Industrielle Steuerungsprodukte haben sich heutzutage so weit entwickelt, dass sie auf Personalisierung und Differenzierung setzen. Traditionelle SPS-Produkte können den zunehmend segmentierten Marktanforderungen nicht mehr gerecht werden. Um diesen Bedarf zu decken, sind eingebettete SPS-Produkte entstanden. I. Eingebettete SPS Eine eingebettete SPS integriert die SPS-Systemsoftware in einen Controller und passt die Hardware an die Steuerungsanforderungen des Benutzers an. Sie löst objektorientierte Steuerungsprobleme mithilfe von SPS-Anwendungsmethoden. Sie besteht aus zwei Teilen: der eingebetteten SPS-Systemsoftware und einem Chipsatz. 1. Eingebettete SPS-Systemsoftware Die eingebettete SPS-Systemsoftware integriert die SPS-Sprache (Kontaktplansprache) und den CAN-Bus in den Mikrocontroller. Dadurch kann die Mikrocontroller-Produktentwicklung von Assemblersprache auf die SPS-Kontaktplansprache umgestellt werden und CAN-Bus-Verbindungsfunktionen werden bereitgestellt. Die Systemsoftware weist folgende Merkmale auf: 1. Sie verwendet die Kontaktplansprache als Kern und fügt ein Interrupt-Management-System hinzu, wodurch ein Echtzeitbetrieb ermöglicht wird, den herkömmliche SPSen nicht erreichen können; 2. Sie erweitert die Rechenleistung durch Hinzufügen einer CANBUS-Funktionsbibliothek, einer Gleitkomma-Bibliothek, eines Experten-Selbstoptimierungs-PID-Reglers, eines eingebetteten Webs usw. und erweitert so die Funktionen der SPS. 3. Es bietet eine offene Erweiterungsstruktur und unterstützt die Verdrahtung von Erweiterungseinheiten von Drittanbietern. 4. Es fügt eine Netzwerkverbindungsfunktion hinzu, die die Fernüberwachung nach dem Laden eines dedizierten Browsers auf dem Remote-Endpunkt ermöglicht. Die Systemsoftware besteht aus drei Teilen: ① Eingebetteter SPS-Kern: Er führt Basisfunktionen wie Echtzeit-Aufgabenplanung, Interpretation, Ausführung und Kommunikation von Kontaktplanprogrammen aus und bietet eine Schnittstelle für sekundäre Entwicklungstreiber. ② Sekundäres Entwicklungstreiberprogramm: Mithilfe der von der Systemsoftware bereitgestellten externen Aufgaben werden verschiedene personalisierte und differenzierte Treiberprogramme auf Basis des Kernels entwickelt. ③ Terminalanwendungsprogramm: Verwendet Kontaktplanprogramme zur Prozessablaufsteuerung. 2. Der eingebettete SPS-Chipsatz EASY CORE 1.00 ist ein Kernchipsatz mit vorinstallierter eingebetteter SPS-Systemsoftware. Als Hardwareplattform mit vorinstallierter Systemsoftware kann er zur Entwicklung von Allzweck- und Spezial-SPSen verwendet werden. 1) Grundlegende Chipsatz-Leistung: ① Stromversorgung: +5 V 200 mA, RAM-Stromausfallschutz für 5 Jahre. ② CPU: C8051F040. ③ Integrierte Erweiterungsmöglichkeiten: • 32 E/A: Wiederverwendbar als SPI, I2C-Schnittstelle, externer Interrupt, externer Zähler, AD usw. • 4 AD: 12-Bit-Genauigkeit, 100 kPS. • 2 DA: 12-Bit-Genauigkeit, 100 kPS. ④ Kommunikationsschnittstellen: • CANBUS: Systemsoftware-Verwaltung, Aufbau eines CANBUS-Busnetzwerks mit der CANSet-Tool-Software. • UART0: Systemsoftware-Verwaltung, verwendet für die SPS-Programmierung und -Überwachung, unterstützt HMI und Benutzertreiber-Download. • UART1: Systemsoftware-Verwaltung, verwendet zum Herunterladen von CANBUS-Netzwerkparametern, Aufbau eines RS485-Netzwerks und Unterstützung der Verbindung mit Geräten von Drittanbietern. 2) Chipsatz-Blockdiagramm: II. Anwendungsentwicklung: Basierend auf dem mit Systemsoftware ausgestatteten Chipsatz können wir unsere eigenen eingebetteten SPS-Produkte gemäß den Prozessanforderungen entwickeln. Im Folgenden wird ein 16-Kanal-Analog-SPS-Produkt vorgestellt (das Standardsignale oder Thermoelementsignale verarbeiten kann), das auf einem eingebetteten SPS-Chipsatz basiert. 1. Hardware-Design Das Gesamtdiagramm der Hardwarestruktur sieht wie folgt aus: AI0 ist ein AD-Wandlerkanal im Chipsatz. P1.0–P1.4 dienen als Kanalsteuerleitungen für Analogschalter zum Umschalten zwischen den 16 Analogsignalkanälen. (1) Signalerfassungsschaltung Die Analogsignalverstärkungsschaltung basiert auf dem hochpräzisen Verstärker OP07 der Firma AD. Der OP07 zeichnet sich durch eine niedrige Eingangs-Offsetspannung (10 µV), eine geringe Driftspannung (0,2 µV/°C) und einen weiten Versorgungsspannungsbereich (±3 V–±18 V) aus und erfüllt somit die Anforderungen dieses Produkts. Der OP07 wird mit ±5 V versorgt, und R18 und R79 dienen als Nullpunktkorrekturwiderstände. Die Ausgangsspannung ergibt sich aus folgender Formel: V_out = V_in (1 + R98/R56). (2) Die Signalauswahlschaltung verwendet einen 16-Kanal-Analogschalter CD4067. Die Pins A, B, C, D und INH sind als Kanalauswahl-Steuersignale für den Analogschalter an die Pins P1.0–P1.4 des Chipsatzes angeschlossen. Der OUT-Pin ist mit AIN0 des Chipsatzes verbunden und dient als erster AD-Wandlungskanal. 2. Softwareentwicklung: Die eingebettete SPS basiert auf dem Cygnal C8051f040-Chip. Die sekundäre Programmentwicklung erfolgt daher in Assemblersprache C51. Als Compiler wurde KEIL C51 gewählt, da dieser die benötigte .HEX-Datei generieren kann. Der Kernel verfügt über sieben Benutzerschnittstellen für eingebettete Programme. Für die sekundäre Entwicklung ist es erforderlich, die Funktionen jeder Schnittstelle vollständig zu verstehen. Kenntnisse in folgenden Bereichen sind notwendig: a. Kernelfunktionen, b. Kernelstruktur, c. Kernel-Taskverwaltung, d. Kernel-Speicherverwaltung. [1] Da die Systemsoftware um die Kommunikationsfunktionen 232, 485 und CAN erweitert wurde, konzentriert sich die Entwicklung der sekundären Antriebssoftware der 16-Kanal-Analog-SPS hauptsächlich auf die AD-Wandlung analoger Größen und die Echtzeitaktualisierung der AD-Werte im SPS-Ressourcenbereich. (1) Programmplanung: T4-Interrupt: AD-Wandlung und 16-Kanal-Umschaltprogramm abschließen; USER_SCAN: AD-Wert im SPS-Ressourcenbereich aktualisieren. Die AD-Wandlung erfolgt wie folgt: Jeder Kanal wird 16-mal kontinuierlich abgetastet. Nach der Abtastung wird die Summe gebildet, und anschließend wird die AD-Wandlung des nächsten Kanals gestartet. Die Aktualisierung des AD-Werts im SPS-Ressourcenbereich erfolgt am Ende des Leiterdiagramm-Scanzyklus. Die Summe der AD-Werte aller Kanäle wird gemittelt und an der entsprechenden Stelle im SPS-Ressourcenbereich gespeichert. (2) Programmcode INIT_AD: ;AD-Initialisierung MOV SFRPAGE, #ADC0_PAGE MOV REF0CN, #07H ;Interne Referenzspannung/Ausgang an VERF ;Internen Temperatursensor starten MOV AMX0CF, #00H ;Unipolarer Eingang MOV ADC0CF, #0B8H ;D7——D3=SYSCLK/Abtasttakt-1 ;Abtastkonvertierungstakt=1µs ;D2——D0=GAIN ;000 GAIN=1 MOV ADC0CN, #90H ;AD-Abtastung starten MOV AD_CHANNEL, #00H ;AD-Kanalnummer, Anfangswert ist 0 MOV AD_COUNT, #00H ;Anzahl der 16 Abtastwerte zählen. Der Anfangswert ist 0. RET SAMPLE_AD: ; AD-Abtastung startet MOV SFRPAGE, #ADC0_PAGE ; AD-Steuerregisterseite MOV A, AD_CHANNEL ; Die Summe der abgetasteten Werte ist eine Wortbasisadresse; sie ist #XAI, und die Offsetadresse ist AD_CHANNEL RL A MOV DPTR, #XAI ; XAI speichert die Summe von 16 abgetasteten Werten ADD A, DPL ; Addition des niederwertigen Bytes MOV DPL, A MOVX A, @DPTR MOV B, A MOV A, ADC0L CLR C ADDC A, B MOVX @DPTR, A INC DPTR ; Addition des höherwertigen Bytes MOVX A, @DPTR MOV B, A MOV A, ADC0H ANL A, #0FH ADDC A, B MOVX @DPTR, A ; #XAI speichert das Format von niederwertigem und höherwertigem Byte MOV SFRPAGE, #ADC0_PAGE ; AD-Steuerregisterseite MOV ADC0CN, #090H ; Nächste AD-Abtastung starten INC AD_COUNT MOV A, AD_COUNT CLR C SUBB A, #16 JNC FILL_XAI_XAD ; Nach Abschluss von 16 Abtastungen die 16 Abtastwerte (2 Bytes) in XAI in XAD speichern RET 3. Einbetten des Treibers Das obige Programm wird in KEIL C51 kompiliert. Mithilfe der Download-Tool-Software „DOWNHEX“ wird die generierte .HEX-Datei über die serielle Schnittstelle an die feste Adresse des Chipsatzes übertragen, sodass der Kernel sie aufrufen kann. Damit ist die Entwicklung des sekundären Treibers abgeschlossen. An diesem Punkt ist die Entwicklung der 16-Kanal-Analog-SPS im Wesentlichen abgeschlossen. III. Funktionale Einführung: Der auf der eingebetteten SPS basierende Mehrkanal-Analognetzwerkknoten bietet folgende Funktionen: 1. Erfassung mehrerer Thermoelementsignale aus dem industriellen Bereich, 2. Unterstützung verschiedener Mensch-Maschine-Schnittstellen wie Mitsubishi und Delta, 3. Unterstützung der Kontaktplanprogrammierung (86 Befehle), 4. Unterstützung der CAN-Bus-Verbindung (Parallelbetrieb mehrerer Maschinen oder Anschluss von Erweiterungseinheiten) usw. Im Folgenden wird die Anwendung der Kontaktplanfunktion dieses Netzwerkknotens kurz erläutert. Die Software des eingebetteten SPS-Systems verfügt über eine integrierte Temperaturumrechnungsfunktion, die den dem Thermoelement-Millivoltsignal entsprechenden AD-Wert in einen Temperaturwert umwandelt. Sie eignet sich für Thermoelement-Eingangssignale beliebiger Größenordnung und kann in verschiedenen Temperaturregelungsanwendungen eingesetzt werden. In Kombination mit einer PID-Regelung kann die Regelgenauigkeit ±1 °C erreichen. Das untenstehende Kontaktplanprogramm wandelt ein Thermoelementsignal in einen Temperaturwert um. Der AD-Wert dieses Signals wird in D5000 und der umgerechnete Temperaturwert in D5160 gespeichert. IV. Fazit: Das Beispiel eines mit einem eingebetteten SPS-Chipsatz entwickelten Produkts zeigt, dass das entwickelte Produkt, basierend auf dem Prinzip anpassbarer Hardware und Software, die individuellen Bedürfnisse der Anwender optimal erfüllt, Hardwarekosten spart, den Entwicklungszyklus verkürzt und zahlreiche leistungsstarke Funktionen bietet. Es wird erwartet, dass diese Technologie SPS-Herstellern die Möglichkeit gibt, immer marktgerechtere SPSen zu produzieren. Referenzen: 1. Huangshi Kewei Automation Co., Ltd., „Embedded PLC Principles and Applications“ 2. Shenyang Xinhua Long Co., Ltd., „C8051F040 Datasheet“ 3. Huangshi Kewei Automation Co., Ltd., „EASY Programming Manual“ 4. KEIL C51 Development Environment User Manual