第十一届全国微波能应用技术研讨会论文   作者：  南京汇研微波系统工程有限公司  崔军

关键词：PLC,HMI,组态软件，工业微波，RS-232与RS-485通讯。

绪   论

随着计算机技术的飞速发展，工业自动化技术日新月异，更新换代的周期越来越短，因而要求作为企业的工程技术人员对于新技术的不断学习与应用直接关系到企业的竞争力，企业的后劲与发展。

本文总结了在微波工业设备上的一些相关的控制技术，作为抛砖引玉。

本文主要从以下几个方面介绍：

1. 建立底层的坚固的控制平台。

讲述PLC在微波设备中的相关应用。

2.基于PLC的多种控制及相关的应用。

HMI人机界面，VB编程的应用。

3. 利用工控机作为上位机的控制及相关的应用。

引入组态软件的控制方式。

第一章、 建立坚固的底层控制平台

要想得到良好得控制效果，首先必须建立坚固的底层控制平台，这是最首要的问题，不能够解决这一问题那我们所作的任何控制都将是建立在沙丘上的宫殿。

而坚固的底层平台必须具备以下几个方面的特性：

1．抗干扰性

2．高稳定性

3．高可靠性

4．开放性

5．独立性

6．一定的智能性

微波设备由于它本身可能产生一些相关的电磁干扰信号，故而在微波设备中抗干扰性尤为重要，而高稳定性与可靠性主要表现在现今的用户对于微波设备的使用时间与使用要求越来越高，为满足用户不断提高的要求，我们也同时必须对设备性能进行改进；对于开放性指的是提供与其相关的控制元件或系统的接口；独立性表现于其底层控制自成系统，当相关上层的控制出现问题的时候，它能够自由调度底层相关的资源，使底层控制不至于瘫痪；智能性表示了它必须拥有基础的运算与逻辑判断能力。

由于上述原因微波设备的底层控制一般采用可编程控制器（PLC）作为中心控制元件，同时采用PLC各采样模块（如图一）。

在PLC的内部由设计人员根据用户或设计要求编制了过程控制的程序，程序包括控制处理采集的数据、逻辑的判断、驱动外围控制、功能的实现等。

PLC程序的编制一般采用梯形图的形式如图二。

（图二）

下面以我公司设计生产的化工炉为例，简述一下利用PLC与相关模块进行控制的原理。其控制框图见图三。

该设备的功能简介：

1．设备微波输出功率0～700W连续可调。

2． 分九段加热区域。

3．每段加热区域里，功率同时受设定功率与段内设定温度的控制，也即本机工作时控制原则以温度优先。

（图四）

用户要求升温过程分段受控，也就是不可一步到位式的加功率，升温的过程必须是缓慢的否则将影响到产品质量，由图三我们可以看出，通过红外非接触式测温装置测定物料的即时温度，并将温度信号变送给PLC的相关AD采样模块，再经过PLC将此采样值与用户通过触摸屏所设定的值进行比较，当温度达到设定值下的一个阕值的时候，PLC通过DA转换模块将功率转低进入保温运行模式，完全达到设定值的时候才停止功率的输出，当温度低于设定值下的那个阕值的时候又自动以用户设定的功率开始进行加热。

图四中显示了物料在九段均等时间下的升温曲线。系列1（深色线条）是采用分段控制后得到的温度曲线，系列2（浅色线条）是采用普通加热方式加热后得到的升温曲线。两者对比后系列1中的加热方式更贴近用户的要求。

该机的实物图片如左，通过在实践中使用用户给出了满意的答复。正是由于采用了此手段来进行的控制，因而大大提高了控制精度，同时也创建了一个更合理的用户界面，使用户的要求得到了满足。

以上仅仅是从一个侧面表述了PLC在过程控制中的优点，其实它还有许多等着我们去应用的功能。

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第二章  基于PLC的多种控制及相关的应用

上面通过描述一台化工炉简单的控制系统应用实例，表述了要想得到优秀的控制方法或手段，必须打好牢固的基础。

在有了这一相对稳定的控制平台的后，可通过开发PLC的潜在功能来实现更友好、更实用、更经济的控制实现。

1．HMI人机界面的应用

人机界面实际是PLC厂家开发生产的一种可实现一定程度的人机对话触摸屏，它具有显示PLC内部数据，实现将以往的各控制按钮简化为屏幕触摸设定，以及一定的数据挖掘功能。

以下是在我公司橡胶硫化设备上实现的控制方案图。

（图六）

该设备分为一节微波段，两节热风段，以及两个牵引机等，我们必须将微波功率控制，三段热风控制，五台电机控制等整合到一个控制终端上。正是由于在该套设备里相关的量比较多，控制也较复杂，故而将人机界面引入到系统中来，用以实现用户与底层控制信息的交互。

在实际设计中，应关注驱动电动机的方法，在此套设备中采用的是变频器控制传动电机，则选择采用PLC标准端口上配接RS－485通讯板的方法，用PLC作为上位机进行与5台变频器的通讯。这样即节省了控制开支，同时也符合控制的科学与稳定性。（在这一过程中必须要得到的就是所用变频器通讯的相关协议与设置等）

关于变频器的通讯可看下图（图七）。

（图七）

由于使用了人机界面的显示与操作方式，不但减少了控制面板的面积，同时也使得控制过程中如出现异常则以对话框的形式来提示操作者就如下图。

（图八）

人机界面在完成指示与控制的同时，高档的还具有分析数据的功能，可建立实时与历史数据表格，便于用户在实际使用设备的过程中辅助摸索工艺及修改参数。

我们知道日本企业的发展，很大程度上来自于他们先进的管理方法，而这一方法包含了全面质量管理，精益生产，实时存货管理等等。其中精益生产的精髓就是按单制造、不断改进。而我国企业要想发展也就必须遵循这一科学的方式。因而我们作为生产制造设备的企业或开发生产设备的设计者，在我们的设计理念中也必须贯穿这样的思想，才能走在购买我们设备用户的前面。

因此我们必须使得我们生产的设备具有一定的柔性，也就是说更加适应小批次的生产模式，同时也必须具有长时间工作的能力，更重要的是在每套设备的基础上尽可能的实现能与其他工业设备的相关标准接口。只有这样，才能促进微波设备的多领域应用。

人机界面的应用可以在很大程度上实现上述的功能，尽管它还有许多弱点，但它简单可靠，并且适应电气与PLC程序设计人员的思路，因而得到了广泛的应用。

2.利用Microsoft Visual Basic 6.0开发基于PC的控制系统用于取代人机界面

上面谈到了人机界面的应用，但人机界面的价格相对较贵，例如一个10”触摸屏的价格一般都在一万元以上，如果在使用中还应用了声音、照片、动态摄像等等则价格更是不菲。

有没有一种其他的手段来取代人机界面的实现呢？回答是肯定的。这里介绍我所应用的其中一种实现方案：通过计算机作为上位显示与控制的人机界面方式。

它的实现有两种：其一为使用相关的PC内开关量与模拟量板卡来实现构筑控制系统的方法，其二为通过相关的通讯协议来实现PC与PLC的通讯，PC发送控制命令，PLC响应并回复的方式。以上两种控制方法可见下面的图九、图十。

        

图九                                   图十

上面两种方法各有优缺点，但目前由于网络带宽的大幅提速，已使得后一种方法大有取代第一种的态势，后一种方法在系统集成上显示了强大的实力。

第一种方法却由于它具有即时性仍旧被应用于实时控制系统。我公司曾利用此方法开发了微波热疗机。

  

图十一

以相关板卡进行构筑控制系统的硬件部分必须稳定可靠，软件部分可采用Microsoft 的Visual Basic 6.0来开发，因为，VB6较简单比较容易令电气控制人员上手，可使用微软在该软件中配置的相关控件参与编程，可缩短程序开发周期。

具体在程序编制中一般的流程为：

建立基础界面――>将界面的按钮与控件进行链接用以实现各项功能，――>通过声明调用板卡的.DLL动态链接库将各项控制的具体数据传递给板卡，同时也将板卡采集的数据存入计算机进行处理，――>底层的实现就是将板卡的控制数据变为各种物理动作，同时也将各项物理动作采集进入板卡寄存器。

第二种方法为通过各种通讯协议进行各项控制与数据传递。网络可分为高速网与低速网。一般单台次设备的控制均采用低速网络。

PC与PLC的低速网络可有如下几种：

1.通过多芯屏蔽线 实现RS－232C的通讯。

该方式为点对点的通讯，也就是说一个RS－232C口对应一个通讯设备，并且一般传输距离为<25米。

2.通过双绞线实现RS－485的通讯。

实现一对多的传输与控制，并由于RS－485的差动传输方式，具有了一定的现场抗干扰性，

传输距离最大可达到500米（若采用有关模块可再增大传输距离达到1500米）。

3.通过现场总线（Fieldbus）传输数据。

实现一对多的传输控制，其传输距离大于RS-485方式，具体长度因采用的模块不同而有所区别。

下面重点讲述PC与PLC通讯的方式。见图十二

     

图十二

图中1、2、3表示的是通讯次序，首先由PC往PLC发送1询问命令（ENQ），然后PLC接受到该命令后应答PC（STX），最后由PC确认PLC回传的应答命令3（ACK）。

信号	ASCII码（16进制）	描述
STX	02H	文本起点
ETX	03H	文本终点
EOT	04H	传送结束
ENQ	05H	询问
ACK	06H	确认
LF	0AH	换行
CL	0CH	清除
CR	0DH	回车
NAK	15H	不确认

表1

一般通讯使用到的命令与特殊字符如表1：

具体的通讯格式由各PLC型号不同而可能有一定区别，但一般过程和原理却是相同的。

一般微波设备用到的控制量并不是很多，同时目前的使用用户一般还没有条件整合自己的整条生产线和流程工艺，因而一般可使用RS－232C的通讯形式PC与PLC连接，并实现控制，用以达到替代昂贵的人机界面的目的，同时由于计算机拥有相当强的计算能力，从而可使得控制的界面更加美观，数据分析与数据挖掘的各种算法的配合使用更合理更完善。

在软件编程上首先我们选择微软公司的windows2000操作系统因为它具有无可比拟的稳定性和极强的管理功能，是工业控制中首选的操作系统。

在程序编制上选择Microsoft Visual Basic 6.0来作为开发软件。

在VB开发过程中设计思路为利用VB中的Mscom控件（当然也同样可以使用Windows2000下的API串口调用函数）对计算机的串口进行操作，具体的实现是根据PLC定义的通讯协议来设置串口的各项参数如表二。

（表二）

通讯的具体实现为建立巡检机制，不断读出PLC内的状态用以及时显示在CRT上供操作人员了解，及时的数据同时又有利于计算机做出迅速的响应，当计算机响应并操作动作的通讯命令的发送时必须停止巡检信号，以免造成通讯冲突与错误，当PC发送完控制信号的时候，再次恢复巡检模式。

数据采集进入计算机后，就得对它进行恰当的处理，引入适当的计算将实时数据转换为用户可以识别的数据显示，并将数据录入数据库内以便生成相关的数据分析表格和趋势等，同时可以利用数据库产生追溯表格和曲线等，建立与设备相关的报警信号和报警界面，以及等等一些你想让你的用户得到的各项功能。

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第三章  利用工控机作为上位机的控制及相关的应用

前面通过VB编制自己的控制系统，但自己编制的控制软件却会因为人员的因素，造成控制系统的维护非常昂贵。因为每一个控制系统的软件由不同的程序员编制，他们的代码编制是否规范，注释是否全面，以及人员是否还在原岗位等等问题，都会出现。以上这些就是软件危机的一个表现方面。为了解决这一问题，我们可以采用模块式的开发方式，并统一编制规范等方式来实现，但面对复杂控制系统的时候好像设备生产组织就有点力不从心了，为了达到构建控制系统的目的一般采用组态软件开发的形式来实现。

组态软件，为工业自动化开辟了广阔的发展空间，用户可以方便快捷地组建优质高效的监控系统，并且通过采用远程监控及诊断、双机热备等先进技术，使系统更加安全可靠。

我公司开发生产的HYWY20L－8型20KW电源支持集散控制系统（DCS），以此电源为基础，在此电源的基础上使用上位工业控制计算机＋组态软件＋采集前端的形式构建了一台上位机对12台HYWY20L－8型电源的远程控制。

（图十三）是DCS控制示意图

在系统中运用的组态软件为iFix如右图。在本控制系统中实现的控制功能：

数据总表、分类表：可以将所有的采集数据以物理量表格的形式显示，并可以将超过设定值的数值利用颜色、闪烁、声音报警，提醒工作人员及时处理和调整。
工艺流程图：可以显示设备的立体图、动态图和平面示意图；利用不同颜色显示状态、各类设备上的运行参数、越限报警，提醒工作人员处理和调整。
电气主接线图: 用电气符号绘制出整个系统电气主接线图，同时显示各个部位的参数。
实时趋势图: 用实时曲线显示所有参数的半个小时之内的趋势。
历史趋势图: 显示任意历史时刻所有参数的历史趋势。
成组画面显示: 将相关画面及参数组合显示，以利于分析、比较、判断。
扩展功能: 在系统中需增加测点、前端、子站、图像系统和其它数据信息，以及网络上增加不同形式的计算机时，具有平滑扩充，无缝扩容的功能。
安全保障功能: 系统的用户分为普通操作人员和系统管理员，普通操作人员只能监视系统画面，不能进行其他的操作。这样就提高了系统的安全性，防止了对系统的误操作。而系统管理员可以用密码登录系统，登录后，可以进行一系列的相关操作，如修改画面，运行其他程序，排除故障等。 
帮助功能: 强大的联机帮助功能，在任何画面点查‘帮助’按钮时，可获得详细的操作帮助说明。

以上九个方面已足以彰显组态软件控制的强大功能，当然还有本文中没有列举的功能。

结束语

本文总结了相关控制方法应用于设备设计开发实践的一些经验，并在一定程度上归纳了应用于微波设备上控制手段的几个层面。本着发展微波事业的宗旨，希望能对同道有点帮助，并希望先学前辈能批评指正。

最后，祝愿微波应用技术随现代科技一起蓬勃发展！

参考文献：

《多级分布式控制与集散系统》                                      吴锡祺  何镇湖

《三菱PLC编程手册》                                               日本三菱株式会社

MCGS组态软件帮助手册                                             昆仑通态

《Visual Basic与RS－232串行通信控制》（最新版）                   范逸之 陈立元

微软的MSDN                                                       微软公司