基于PLC和M2M的智能控制器设计

0引言

制造物联是对制造资源信息与产品信息的动态感知、智能处理与优化控制的一种新型制造模式和信息服务模式，是通过将RFID，M2M为代表的物联网技术、先进制造技术与现代管理技术集成应用，构建服务于供应链、制造过程、物流配送、售后服务、再制造等产品各生命周期阶段的基础性、开放性网络系统。将推动制造业向全球化信息化、智能化、绿色化方向发展。

M2M是制造物联的基础之一，其中M可以是人(Man)，也可以是机器(Machine)，M2M泛指人、机器之间建立连接的所有技术和手段，旨在通过通信技术将机器之间通信、机器控制通信、人机交互通信、移动互联通信等不同类型的通信技术有机结合在一起。在现有的许多大型工程装备类行业，通常采用可编程逻辑控制器(PLC)作为设备的控制系统。

现有性能可靠、安全性高的PLC产品几乎都被国外企业所垄断，成本较高。并且由于PLC制造商之间存在竞争，不同制造商生产的PLC产品采用的通讯协议不同，之间无法进行直接通讯，因此要想与自身原有的PLC网络兼容，必须购买具有相同品牌PLC的工程装备，选择受到限制。

此外，传统的PLC产品并不能直接接入互联网，要想将设备的PLC接入网络，并将设备数据发送至设备制造商实现实时分析、实时预警、故障在线诊断，则必须将PLC通过网络模块接入到企业的局域网中，然后通过VPN的形式才能将数据送回至设备制造商，且传回的数据必须通过WinCC等特定的组态软件进行读取接收，此类软件知识产权固有，无法进行任意地改造开发，极大地增加了维护成本;同时传回的数据无法与企业自身的信息化系统进行数据的互联互通，导致形成信息孤岛;由于PLC的数据传输属于窄带宽即时传输，无法传输现场的视频等数据量较大的信息，传回的数据也不足以判断造成故障的原因。因此这种做法不仅造价极高，而且很难实现预期效果、满足制造物联的需求。

由于传统PLC产品存在上述问题并且很难进行改造，通常采用工业PC与PLC结合或者单片机控制器进行控制。单片机控制器之间无法进行设备互联以及与互联网的通信，同时无法实现控制结果的人机界面反馈以及故障诊断、报警等功能，而工业PC由于具有强大的数据通信、数据处理功能，可以处理比较复杂的运算过程，在Windows下可以使用如VC++，VB等可视化编程语言开发良好的人机界面，可以方便地监视和处理控制过程，因而工业PC+PLC的工业控制系统在国内外已经广泛的应用于离散和连续的过程控制中。综合以上特性，本文选择工业PC与PLC结合的方式，设计了一种智能控制器，替代通用的PLC产品，对制造现场的设备进行智能调节和控制，并可与不同通讯协议的PLC设备进行通讯，可接入互联网、局域网实现产品功能的在线服务。打破了国外产品对PLC行业的长期垄断，自主研发并大大降低了产品成本。

1智能控制器应用架构

本文设计的智能控制器应用架构如图1所示。

图1 智能控制器应用架构图

此应用架构共分为三层：感知层、控制层和应用层。其中，感知层包括传感器、阀门、仪表、RFID等信息采集设备，控制层包括不同种类的控制器，本文设计的智能控制器就在这一层，其主要功能包括故障检测、故障报警、应急处理、状态查询等，应用层包含设备运营平台，主要包括用户管理、计量计费、商务营销、资源管理、安全认证等功能模块。

本文设计的智能控制器使用嵌入式A/D、D/A转换器将被控设备上仪表、传感器的模拟信号(电压或是电流的形式)转换成数字信号供控制系统识别，同时将控制系统的数字信号转换成被控设备上仪表、传感器可以识别的模拟信号控制设备运行状态，从而实现控制层与感知层的互联。

对于控制层中不同PLC产品的连接问题，智能控制器集成了自适应PLC网络通信模块，通过自适应PLC网络通讯技术，将复杂的现场总线通讯接口，抽象成单一通讯接口，在接口上使用自适应现场总线通讯协议，根据外部通讯接口的变化自动匹配与之相对应的现场总线协议，打通多现场总线间的通讯壁垒，做到不同控制器之间的无缝连接，实现控制层的内部通信。

智能控制器集成的网络通讯模组，提供GPRS/3G通讯模块支持控制器数据在线移动通讯;提供WiFi模块，可以通过WiFi接入到局域网。支持标准以太网通讯、WiFi通讯、GPRS通讯、3G通讯，保证控制器数据可以实时传输到网络中，实现控制层和应用层的连接。

2智能控制器设计方案

2.1智能控制器设计结构图

本文设计的智能控制器设计结构图如图2所示。

图2 智能控制器设计结构图

该智能控制器以嵌入式主板为基础，嵌入式主板为嵌入式X86主板、嵌入式ARM主板或其他具有类