC应用程序做了可行性验证，获得了理想的效果。

1 引 言  

在工业过程控制中，PID控制适合于可建立数学模型的确定性控制系统。但在实际的工业过程控制系统中存在很多非线性或时变不确定的系统，使PID控制器的参数整定烦琐且控制效果也不理想。近年来，随着智能控制技术的发展，出现了许多新型的控制方法，模糊控制就是其中之一。模糊控制不需要掌握控制对象的精确数学模型，而是根据控制规则决定控制量的大小。这种控制方法对于存在滞后或随机干扰的系统具有良好的控制效果。PLC具有很高的可靠性，抗干扰能力强，并可将模糊控制器方便地用软件实现。因此，用PLC构成模糊控制器用于油田的污水处理是一种新的尝试，不仅使控制系统更加可靠，而且取得了较好的控制效果。

2 污水处理工艺简介  
  
目前我国许多油田处于二次采油期，即注水开采期，所采的油中含有大量的污水。油田污水处理的目的是将处理后的水回注地层以补充、平衡地层压力，防止注入水和返回水腐蚀注水管和油管，避免注入水使注水管、油管和地层结垢。其处理方法是使用A、B、C三种剂，其中A剂为pH值调整剂，B剂为沉降剂，C剂为阻垢剂。其工艺流程方案如图2—1所示。根据工艺要求，关键是在混合罐中对污水添加A剂提高污水的pH值（即控制pH2）以减少腐蚀。添加B剂可加速污水中絮状物的沉淀。添加C剂可减缓污水在注水管和油管中的结垢。该系统属非线性、大滞后系统，其对象的精确数学模型难以获得，采用PID反馈控制效果不是很理想，且采油联合站都位于偏僻的地方，环境恶劣。因此，该污水处理系统采用了基于PLC的模糊控制来提高系统的控制精度和可靠性，从而满足工艺要求。

3 模糊控制原理
  
控制系统采用“双入单出”的模糊控制器[1]。输入量为pH值给定值与测量值的偏差e以及偏差变化率ec，输出量为向加药泵供电的变频器的输入控制电压u。图3—1为模糊控制系统的方框图［2］。控制过程为控制器定时采样pH值和pH值变化率与给定值比较，得pH值偏差e以及偏差变化率ec，并以此作为PLC控制器的输入变量，经模糊控制器输出控制变频器输出频率n，从而改变加药量使pH值保持稳定。

模糊控制器包括输入量模糊化、模糊推理和解模糊3个部分。E和Ec分别为e和ec模糊化后的模糊量，U为模糊控制量，u为U解模糊化后的精确量。

3．1 输入模糊化
  
在模糊控制器设计中，设E的词集为［NB，NM，NS，N0，P0，PS，PM，PB］［3］，论域为［－6，－5，－4，－3，－2，－1，0，＋1，＋2，＋3，＋4，＋5，＋6］；Ec和U的词集为［NB，NS，NM，0，PS，PM，PB］，论域为［－6，－5，－4，－3，－2，－1，0，＋1，＋2，＋3，＋4，＋5，＋6］。令－1），pH0表示期望值。然后，将e、ec和u模糊化，根据pH值控制的经验可得出变量E、Ec和U的模糊化量化表。表3—1为变量E的赋值表。

3．2 模糊决策和模糊控制规则

总结污水处理过程中pH值的控制经验，得出控制规则，如表3—2所示。选取控制量变化的原则是：当误差大或较大时，选择控制量以误差为主。而当误差较小时，选择控制量要注意防止超调，

以系统的稳定性为主。例如，当pH值低很多，且pH值有进一步快速降低的趋势时，应加大剂的投放量。可用模糊语句实现这条规则（IFE＝NB ANDEc＝NB THEN U＝PB）。当误差为负大且误差变化为正大或正中时，控制量不宜再增加，应取控制量的变化为0，以免出现超调。一共有56条规则。每条规则的关系Rk可表示为：
  
7）根据每条模糊语句决定的模糊关系Rk（k＝1，2，…，56），可得整个系统控制规则总的模糊关系R。

3．3 输出反模糊化
  
根据模糊规则表取定的每一条模糊条件语句都计算出相应的模糊控制量U，由模糊推理合成规则，可得如下关系： 

以此得出模糊控制量，如表3—3所示。然后依据最大隶属度法，可得出实际控制量u。再经D／A转换为模拟电压，去改变变频器的输出频率n，通过  加泵控制加药量调节pH值，从而完成控制任务。

4 模糊控制算法的PLC实现  
  
在控制系统中选用了OMRON公司的CQM1型PLC。首先将模糊化过程的量化因子置入PLC的保持继电器中，然后利用A／D模块将输入量采集到PLC的DM区，经过限幅量化处理后，根据所对应的输入模糊论域中的相应元素，查模糊控制量表求出模糊输出量，再乘以输出量化因子即可得实际输出值，由D／A模块输出对pH值进行控制。

4．1 模糊控制算法流程
  
（1）将输入偏差量化因子Ke、偏差变化率量化因子Kec和输出量化因子Ku置入HR10～HR12中。

（2）采样计算e和ec，并置入DM0000和DM0001中。
  
（3）判断e和ec是否越限，如越限令其为上限或下限值。否则将输入量分别量化为输入变量模糊论域中对应的元素E和Ec并置入DM0002和DM0003中。

（4）查模糊控制量表，求得U。

（5）将U乘以量化因子Ku，得实际控制量u。

（6）输出控制量u。

（7）结束。

4．2 查表梯形图程序设计
  
在模糊控制算法中，模糊控制量表的查询是程序设计的关键。为了简化程序设计，将输入模糊论域的元素［－6，－5，－4，－3，－2，－1，0，＋1，＋2，＋3，＋4，＋5，＋6］转化为［0，1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，12］，将模糊控制量表中U的控制结果按由上到下，由左到右的顺序依次置入DM0100～DM0268中。控制量的基址为100，其偏移地址为Ec×13＋E，所以由E和Ec可得控制量的地址为100＋Ec×13＋E。梯形图程序如图4—1所示。其中DM0002和DM0003分别为E和Ec在模糊论域中所对应的元素，MOV＊DM0031DM1000是间接寻址指令。它将DM0031的内容（即控制量地址100＋Ec×13＋E）作为被传递单元的地址，将这个地址指定单元的内容（即控制量U），传递给中间单元DM1000再通过解模糊运算得u，然后由模拟输出通道传送给D／A转换器。

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