基于PLC和M2M的智能控制器设计

(2)高级PID控制器算法的实现。PID控制器是一个在工业控制应用中常见的反馈回路部件，其核心算法由比例单元P、积分单元I和微分单元D组成[11]，通过对，和进行参数设定，来适用于基本线性和动态特性不随时间变化的系统，通过配置可用于温度、压力、流量等参数的单回路控制方案[12]。PID控制器算法有三种，分别为增量式算法、位置式算法和微分先行[13]。

传统的控制系统如PLC中，通常会集成PID控制算法函数，供控制功能开发人员调用，对温度、压力、功率等模拟量参数进行调整，但不同品牌的PLC集成的PID控制算法各不相同，且作为核心算法固化在PLC控制器内部，设计人员无法选择或更改，这就要求在控制系统的设计过程中针对不同类型的控制需求来选择使用不同品牌的PLC控制器，且一旦选定后将无法更改，这给系统的设计、开发，后期的维护带来很多的麻烦。

本智能控制器根据三种PID算法的不同特点，通过设定参数的方式让系统设计人员在系统设计及后期维护过程中灵活选择，而不影响系统已有的控制功能。

2.2.2嵌入式A/D、D/A转换器应用

A/D、D/A转换器是控制器与被控设备之间数据传输的纽带，其性能指标主要通过取样与保持、量化与编码、分辨率、转换误差、转换时间、绝对精准度、相对精准度等几个指标来衡量，传统的PLC控制系统中的A/D、D/A转换器受其自身和外部条件限制，在抗干扰能力上比较差，在强电压、高电磁干扰的信号源的采样上容易出现“毛刺”或电源纹波，降低了信号的分辨率和精准度，使得在一些对信号精度要求高的自控设备上无法达到控制要求。

本文设计的智能控制器通过对嵌入式A/D、D/A转换设计技术、多值A/D转换器及数字滤波器技术的研究，在降低A/D、D/A转换器体积和功耗的情况下，采用数字滤波算法增强A/D、D/A转换器的抗干扰能力，提高信号转换的分辨率和精准度。

2.2.3自适应PLC网络通讯模块的设计

本控制器集成的自适应PLC通讯模块，包括与嵌入式主板匹配的标准通讯口、与各种PLC设备匹配的多种通讯口，如PCI，RJ45，RS 232，RS 485等通讯接口及各种PLC通讯协议。嵌入式主板通过标准通讯口与自适应PLC通讯模块上的标准通讯口进行通讯，自适应PLC通讯模块可选用各种通讯口与不同的PLC设备进行通讯。当自适应PLC通讯模块与PLC设备进行通讯时，如果PLC设备支持RJ45，RS 232，RS 485通讯接口则优先选用，否则，则选用PCI通讯口，通过扩展PLC通讯卡与这些PLC设备进行通讯。其中PLC通讯卡可根据与之进行通讯的PLC设备进行选择，如与西门子系列PLC设备进行通讯时，可选用西门子品牌的通讯卡。

该自适应PLC通讯模块具有协议自动匹配功能，可根据与之通讯的PLC设备的通讯协议，自动进行协议匹配，建立通讯连接。模块结构图如3所示。

图3 PID控制器原理图

(1)多工业现场总线自适应技术实现。目前世界上存在着大约40余种现场总线，虽然早在1984年国际电工技术委员会/国际标准协会(IEC /ISA)就开始着手制定现场总线的标准，但由于各个国家各个公司的利益之争，所以至今统一的标准仍未完成。很多公司也推出其各自的现场总线技术，但彼此的开放性和互操作性还难以统一。这种现象的存在使得通用控制系统在设计和实现的过程中需要针对不同的现场总线进行设计和考量，增大了系统设计的难度，而且无法从根本上解决多现场总线间通讯的问题。

本文设计的智能控制器设计的自适应现场总线通讯协议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，做到无缝切换，降低了控制系统的设计、开发难度。示意图如图4所示。

图4 多现场总线通讯示意图

(2)高可靠性实时通信技术应用。随着现代控制系统功能的日益强大，对现场控制数据的多样性和复杂性要求也越来越高，未来的现场控制数据将不再只是单纯的信号片段，会出现对音频、视频，甚至是三维虚拟现实的数据传递，而传统的现场总线通信技术更多的是应用于小数据量的传递，对这种大数据的信号处理往往力不从心，存在带宽不足，或投资成本过高的情况。

本文设计的智能控制器在实现数据实时通讯协议时充分考虑到了未来的发展，将数据按类型进行分类，针对不同的分类采取不同的传输策略;采用基于带宽预留方式的调度机制，采用EDF实时调度算法，在大数据量传输的过程中保证带宽的合理使用;采用基于时间片的分时调度方式，提高实时数据的传输效率，保证数据传输的实时性和可靠性。

(3)控制功能通讯安全技术应用。本文设计的智能控制器研究了高可靠性的加密算法对数据加密，保障数据内容安全性;建立证书认证体系，保障数据传输过程中数据发起端和数据接收端的可信性;加入密钥管理与协商机制，增强整个数据传输体系的可靠性;根据通讯类型的不同采用不同等级的安全认证策略，在控制器与控制器间，采用轻量级加密算法和证书认证流程，加入密钥管理与协商机制，在不影响数据传输速度的情况下，提高数据安全;在控制器与服务器间，采用深度加密算法和严格的证书认证流程，同时增强密钥管理机制与协商机制，保障数据安全。

3结语

本文针对大型工程类装备存在的异构网络PLC之间无法互联，无法实现制造物联中M2M互联模式的问题，自主研发设计了一种智能控制器对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，性能上完全可以取代市场上的传统PLC，同时降低了成本，打破了国外企业对PLC行业的长期垄断。