摘 要:针对气相色谱液体自动进样器系统的应用需求,提出一种基于嵌入式可编程逻辑控制器(PLC)的系统解决方案。该方案利用嵌入式PLC实现上、下位计算机之间的指令和数据交换,以及多个高精度步进电机的行程顺序控制,给出了自动进样器系统的硬件和软件设计方案,重点论述了嵌入式PLC和上位机之间的通信协议和步进电机顺序控制的设计方法和系统实现。在满足系统精度要求的条件下,该方案大幅度提升了系统在工业环境中工作的可靠性。
可编程序逻辑控制器(PLC)具有工作可靠、编程简单、使用方便、设计和调试周期短的优点,在工业过程控制中已获得了广泛的应用。其中多样品位置的连续自动进样装置,在气相 色谱仪的研制中受到越来越多的重视。
本文针对气相色谱仪的液体样本自动进样子系统,基于嵌入式可编程逻辑控制器,从系统硬件和软件设计两个方面讨论系统的设计和实现方法,包括进样器子系统的功能需求分析; PLC与上下位控制计算机的通信协议设计;时序逻辑控制指令的执行和步进电机的行程控制等。通过对样机的运行情况和实验数据的分析,表明应用嵌入式PLC作为气相色谱仪自动进样子系统的核心CPU,可以大幅度提高仪器的分析精度和自动化程度,简化控制系统的设计,节省成本,提高运行效率和系统的可靠性。
1 气相色谱仪自动进样子系统的方案设计及工作流程
气相色谱仪自动进样子系统包括上、下位控制计算机两大部分。上位控制计算机采用基于VisualC++的多线程方法实现速率可变的串行通信。下位机系统内核采用PLC构成嵌入式通信与控制单元。该嵌入式单元的控制策略主要是完成上、下位机之间的通信以及系统定时,脉冲形成等逻辑控制功能。由于PLC具有工作可靠、编程简单、使用方便、设计和调试周 期短等诸多优点,因此,采用基于可编程逻辑控制器(PLC)的嵌入式顺序控制方案与现有的控制方案比较具有突出的特点。自动进样器的典型动作流程如下:上位控制计算机发送样品瓶号指令和参数到嵌入式PLC, PLC产生样品瓶号位置的控制信号,底盘步进电机控制样品底盘转动使得样品瓶位于注射器针头的正下方,完成指定样品瓶的基本定位;之后PLC按照预置参数控制滑车下降,直至注射针头插入样品瓶中间位置。
当注射器针头到位后, PLC发出指令控制活塞上升将规定剂量的样品抽入注射器内,之后滑车和底盘依次复位。最后, PLC控制滑车下降到注射位置,使得注射器的针头插入进样口内, 控制注射器的活塞下降将采集的试剂注射到进样口,滑车上升到初始位置,采样过程结束。完成连续液体进样过程,控制器连续发出样品瓶序号递增控制信号,系统多次重复单次进样的工作步骤。
自动液体进样器完成样品:抽提→进样→洗针→进样的循环操作。操作顺序可通过软件编程进行改变。
除此之外,按需求分析系统还需要设计和实现注射器和试剂瓶的重复清洗过程与限位保护、程序中断、清零和复位等功能。
2 系统硬件设计
2·1 PLC选型
系统设计应该根据系统的功能需求以及成本等因素综合考虑PLC的选型。本系统设计综合各方面因素,选择西门子公司的Simatic7226XM PLC。
表1为Simatic7226XM PLC所包括的硬件资源。
2·2 硬件资源分配
系统的硬件资源分配包括I/O端口分配和其他资源分配。表2为Simatic7226XM I/O端口的分配情况。
2·3 硬件设计的体系结构
气相色谱液体自动进样器的控制系统由三部分组成,即嵌入式CPU模块、步进电机驱动模块和直流电机驱动模块。其中,嵌入式CPU模块主要接收来自上位PC机端的指令、驱动执行部件完成预设的采样过程、查询执行部件的执行情况并将执行结果反馈到上位PC机端。整个控制模块的核心是嵌入式CPU模块。
步进电机驱动模块和直流电机驱动模块的控制原理类似,在此不再赘述。
另外,在系统的体系结构设计中通过调用CPU模块中的高速计数器(HSC1)实现了对编码器的脉冲计数,通过调用CPU中的高速脉冲输出(PLS0, PLS1)实现了系统的两路独立脉冲输出。
3 系统软件设计
在可编程控制器中有多种程序设计语言,它们是梯形图语言、布尔助记符语言、功能表图语言、功能模块图语言及结构化语句描述语言等。
通过对自动进样器系统的软件设计的功能需求分析以及诸多因素的综合考虑,本系统设计采用梯形图法进行系统的软件设计开发。
3·1 系统的软件组成
系统的软件包括上位控制PC机端的控制软件和PLC端的执行软件。其中PLC端的软件组成和设计如下。
3·1·1 串口通信部分
系统采用基于RS2232标准的串口通信协议实现上位控制PC机和PLC之间的双工通信。具体的物理层参数为9 600bps, 1位停止位,奇校验。上位PC机为通信的主设备,负责发送控制指令; PLC为从设备,负责响应PC机发送的控制指令并根据执行情况发送执行反馈。每条控制指令包括三个字段,即起始段、控制命令字字段和控制参数字段。每条执行反馈也包括两个字段,即起始段和执行结果。
(1)控制指令
起始段(00H)。表示一个新的控制指令的开始。控制命令字字段。该字段长度为1字节,表示要求PLC执行的动作。参数字段(3字节)。每个字节代表一个独立的控制参数,根据命令字的不同参数的意义也有所不同。若不需要使用某个参数时,将相应字节设置为FFH, PLC就会忽略该参数。后两个字段不能为全“零”,否则程序会认为是一个新的控制指令开始。
(2)执行反馈
起始段(00H)。表示一个新的执行反馈的开始。执行结果(1字节)。FFH,表示上一个指令成功地执行完毕;否则表示上一个指令执行异常,根据命令字和执行异常的种类的不同该字段的数值也有所不同。该字段不能为全零,否则程序会认为是一个新的执行反馈开始。
3·1·2 执行控制部分
该部分程序根据串口通信部分接收的命令字和参数控制各执行部件完成指定动作。该部分主要功能是产生控制两个步进电机和一个直流电机逻辑动作的各种信号,根据编码器的反馈信号判断电机运动是否正常,并修改相应的系统状态寄存器。
3·2 步进电机的控制程序设计
在实际应用环境中,液体自动进样器系统的控制系统必须产生控制信号驱动步进电机完成指定的逻辑动作,根据反馈的信号进行闭环控制与响应外部事件。其中步进电机控制系统的原理框图如图1所示。
步进电机的控制程序设计主要涉及以下子程序的设计:
(1)脉冲生成子程序
为了使电机运动平稳,输出扭矩均匀,必须对电机的转速进行精确控制。设计中通过改变输出脉冲的频率可以达到上述目的。为此脉冲生成子程序采用了多段式脉冲输出方式。子程序包括两组参数,第一组参数MAX_SPEED, SS_SPEED表示电机运行的最高和最低速度;第二组参数ACCEL_TIME,DECEL_TIME分别表示加速和减速过程持续的时间。参数与电机动作的关系如图2所示。
上述参数必须保证电机在最大和最小转速时刻都能够输出足够的扭矩。另外该子程序还包括一个可选参数JERG_TIME。默认情况下此参数为ACCEL_TIME的40%,选择此参数可以将上述脉冲输出过程转变为无频率突变的过程,该种控制方法也称为S2曲线法。参数与电机动作的关系如图3所示。采用S2曲线法可以进一步改善电机动作的稳定性。
(2)反馈控制子程序
反馈控制信号由两部分组成,即光电编码器信号和参考定位信号。在具体设计中利用PLC的高速计数功能(正交计数)完成对光电编码器信号的计数。参考定位信号代表一组预先设定好的系统绝对位置,如运动的起始点/终止点,速度的最大值点/最小值点等。这些信号可以通过各种传感装置,如霍尔器件等来获得。经过综合各方面设计考虑,最终采用一组霍尔器件标定自动进样器系统执行装置的绝对位置,作为电机位置的状态参量。程序中分别使用状态变量RP1~RP5对应相应的霍尔器件。其中RP1和RP5还代表电机运动位置的上界(LIM+)和下界(LIM2)。反馈控制子程序则根据系统的反馈信号正确指引电机动作到位。其在LIM+和LIM2处的控制过程分别如图4所示。上述电机的控制也可以采用西门子公司的专用扩展模块实现。
(3)外部事件响应子程序
自动进样器系统的设计需要根据具体的应用需求进行专门设计,限于篇幅在此不再赘述。为了满足控制精度要求,在系统的设计中采用了反馈控制,反馈信号包括光电编码器的信号和微动开关的信号。
4讨论
本文给出了基于嵌入式PLC的气相色谱液体自动进样器系统功能实现的设计方案,分析了自动进样器系统的基本工作原理和程序设计的流程。其中重点是上下位机通信协议的设计和实现以及多个步进电机的精确协同控制。目前,研制的气相色谱12样品位的液体自动进样系统在美国HP25890气相色谱仪上得到了成功的应用,取得了良好的效果。
参考文献:
[1]张建文,徐琼,冯林. PLC控制系统工作方式的分析和研究[J].华东地质大学学报, 2003, 26(3): 2982300.
[2]刘晓玲,方彦军,李京丽.基于Modbus的PLC与多台电量智能仪表的通信研究[J].工业仪表与自动化装置, 2003, (1): 24225.
[3]西门子(中国)有限公司. S72200可编程序控制器系统手册[R].
作者简介:
梁作宇,男,硕士;张延华(19602),男,陕西陇县人,教授,硕士,主要研究方向为无线通信、视频传输可视化仿真技术;姜振宇,男,硕士。
