使用PLC作为复杂自动精密仪器的核心计算机的设计方法

　　摘要：单片机单板机自上世纪70年代问世至今，一直是各类仪器的控制核心，其自身性能也在不断提高，由此带来的仪器设计水平的提高不言而喻。同时，单片机单板机的开发应用随之也更加专业化。上世纪80-90年代Z80，C51，M6800等8位机的软硬件开发就已须要专门训练，近年来16位以上CPU的开发已远非以前八位机简单易行。 　　本文探究了一种简捷易行的仪器开发方法，在开发过程中避免了繁厄的嵌入式芯片的软硬件开发。因此不但简化了开发过程，缩短了开发时间，减少开发成本，同时也降低了开发专业技术门限。本文以一种复杂的自动精密分析仪器-生化分析仪为例，对使用国产HOLLiAS LM 小型PLC为核心的设计开发方案进行详细探讨。在提出这个技术设想之前，从设计方法学，技术可行性以及性能价格比几方面对此技术设想的合理性进行透视。在充分理解了技术设想的可操作性之后，再对具体实施的细节进行详细全面的描述。 　　一、传统仪器设计过程回顾 　　现代化的自动仪器设备均具有如下几方面的性能和特点 　　前端的信号检测，适时数据采集，数据处理，实现其功能的光机电一体化的自动装置，以及人机操作界面，除此之外还必须有完备的上下位机的控制程序软件包。为实现以上几个方面的性能，以高性能的微处理器为基础的嵌入式单板机就似乎成为迄今仪器设计的唯一选择。 　　从而，在仪器具体的性能要求确定以后，单板机的软硬件设计制造工作就进入议事日程。这项工作是非常专业和浩繁的，比较小的公司不可能储备如此多的专业技术人员，所以靠自身的技术力量是无法完成的。为此就必须支付高昂的设计开发费用，而且，整机软硬件及外部设备的联调也需要大量的时间以及返工和重新设计。同样，大公司也并非不存在类似问题。特别是在新技术新方法摸索创新的样机试制阶段。 　　二、新设计方案的提出和可行性分析与单板机方案比较 　　所谓的新方案的概念源于个人的专业技术经历和接触不同的技术领域，笔者分别从事过精密仪器设计和工业自动化领域的工作，PLC技术，特别是国产HOLLiAS LM 系列小型PLC的性能给我一个在精密仪器设计方案上重新审视的技术空间。 　　从设计方法学的角度来看待设计问题，全世界没有谁规定自动仪器一定要以单板机为核心，只要能够实现倾向用户使用要求　　的仪器设计就是成功的产品，换句话说用户和使用者不关心仪器的设计过程和内部构造，他们只关心仪器的性能价格比。而作为设计人员，我们所要考虑的是所有可以实现预期性能的设计方案和手段以及技术途径，这样较为符合设计方法学的思想方法和设计规程。 　　考虑技术可行性，先来看一下电子控制的硬件要求，一般地，系统需要有高性能的CPU，一定数量的内存，DI，DO，AI，AO，与人机界面的通讯端口，以及根据具体运行要求所编制的程序。这些工作对一个单板机或DSP系统来说，无异于编制一套专用小型操作系统。在硬件上甚至往往需要设计单板机或DSP的PCB板，在SMT技术的今天设计完善这样的系统也非易事，调试的问题不用说，甚至一两个DI的扩展，都需要重新设计改动PCB板。 　　再看一下PLC的性能，PLC是可编程序逻辑控制器（Programmable Logic Controller）的英文缩写。对有工业自动化控制经验的人来说，一点也不陌生，但对于那些仅从事仪器设计的人来说，也许不甚了解或者从未涉足使用。PLC通常具有高性能的CPU，相当规模的内存，可任意扩展的DI，DO，AI，AO接口，其中AI的分辨率为16 BIT 以上，其DO接口可以直接驱动1A电流的功率器件或继电器, 因此PLC在硬件上完全可以代替单板机。 　　再从软件编程和运行的方面比较，单板机或DSP，即使借助于C语言或其他专门的开发环境，其工作也是相当厄繁的，而且不使用汇编语言，指令对硬件的直观控制效果不易观察，调试困难。对于仪器控制的特殊应用，运行时子程序调用比较多，在线调试困难。而对于PLC来说，其自身的功能块，指令组，就此类系统控制应用而言，比C语言完备得多，如各种微电机控制，定时，记数，脉宽调制，脉冲输出等等。另外PLC程序在运行时是实时重复扫描，可以根据逻辑计算结果的要求实时任意取舍子程序或功能块的运行，对于一个接近120K内存的较长程序,一次扫描仅需几十毫秒,就绝大多数应用而言,速度足够快。就编程而言，PLC的指令系统容易学，容易使用，调试方便。PLC 较之嵌入式的程序，具有更好的可读性和易读性，它可以使得更多公司和更多工程技术人员从事开发工作. 　　考察性能价格比，显然在开发阶段，PLC的成本很低，它是工控市场化批量生产的产品，开发人员不需要设计建造嵌入式CPU的PCB板，而只需要设计少量外围专用电路，软件环境也容易在PC上设置，经常是PLC厂家免费提供的。在生产阶段，PLC与单板机的成本相差不悬殊，除非有类似家用电器的批量否则PLC在整机中所占比例很小，很显然，仪器与批量家电无可比性。况且PLC较单板机的用户面宽，产品成熟，质量稳定可靠，从而在生产订购上也节省多方面的资源。 　　综上所述，PLC的功能和实时运行能力以及系统开发的简易性超过一般意义上的单板机。甚至具备单板机所不具备的实时在线性能。因此，从理论到实践上看PLC作为仪器核心都是具有更多优越性。 　　三、设计过程详实（以自动生化分析仪为例） 　　自动生化分析仪是用于医院临床检验血液生化指标的复杂仪器，在分析类仪器中，它的复杂程度是最高的。 　　生化分析仪的基本功能是按照各自不同的生化方法要求设定测试参数，然后自动机构取样并按照设定对各样品及同一样品的　　不同测试加入所需的试剂，按所需特定比例进行稀释。进而分别注入比色杯对反应液进行保温和延时（经稀释后的样品称为反应液），下一步对反应液按照所需编排好的测试方法和时间进行测试，最后计算并储存和打印测试结果。 　　仪器的具体构造此不赘述。 　　从而得到生化分析仪对电子系统的软硬件要求,并据此选择PLC的软硬件配置。 　　1) 硬件要求 　　120K程序内存 　　3 AI输入 　　24 DI输入 　　16 DO输出，包括2 -PTO，1-PWM输出 　　2 AO 输出 　　RS232（及485）串行口 　　如有必要可以选择2个或更多PLC CPU模块联合控制。 　　2) 软件功能及内部函数要求 　　输入高速记数， 　　高速脉冲输出， 　　步进电机脉冲控制模块 　　PID 控制功能块 　　自由通讯功能块 　　基于ST文本的数据处理子程序 　　多种逻辑和计算结果判断指令。 　　3) 总控制程序，自动机构微电机控制，数据采集及数据计算处理软硬件安排 　　仪器的PLC控制软件由主控制程序，初始化复位子程序，自动机构动作算法子程序，自动机构运动执行子程序，数据读取控制子程序，及数据计算处理子程序组成。 　　主控制程序完成各子程序的选择执行以及与人机界面的通讯，为梯形图程序。 　　初始化复位子程序完成自动机构的回位和数据初始化，为梯形图程序。 　　自动机构动作算法子程序完成安排自动机构的动作顺序判断，为梯形图程序。 　　自动机构运动执行子程序驱动自动机构完成要求的动作，为梯形图程序。 　　数据读取控制子程序执行检测数据的读取和机构为读取数据的配合动作，为梯形图程序。 　　数据计算处理子程序完成生化分析所需的分析计算，由ST语言编写子程序。 　　4) 硬件的安排 　　自动机构的运动和控制(包括比色用不同波长光源的自动选择转换)由高速脉冲输出端口配合普通DO端口选择控制多个微型步进电机来实现，其中机构的运动定位由 DI，高速DI以及AI接受运动和位置反馈信号用以控制步进电机来实现。 恒温槽的温度由AI接收温度传感器，经PLC的PID结合脉宽调制驱动电热元件实现。控制精度最高可达�0.05�C，典型值达到�0.1�C。 　　数据的读入由前端对数运算放大器（LOG100）接入AI实现。由于PLC可设置数字滤波参数。所以数据采集完全可以保持所需的精度要求。 　　PLC与人机界面的通讯由PLC的RS232串行口实现，可以采用PLC自身的MODBUS协议，也可以采用PLC提供的自由协议功能块，这样编程更方便。本系统采用自由通讯协议。 　　四、结论和展望 　　到节稿时仪器已基本可以运行。性价比好的设计和产品以及设计方法，只有经过实践检验才能证明其优劣，以往PLC 从未用作精密仪器控制的核心主要有以下几点原因 　　设计人员没有掌握PLC 技术， 　　PLC的售价比较高， 　　几年前的小型PLC的软硬件性能还不能支持复杂仪器的控制要求。 　　近年来工控市场上新的PLC品牌不乏高性价比的小型PLC，使其设想成为可能。而且，仪器设计者如果更多采用PLC产品，必将促使PLC制造商不断提高PLC的性能，以及向单板机容合，那<< span="">