CPLD在PLC中的应用及PROTOS卷烟机电控系统PLC改造项目

可编程逻辑控制器PLC(Progranlmabel Lgoci Controner)是一种以微处理器为基础的控制器形式，使用可编程内存以存储指令，即使操作者对计算机或电脑语言了解得不多，也能对其进行操作。PLC是经过预先设计编程的，可直接输人控制程序，仅使用简单的图示语言—梯形图。在编程过程中经常要涉及到逻辑和接通操作。例如，如果发生A或B，接通C;如果发生A和B，则接通D。以体积小、编程灵活、功能强大、使用方便等特点在工业自动化领域得到广泛应用。

1、基于PLC概念的软件方案

    PLC软件根据通用模型而建立:输人扫描，控制代码运行，输人更新，以及常规功能执行。由于输入循环、输出循环和常规循环都是隐藏的，所以控制工程师只需关注控制代码的设计。由于厂商已完成了大部分工作，这种严格的控制架构使得建立控制系统更为容易和快速。这些系统的严格性也能让控制工程师在开发可靠的程序时无需深人了解PLC的底层操作。然而，作为PLC主要优势的这种严格的扫描式构架也导致其灵活性的欠缺。

    PLC在运行过程中，其CPU与各设备之间的信息交换、用户程序的执行、信号采集、控制量的输出等操作都是按照固定的顺序以循环扫描的方式进行。每个循环都要对所有功能进行查询、判断和操作，不能人为改变。一个周期内，CPU对整个用户程序只执行一遍。这种机制虽然方便，但实时性差。过长时间的扫描，直接影响系统对信号响应的效果。PLC的这种响应特性使它不能满足实时响应速度要求较高的应用系统。

    2、CPLD在PLC系统中应用的优势

    CPLD是ComPlex Progralnable Logic Deivce(复杂可编程逻辑器件)的缩写，代表的是一种可编程逻辑器件，它可以在制造完成后由用户根据自己的需要定义其逻辑功能。并且CPLD使用的是一个集中式逻辑互连方案，它具有编程灵活、集成度高、设计开发周期短、适用范围宽、开发工具先进、设计制造成本低、对设计者的硬件经验要求低、标准产品无需测试、保密性强、价格大众化等特点。这些特点都使CPLD适于作为可编程逻辑控制系统的核心控制部件。

    CPLD很重要的一个特点是在对输人输出信号进行逻辑控制时，不需要执行指令和程序，不需要执行扫描循环，没有“指令周期”的概念，输人信号仅通过CPLD芯片内硬件逻辑门阵列的不同组合来控制输出信号，系统对输人信号的响应时间仅取决于门阵列的传输延时。这相对于PLC来说具有显著的优势。

    3、PLC基于CPLD的结构

一、项目概述 

在我国烟草行业卷烟机设备中，PROTOS 70/90系列卷烟机占有相当大的比例，并已成为目前国内各家卷烟厂的主流卷烟机机型。该类机型采用了继电器和分立元件组成的逻辑电路板系统进行控制，大量的各类继电器以及电子线路板构成了繁杂的电气逻辑系统，因此维护成本很高；加上系统长年运行，设备电气故障频繁出现，排除故障相当困难，在一定程度上严重影响了卷烟厂的生产效率和产品质量。

随着工业控制技术不断提高，从2001年开始，德国虹霓(HAUNI)公司重新开发出了采用INTERBUS总线型方案的PROTOS E-8卷烟机，考虑到我国工业企业中SIEMENS产品使用较为广泛，德国虹霓2002年又开发了基于PROFIBUS总线方案的卷烟机。目前，我国正在商谈引进事宜。但是，全部技术文档和资料转让费用相当昂贵，因此，依靠我国国内的技术力量对现有的基于电子线路逻辑控制系统的PROTOS卷烟机进行改造，是提升设备档次、减少设备维护成本的有效途径。

通过现场调研认证，PROTOS 70/90卷烟机机型其控制系统由继电器和分立元件组成的逻辑电路板构成，这些控制系统逐步显示出一些不利于卷烟生产企业发展的因素，其主要表现在：

1、受电路板和继电器控制技术控制本身特点的限制，生产现场的各种接口非常多，各种各样的接线凌乱的分布在现场，系统出错时，排除故障很不方便。

2、原有控制系统采用的板卡全部依靠进口，价格较高，且这些板卡很多现在已经停产，一旦损坏将给企业造成重大损失；

3、使用原有的控制系统进行生产，工人必须对机器相当熟悉，需要进行大量的岗前培训，而且工作量较大；

4、生产时如机器出现故障，有些只能依靠面板上的指示灯显示出故障，无法准确定位故障位置，以便及时排除故障；

5、原系统无数据统计功能。由于采用逻辑电路控制方式，其生产的各项数据无法用软件进行采集，而只能靠原始的手工抄写数据并进行统计。

二、改造优势 

综合以上情况，大树智能科技（南京）有限公司公司研制开发了PROTOS卷烟机的PLC控制系统，该控制系统可大大提高PROTOS卷烟机整体的稳定性，同时具有如下优点：

1、机器故障率低。由于PLC系统具有防尘、防震、抗干扰等优点，所以大大提高了系统稳定性能，平均无故障时间可达十万小时以上；

2、操作界面友好，操作方便。全汉化的操作界面，方便操作人员了解设备状况，修改工艺参数、提供产量和原材料消耗的查询便于生产资料调度，同时以图形方式直观显示故障、报警信息；

3、出现故障时维修方便。在系统出现故障时，PLC控制系统能显示发生故障的具体位置及故障原因，从而大大提高了排除故障的效率；

4、机器备件无后顾之忧。由于PLC电控系统采用的都是国际上通用的软、硬件，因此便于工厂技术人员掌握，同时各个备品均可在国内选购。

5、具有数据采集与传输功能。由于采用了现场总线，新的控制系统能够很好地满足工厂自动化以及CIMS系统的信息集成要求，可实现底层设备单机控制、连机控制、通信连网、在线设备状态监测及现场设备运行、生产数据的采集、存储、统计等功能，保证现场设备高质量完成生产任务，并将现场设备生产及运行数据信息传送到工厂管理层，向工厂级MIS系统数据库提供数据；同时也可接受工厂管理层下达的生产管理及调度命令并执行之。 

三、改造内容、方法 

PROTOS70由VE供料部分、SE卷烟部分、MAX滤嘴接装等三个部分组成，其控制系统是由多个既相互独立又相互有关联的小控制系统组成，其功能相对集中，图1.1为其控制系统的分布示意图（顶端视图）。由图我们可以看出，原控制系统嵌入在整条生产线的内部，分布于生产线的四周，便于检查和维护。各部分控制系统之间的相互连线都从机器内部走线；众多的传感器和执行器不规则地分布于整条生产线的各个部位。各个控制柜（除放置电子控制卡的柜子）内部有空气开关、接触器、断路器和继电器等, 其中继电器大多是用来实现简单的逻辑功能（如连锁、互锁等），新的设计中只保留了极少数的继电器，控制逻辑由PLC来实现，去除继电器后多出来的空间用作放置PLC的子站点，PLC子站点主要包括通讯模块、输入输出模块和特殊功能模块等。

原控制系统嵌入到了机器内部，各个柜子均做了相应的通风、防尘等处理，但是随着时间的推移，柜子里面的灰尘还是越积越多，柜子内的温度始终维持在一个相对高的水平，控制系统中的电路板也没有做特别的防护。电路板终年在高温、多灰尘的环境下工作，加速了电子元件的老化，导致整个控制系统稳定性的降低。采用PLC控制系统时，我们将原控制系统的电子控制卡去除，其功能由PLC实现，PLC的中央处理器则放于新增加的一个控制柜内，这样有利于控制系统稳定性的提高。

原控制系统主要采用三种供电方式：1、主电源采用了TN－S三相五线制的交流配电：为变压器、主电机、风机、油泵、纸盘回转电机等提供电能；2、单相交流配电：由变压器输出的交流电压为各控制电路、钢印电机、纸张紧力控制电机，磨刀电机提供电能；3、直流电源配电：由变压器输出的交流电压，经电子箱的稳压电源卡向各电子箱内的各电子控制卡提供直流电能。原控制系统为了使各种不同的电子控制卡工作，分别根据电子控制卡的需要提供了不同的电源电压，从而整个系统中同时存在多种电压。改用新的PLC控制系统后，由于可以选择不同电压的PLC模块，并且各个模块都带有隔离保护装置，各个传感器和执行器的电源供给电压得到了统一，故设计的PLC控制系统主要采用220VAC、110VAC、24VAC和24VDC几种电压就可以满足需求，直流电压直接通过开关电源取得，去除了稳压电源卡，提高了电源的稳定性。在设计新的供电系统时我们借鉴了原供电系统的基本结构，原有的空气开关、接触器、断路器等得到了保留，其安装位置也基本上保持不变。

主驱动器、SRM烟条重量控制系统等单元可换用大树公司生产的成熟产品，以彻底解决备件供应问题。常用开关操作方式保留，生产操作习惯保留，IT80显示器换成液晶TFT显示，薄膜键盘换成软件触摸式。因此改造以后的显示单元外形将变得轻巧美观，操作工不易视力疲劳，更具人性化。 

四、技术特点 

下面对本方案中涉及到的几项关键技术作简要介绍，详细内容请参阅相关资料或向大树智能科技（南京）有限公司咨询。 

（1） 现场总线技术 

现场总线技术本质上是一种计算机本地网络连接技术，一般采用小型令牌环网方式以保证固定的访问延时。它正在被越来越多的引入工业控制中，目的是解决工业现场众多设备信号的实时和集中传递问题，各大公司相继推出各自的总线标准和产品，如西门子的PROFIBUS,菲尼克斯的INTERTUS等，各自有自己的优缺点且互不兼容，基本上都能满足大部分的工业控制要求，它们多数都是采用双绞线作物理层传输介质。本方案中即可采用的是西门子的PROFIBUS总线，也可采用菲尼克斯的INTERTUS总线。西门子的PROFIBUS总线是面向I/O的国际标准总线，其恒定的500Kbit/S传输速率，集总帧的数据传输方式，保证了数据传输的可靠性，使得控制系统与现场I/O设备之间的数据交换具有很高的实时性，是国际上公认的高速总线。PROFIBUS具有强大的总线组态、监控、故障诊断功能，在总线控制板、现场I/O设备以及 GMD软件上都能对每一个总线设备的状况进行监控，对故障的诊断块，从而极大地提高了控制系统的易维护性和可靠性。INTERBUS总线是德国Phoenix Contact公司推出的现场总线产品，是一种经济、简单、开放的传感器执行器总线。主要用于生产现场设备与PLC控制系统之间的互联，构建具有较高实时性要求的工业现场控制网络，它是一种广泛应用于制造业和机器加工业等各种领域的工业局域网。 

（2）国产化SRM重量控制系统 

采用大树公司研制开发的SRM重量控制系统替换现在的重量控制系统。检测装置可以选择保留原机的核扫描器或者选择新一代微波检测装置。我公司研制的SRM重量控制系统从硬件、软件设计两个方面保证与整机改造相一致。硬件上采用通用板卡，用液晶触摸屏替换原机的IT80显示器，将整机的主态显示与SRM各报表显示集于一体。软件上是自己开发的具有自主版权的控制软件，安装上用选用德国原装HARTING接插件，直接匹配原有PROTOS70/90卷烟机组信号接插件。具有以下特点：

在计算烟支重量、采集各项数据进行报表显示、跟踪并剔除所检测到的不合格烟支等功能方面与原SRM90电控系统具有较好的一致性；

新的重量控制算法明显改善了控制过程中削丝盘调节的超调和震荡现象，大幅度提高了烟支的重量控制精度，现场成品烟支的大量取样结果表明单支烟重量的离散性较原系统有较大的改善，其100支香烟的均值偏差小于±10毫克，1000支香烟长期标准偏差小于7毫克。

部分报表的功能可以根据不同烟厂的具体情况作相应的软件调整，并可增加新的报表内容。 

（3） 液晶触摸屏显示技术 

液晶触摸屏显示技术已经是一项比较成熟的显示交互技术了，常用它替代老式的CRT显示和键盘输入，能大大减轻重量和缩小外形体积。由于原机都采用IT80终端显示，该显示器仅显示原SRM有关数据及报表，同时，由于老化的原因，目前显示质量比较差，有屏闪、聚焦不良、晃动等问题，也比较笨重，用液晶触摸屏代替后能起到明显的改善作用，并且新增有关整机的参数设置，产耗分析、故障信息报警定位等功能。

五、技术优势 

大树智能科技（南京）有限公司多年前就开始关注PROTOS卷接机的电控系统改造，并投入核心技术力量前往多家烟厂进行

    PLC基于CPLD的结构，它具有与PLC相同的输人输出电路，但控制器的核心采用CPLD芯片，用来实现对输人输出信号的逻辑控制，取代了PLC

中的微处理器、存储器及控制程序。

    输人接口电路的作用是将各种现场输人信号转换为巧V的逻辑信号，经过光电隔离送给CPLD处理。输出接口电路的作用是将CPLD的输出控制信号经过光电隔离和驱动，以继电器方式或晶体管方式提供给系统的执行电路。

    4、PLC基于CPLD系统的设计方法

    用CPLD设计可编程逻辑控制系统的流程如图1所示。

    用VHDL语言或逻辑原理图实现PLC控制系统中阶梯图的功能，这一工作可用集成软件开发完成，如xilinx公司的Xilinx Foundation、Lattice公司的Latieis PEXPERT、A工TERA公司的MAX+PLUSll和Quartusll等。

    首先根据系统逻辑控制功能的需要进行设计输人，实现类似PLC阶梯图的功能。可采用两种设计输人方法:逻辑原理图法和VHDL语言编程法。逻辑原理图法是一种图形输人方法，具有直观易懂的特点。当设计的系统较为复杂时，可采用层次化设计，使用十分方便。使用中可直接调用许多现成的库元件，用户还可以向库中自主加入新元件。VHDL语言编程法具有多层次描述系统硬件功能的能力，具有丰富的库函数和仿真语句，可随时对设计进行仿真模拟，在设计早期就能查验设计的功能可行性。设计输人完成后，可进行仿真，检验设计系统的功能和时序，确保设计的正确性和可靠性。

    设计校验过程包括仿真和定时分析，项目编译后，为确保设计无误，要再用专用软件进行仿真，如果发现了错误，则应对设计输人进行部分修改直至无误。

    通过编程器将编译器生成的编程文件编程或配置到AlteraCPLD器件中，然后加人实际激励信号进行测试，检查是否达到了设计要求。

    5、设计例子

    下面以一个最简单的例子说明具体的设计方法。本例中，描述逻辑控制功能的阶梯图如图2所示。

    其中:XI、XZ为启动信号，Yl为输出控制信号，Xl、XZ、Yl都是高电平有效;reset为CPLD芯片的上电复位信号，低电平有效。采用

VllDL语言编程如下:

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;

    微秒级的输出响应时间相比具有显著优势。统控制中。用速度等级更高的CPLD芯片，则可进一步扩大速度。

    结果表明，CPLD可以很好的应用于PLC的设计中，基于CPLD的PLC系统具有响应速度快、实时性好等优势，可应用于对实时性要求很高的系仿真以上程序