使用PLC作為復雜自動精密儀器的核心計算機的設計方法

　　摘要：單片機單板機自上世紀70年代問世至今，一直是各類儀器的控制核心，其自身性能也在不斷提高，由此帶來的儀器設計水平的提高不言而喻。同時，單片機單板機的開發應用隨之也更加專業化。上世紀80-90年代Z80，C51，M6800等8位機的軟硬件開發就已須要專門訓練，近年來16位以上CPU的開發已遠非以前八位機簡單易行。 　　本文探究了一種簡捷易行的儀器開發方法，在開發過程中避免了繁厄的嵌入式芯片的軟硬件開發。因此不但簡化了開發過程，縮短了開發時間，減少開發成本，同時也降低了開發專業技術門限。本文以一種復雜的自動精密分析儀器-生化分析儀為例，對使用國產HOLLiAS LM 小型PLC為核心的設計開發方案進行詳細探討。在提出這個技術設想之前，從設計方法學，技術可行性以及性能價格比幾方面對此技術設想的合理性進行透視。在充分理解了技術設想的可操作性之后，再對具體實施的細節進行詳細全面的描述。 　　一、傳統儀器設計過程回顧 　　現代化的自動儀器設備均具有如下幾方面的性能和特點 　　前端的信號檢測，適時數據采集，數據處理，實現其功能的光機電一體化的自動裝置，以及人機操作界面，除此之外還必須有完備的上下位機的控制程序軟件包。為實現以上幾個方面的性能，以高性能的微處理器為基礎的嵌入式單板機就似乎成為迄今儀器設計的唯一選擇。 　　從而，在儀器具體的性能要求確定以后，單板機的軟硬件設計制造工作就進入議事日程。這項工作是非常專業和浩繁的，比較小的公司不可能儲備如此多的專業技術人員，所以靠自身的技術力量是無法完成的。為此就必須支付高昂的設計開發費用，而且，整機軟硬件及外部設備的聯調也需要大量的時間以及返工和重新設計。同樣，大公司也并非不存在類似問題。特別是在新技術新方法摸索創新的樣機試制階段。 　　二、新設計方案的提出和可行性分析與單板機方案比較 　　所謂的新方案的概念源于個人的專業技術經歷和接觸不同的技術領域，筆者分別從事過精密儀器設計和工業自動化領域的工作，PLC技術，特別是國產HOLLiAS LM 系列小型PLC的性能給我一個在精密儀器設計方案上重新審視的技術空間。 　　從設計方法學的角度來看待設計問題，全世界沒有誰規定自動儀器一定要以單板機為核心，只要能夠實現傾向用戶使用要求　　的儀器設計就是成功的產品，換句話說用戶和使用者不關心儀器的設計過程和內部構造，他們只關心儀器的性能價格比。而作為設計人員，我們所要考慮的是所有可以實現預期性能的設計方案和手段以及技術途徑，這樣較為符合設計方法學的思想方法和設計規程。 　　考慮技術可行性，先來看一下電子控制的硬件要求，一般地，系統需要有高性能的CPU，一定數量的內存，DI，DO，AI，AO，與人機界面的通訊端口，以及根據具體運行要求所編制的程序。這些工作對一個單板機或DSP系統來說，無異于編制一套專用小型操作系統。在硬件上甚至往往需要設計單板機或DSP的PCB板，在SMT技術的今天設計完善這樣的系統也非易事，調試的問題不用說，甚至一兩個DI的擴展，都需要重新設計改動PCB板。 　　再看一下PLC的性能，PLC是可編程序邏輯控制器（Programmable Logic Controller）的英文縮寫。對有工業自動化控制經驗的人來說，一點也不陌生，但對于那些僅從事儀器設計的人來說，也許不甚了解或者從未涉足使用。PLC通常具有高性能的CPU，相當規模的內存，可任意擴展的DI，DO，AI，AO接口，其中AI的分辨率為16 BIT 以上，其DO接口可以直接驅動1A電流的功率器件或繼電器, 因此PLC在硬件上完全可以代替單板機。 　　再從軟件編程和運行的方面比較，單板機或DSP，即使借助于C語言或其他專門的開發環境，其工作也是相當厄繁的，而且不使用匯編語言，指令對硬件的直觀控制效果不易觀察，調試困難。對于儀器控制的特殊應用，運行時子程序調用比較多，在線調試困難。而對于PLC來說，其自身的功能塊，指令組，就此類系統控制應用而言，比C語言完備得多，如各種微電機控制，定時，記數，脈寬調制，脈沖輸出等等。另外PLC程序在運行時是實時重復掃描，可以根據邏輯計算結果的要求實時任意取舍子程序或功能塊的運行，對于一個接近120K內存的較長程序,一次掃描僅需幾十毫秒,就絕大多數應用而言,速度足夠快。就編程而言，PLC的指令系統容易學，容易使用，調試方便。PLC 較之嵌入式的程序，具有更好的可讀性和易讀性，它可以使得更多公司和更多工程技術人員從事開發工作. 　　考察性能價格比，顯然在開發階段，PLC的成本很低，它是工控市場化批量生產的產品，開發人員不需要設計建造嵌入式CPU的PCB板，而只需要設計少量外圍專用電路，軟件環境也容易在PC上設置，經常是PLC廠家免費提供的。在生產階段，PLC與單板機的成本相差不懸殊，除非有類似家用電器的批量否則PLC在整機中所占比例很小，很顯然，儀器與批量家電無可比性。況且PLC較單板機的用戶面寬，產品成熟，質量穩定可靠，從而在生產訂購上也節省多方面的資源。 　　綜上所述，PLC的功能和實時運行能力以及系統開發的簡易性超過一般意義上的單板機。甚至具備單板機所不具備的實時在線性能。因此，從理論到實踐上看PLC作為儀器核心都是具有更多優越性。 　　三、設計過程詳實（以自動生化分析儀為例） 　　自動生化分析儀是用于醫院臨床檢驗血液生化指標的復雜儀器，在分析類儀器中，它的復雜程度是最高的。 　　生化分析儀的基本功能是按照各自不同的生化方法要求設定測試參數，然后自動機構取樣并按照設定對各樣品及同一樣品的　　不同測試加入所需的試劑，按所需特定比例進行稀釋。進而分別注入比色杯對反應液進行保溫和延時（經稀釋后的樣品稱為反應液），下一步對反應液按照所需編排好的測試方法和時間進行測試，最后計算并儲存和打印測試結果。 　　儀器的具體構造此不贅述。 　　從而得到生化分析儀對電子系統的軟硬件要求,并據此選擇PLC的軟硬件配置。 　　1) 硬件要求 　　120K程序內存 　　3 AI輸入 　　24 DI輸入 　　16 DO輸出，包括2 -PTO，1-PWM輸出 　　2 AO 輸出 　　RS232（及485）串行口 　　如有必要可以選擇2個或更多PLC CPU模塊聯合控制。 　　2) 軟件功能及內部函數要求 　　輸入高速記數， 　　高速脈沖輸出， 　　步進電機脈沖控制模塊 　　PID 控制功能塊 　　自由通訊功能塊 　　基于ST文本的數據處理子程序 　　多種邏輯和計算結果判斷指令。 　　3) 總控制程序，自動機構微電機控制，數據采集及數據計算處理軟硬件安排 　　儀器的PLC控制軟件由主控制程序，初始化復位子程序，自動機構動作算法子程序，自動機構運動執行子程序，數據讀取控制子程序，及數據計算處理子程序組成。 　　主控制程序完成各子程序的選擇執行以及與人機界面的通訊，為梯形圖程序。 　　初始化復位子程序完成自動機構的回位和數據初始化，為梯形圖程序。 　　自動機構動作算法子程序完成安排自動機構的動作順序判斷，為梯形圖程序。 　　自動機構運動執行子程序驅動自動機構完成要求的動作，為梯形圖程序。 　　數據讀取控制子程序執行檢測數據的讀取和機構為讀取數據的配合動作，為梯形圖程序。 　　數據計算處理子程序完成生化分析所需的分析計算，由ST語言編寫子程序。 　　4) 硬件的安排 　　自動機構的運動和控制(包括比色用不同波長光源的自動選擇轉換)由高速脈沖輸出端口配合普通DO端口選擇控制多個微型步進電機來實現，其中機構的運動定位由 DI，高速DI以及AI接受運動和位置反饋信號用以控制步進電機來實現。 恒溫槽的溫度由AI接收溫度傳感器，經PLC的PID結合脈寬調制驅動電熱元件實現。控制精度最高可達?0.05?C，典型值達到?0.1?C。 　　數據的讀入由前端對數運算放大器（LOG100）接入AI實現。由于PLC可設置數字濾波參數。所以數據采集完全可以保持所需的精度要求。 　　PLC與人機界面的通訊由PLC的RS232串行口實現，可以采用PLC自身的MODBUS協議，也可以采用PLC提供的自由協議功能塊，這樣編程更方便。本系統采用自由通訊協議。 　　四、結論和展望 　　到節稿時儀器已基本可以運行。性價比好的設計和產品以及設計方法，只有經過實踐檢驗才能證明其優劣，以往PLC 從未用作精密儀器控制的核心主要有以下幾點原因 　　設計人員沒有掌握PLC 技術， 　　PLC的售價比較高， 　　幾年前的小型PLC的軟硬件性能還不能支持復雜儀器的控制要求。 　　近年來工控市場上新的PLC品牌不乏高性價比的小型PLC，使其設想成為可能。而且，儀器設計者如果更多采用PLC產品，必將促使PLC制造商不斷提高PLC的性能，以及向單板機容合，那<< span="">