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贝加莱（B&R）—一种新型的定性分时多任务PLC技术
自1969年世界上诞生了台可编程逻辑控制器（PLC）以来，可编程控制技术在工业控制领域便一路高歌，取得了极为广泛的应用。在这过去的30多年里，计算机技术、电子技术、网络通信技术以及自动控制技术的飞速发展，使得工程师们在工业应用中对于控制器的功能需求也远远超越了当初的“顺序逻辑控制”的简单期望。
来自于奥地利的贝加莱（B&R）工业自动化公司便是敏锐地捕捉到这一技术需求的变化，早在1994年便在全球个推出了基于定性实时多任务操作系统（Real Time multi-tasking Operation System）的可编程计算机控制器（PCC—Programmable Computer Controller），时至，仍然代表了这一创新技术的发展趋势，成为新一代自控工程师的新宠。
我们知道，常规的PLC大多依赖于单任务的时钟扫描或监控程序，来处理程序本身的逻辑运算指令以及外部的I/O通道的状态采集与刷新，整个应用程序采用一个循环周期，但事实上在一个控制系统中，往往有一些数据量是实时性要求很高的，但也有很多大惯性的模拟量是没有太高实时要求的，如果采用同样的刷新速度其实是对资源的浪费，循环顺序扫描的运行机制也直接导致了系统的控制速度严重依赖于应用程序的大小，应用程序一旦复杂庞大，控制速度就必然降低。这无疑是与I/O通道高实时性控制的要求相违背的。
而贝加莱PCC系统的设计方案则完美地解决了这一问题，与常规PLC相比较，PCC大的特点就在于其引入了类大型计算机的分时多任务操作系统理念，并辅以多样化的应用软件设计手段，由于分时多任务的运行机制，使得应用任务的循环周期与程序长短无关，而是由设计人员根据工艺需要自由设定，从而将应用程序的扫描周期同真正外部的控制周期区别开来，满足了真正实时控制的要求，这种控制周期是可以在CPU运算能力允许的前提下，按照用户的实际要求而做相应设定。
传统PLC运行模式
贝加莱PCC-定性分时多任务操作系统的运行模式
基于这样的运行平台，PCC的应用程序可分为多个独立的任务模块，这样给便应用软件的开发带来了极大的便利，因为工程师可以方便地根据控制项目中各子系统的不同功能要求，如数据采集，报警，PID调节运算，通信控制等，开发相应的控制程序模块（任务），在分别编制和调试之后，可一同下载至PCC的用户程序存储器中，在多任务操作系统的调度管理下，并行协同运行，因为这些模块既相互独立运行，而数据间又保持一定的相互关联，由他们共同实现项目的控制要求。在这多个任务中，根据不同任务对实时性能的不同需求，设计人员可以指定不同的优先等级即确定的循环周期，从而实现确定的分时多任务控制。即便某个任务处于等待状态，别的任务也可继续执行。
这种多任务的运行机制，采用大型应用软件的模块化设计思想，还带来了项目开发效率上的**，有着常规PLC无法比拟的灵活性。因为多任务的思想使得各个任务模块的功能描述更趋清晰简洁，用户可以自行开发自己独有的而又具有通用性的独立功能模块，并将其封装以便于日后在其他应用项目中重新使用。各个不同的任务甚至可以由开发小组的不同成员分别编制，不同的开发人员基于共同的约定，可以灵活选用不同编程语言，这就意味着不仅在常规 PLC上一直为人们所熟悉的梯形图，指令表等符合IEC6113-3规范的通用语言可以在PCC上继续沿用，用户还可采用更为高效直观的语言，比如ANSI C 和Automation Basic，从而实现复杂的数学运算功能和过程控制算法。所有这些编程语言，PCC都采用“符号变量”来标识外部I/O通道及内部寄存器单元（例如用户可用motor_run来代表某开关量输出通道，button_down代表某开关量输入通道）。这样，软件开发人员毋需熟知 PCC内部的硬件资源分布，而只须集中精力于项目本身的工艺要求，即可迅速编制出结构清晰功能明确的控制程序来。
PCC在硬件上的特点，还体现在它为工业现场的各种信号和应用设计了许多专用的接口模块和功能模块，如温度、张力、步进电机驱动、示波器、鼓序列发生、脉冲编码，称重、超声波信号等等。它们将各种形式的现场信号十分方便的接入以PCC为核心的数字控制系统中，用户可按需要对I/O通道进行数十点、数百点至数千点的扩展与联网。在PCC模块内部，CPU的数据总线与IO总线分离，并配置有独立的I/O处理器，特有的时间处理单元（TPU）在不增加CPU负荷的前提下，高速处理无论简单或复杂的定时任务，其基准计时频率可高达6.29MHz，目前被广泛应用于测频测相及PWM等极高精度的时间处理场合中。而其所有数字量输入端都经过了光电耦合隔离，模拟量输入端也都经过了RC滤波处理，具有很好的抗干扰能力，其整体硬件平均无故障时间MTBF高达50万小时。
PCC在远程通信方面的灵活性，是区别于常规PLC的另一显著标志，作为构成现场分布式控制的主要供应商之一，贝加莱PCC为此提供了十分灵活多样的解决方案。除开放式现场总线的网络方案之外，PCC还提供了多种网络协议，用户不仅可以采用贝加莱的独有网络协议，也可以方便的与其他厂家的PLC或其他工控设备联网通信（如Siemens，AB， Modicon等），在一些特殊情况下，PCC还为用户提供了创建自定义协议的帧驱动（Frame drive）工具。特别值得一提是Ethernet POWERbbbb网络协议，这是2001年贝加莱公司在竞争对手还在讨论实时工业以太网概念的时候，便在全球次推出并实用化了真正意义的实时工业以太网络，这也是全球个开放的安全级（SIL3）实时工业以太网。2007年初该公司又已经发布其实现了千兆级实时工业以太网Ethernet POWERbbbb的消息。由于具备这样的技术优势，PCC常常能解决许多常规PLC所望尘莫及的通信难题，轻松实现与各种不同产品，不同通信协议的高效互联。
目前，B&R公司的PCC主要由2005系列、2003系列以及X20 CPU系列构成，由于在网络通信方面的开放性和结构上的模块性，三种系列的PCC在构成控制系统的规模上，往往是十分灵活可塑的。也正顺应了PLC、IPC及DCS技术相互融合的发展潮流，贝加莱的PCC控制器携其DCS系统APPROL目前在越来越多的工业应用领域中，日益显示出了其不可低估的发展潜力。
PCC 作为一种可编程计算机控制器，它是专为在工业环境下应用而设计的，是一种新型的定性分时多任务PLC，它不但具备传统PLC的所有功能，融合了新的IT网络技术和可选的语言编程环境，具有更强大的数学运算能力、网络通信能力、抗干扰能力和控制能力，从而代表了PLC今后发展的方向，具有更高的可靠性、更丰富的功能和更广泛的适应性。
伴随着中国经济高速发展的步伐，城市轨道交通建设成为近几年城市建设的热门规划之一，快速发展的城市轨道交通产业为区域经济发展起到了促进作用。从工业自动化企业自身发展角度而言，城市轨道交通的大力发展，为和利时这样的本土工业自动化供应商提供了更多的发展空间。借助这股行业暖流，和利时公司先后为多条地铁线提供了自主品牌的LK系列PLC产品，成功应用在地铁变电站控制系统中。和利时LK产品以高水平的技术能力、稳定可靠的安全性，获得了地铁运营方的高度称赞。
众所周知，城市轨道交通是安全性和可靠性要求较高的行业。地铁中的变电控制系统在技术上虽不及地铁主控系统的算法和要求，但作为地铁安全运营的基础，可靠的供电是地铁安全运营的重要保障，功能强大的地铁供电变电站自动化系统又是保证供电质量的基础。地铁变电站控制的安全与否是把握城市轨道交通控制系统安全的道关，选用稳定可靠的PLC品牌产品也成为了重中之重。
地铁行业的行业壁垒也让一般的行业企业望而却步。作为国内自动化控制领域的企业，依托在城市轨道交通行业工程实施的多年积累和沉淀，和利时公司一直积极地推动自主品牌PLC进入城市轨道交通领域。
2005年，和利时LM小型PLC产品凭借卓越的抗干干扰性以及通用开发的通信接口等优势，成功应用于地铁整流配电系统，为LK产品后续进入地铁变电站控制系统奠定了基础。2008年，LKPLC被国家科技部认定为“国家重点新产品称号”，意味着和利时PLC产品的技术成果得到了国家部门的认可，也让地铁运营方感到和利时公司的技术能力。经过多方面严格的产品测试和方案对比，和利时LKPLC打开了进入地铁变电站控制系统的“大门”。
截至2009年底，和利时LK系列PLC已成为应用于北京地铁10号线、深圳地铁1号线延长线、天津快轨中山门西段、天津站交通枢纽、深圳地铁4号线二期、武汉轻轨、大连轻轨等地铁线路，在该领域树立了良好的口碑，取得了一定的社会效益。
PLC(电力线通信)相关技术的简要介绍
什么是plc?
通常，我们上网的方式一般有：利用电话线的拨号?xdsl方式；利用有线电视线路的cablemodem方式，或利用双绞线的以太网方式。
现在，我们又多了一种更方便，更经济的选择：利用电线，这就是plc！plc的英文全称是powerlinecommunication，即电力线通信。通过利用传输电流的电力线作为通信载体，使得plc具有极大的便捷性，只要在房间任何有电源插座的地方，不用拨号，就立即可享受4.5~45mbps的高速网络接入，来浏览网页?拨打电话，和观看在线电影，从而实现集数据?语音?视频，以及电力于一体的"四网合一"！可将房屋内的电话?电视?音响?冰箱等家电利用plc连接起来，进行集中控制，实现"智能家庭"的梦想。目前，plc主要是作为一种接入技术，提供宽带网络"后一公里"的解决方案，适用于居民小区，学校，酒店，写字楼等领域。
plc的技术原理
plc利用1.6m到30m频带范围传输信号。在发送时，利用gmsk或ofdm调制技术将用户数据进行调制，在电力线上进行传输，在接收端，先经过滤波器将调制信号滤出，再经过解调，就可得到原通信信号。目前可达到的通信速率依具体设备不同在4.5m~45m之间。plc设备分局端和调制解调器，局端负责与内部plc调制解调器的通信和与外部网络的连接。在通信时，来自用户的数据进入调制解调器调制后，通过用户的配电线路传输到局端设备，局端将信号解调出来，再转到外部的internet。典型的plc网络如下图：
plc的优点
1．实现成本低由于可以直接利用已有的配电网络作为传输线路，不用进行额外布线，从而大大减少了网络的投资，降低了成本。
2．范围广电力线是覆盖范围广的网络，它的规模是其他任何网络无法比拟的。plc可以轻松地渗透到每个家庭，为互联网的发展创造极大的空间。
3．高速率plc能够提供高速的传输。目前，其传输速率依设备厂家的不同而在4.5m~45mbps之间。远远高于拨号上网和isdn，比adsl更快！足以支持现有网络上的各种应用。更高速率的plc产品正在研制之中。
4．永远在线plc属于"即插即用"，不用烦琐的拨号过程，接入电源就等于接入网络！
5．便捷不管在家里的哪个角落，只要连接到房间内的任何电源插座上，就可立即拥有plc带来的高速网络享受！
plc的应用
1．可以为用户提供高速internet访问服务?话音服务，从而为用户上网和打电话增加了新的选择。
2．通过与控制技术的结合，为在现有基础上实现"智能家庭"提供有力支持。利用电力线路为物理媒介，可将遍布住宅各角落的信息家电?pc等连为一体，接入internet，实现远程?集中的管理控制。
3．不用额外的布线，就可将家中的多太电脑连接起来，组建家庭局域网。
4．实现远程水?电?气等的自动抄表，一张收费单就可解决用户生活中的所有收费项目。
5．利用plc的"永远在线"特点，构件防火?防盗?防有毒气体泄露等保安监控系统和医疗救护系统
1 引言
随着小区供水管网的更新，改造和扩建，某些地区的管网压力不均问题日益突出，即当供水管线较长时，在管网中产生较大的沿程水头损失，为了维持管网末梢服务压力，势必**水厂的出厂压力，以至在管网前端服务压力过高，造成区域之间的水压差过大，在高压区供水能量浪费，漏水严重，甚至可能出现爆管，但如果降低出厂水压，又满足不了低压区的用水需求。
2恒压供水系统节能分析控制器
变频调速供水系统是技术成熟的工业自动化供水解决方案，原理如图1所示。
当水泵以额定转速运行在工频状态下时，其特性如图2所示。在该运行方式下，为了满足大**下的压力要求，应该使pm=pd。由特性曲线可知，当**减小时，管网压力随之升高。由于在大部分时间里q＜qm，如果水泵总是以工频方式运行就会形成图中ptpdpm三角形阴影区域所表示的能量浪费。通过特性曲线我们还可以发现，在该工作方式下，管网压力变化范围很大，这会减少管网的使用寿命。
当水泵电机采用变频调速技术控制以后，水泵运行特性曲线如图3所示。由图可知，在该供水方式下，由于针对水**的变化相应地及时调整水泵电机的转速，系统总能够运行在佳效率状态下。这既保证了管网供水压力恒定，又达到了节能目的。
根据流体力学的有关原理知道，当采用变频调速控制方式时，**q、扬程h、轴功率p、转速n存在如下关系：
通过这一组关系式我们可以知道，由于轴功率的比值与电机转速的比值的3次方成正比，当**的减小而使得电机转速减小时，节能的效果是很明显的。在理想情况下，当电机转速降为额定转速的80%时，水泵功率会下降到额定值的51.2%，即节约48.8%的电能。变频调速控制方式在供水系统中的应用对节能的意义重大。
3 自动化方案实现
变频恒压供水控制系统，主要是由西门子公司生产s7-200plc、变频器、压力传感器、液位传感器、动力控制线路以及4台水泵等组成。用户通过控制柜面板上的按钮、转换开关和指示灯来控制系统的运行。系统方框图如图4所示。
通过安装在出水管网上的压力传感器，把出口压力信号变成标准的电压或电流信号经em235送入s7-200plc，经与给定压力参数比较进行pid运算后，发出控制信号送给变频器，由变频器控制水泵的转速，调节系统供水量，使供水系统管网中的压力保持在给定压力上。当用水量超过一台泵的供水量时，通过plc控制增加水泵。根据用水量的大小由plc控制工作泵数量的增减及变频器对水泵的调速，实现恒压供水系统通过软件设计具有定时换泵和系统声、光报警及多种保护功能。
4西门子pid指令应用
4.1 控制系统主程序设计
plc主程序主要由系统初始化程序、水泵电机起动程序、水泵电机变频/工频切换程序、水泵电机换机程序、模拟量比较计算程序（pid）、停机程序和报警程序等构成。系统的主程序流程图如图5所示。
4.2 西门子pid指令应用
西门子s7-200系列plc指令族提供pid闭环控制专用指令。当过程控制中某个变量出现偏差时，pid控制算法会计算出正确的输出，把变量保持在设定值上。以plc为主机的控制系统丰富了系统的控制功能，**了系统的可靠性。在有模拟量的控制系统中，经常用到pid运算来执行pid回路的功能，pid回路指令使这一任务的编程和实现变得非常容易。
（1）pid算法。如果一个pid回路的输出m是时间t的函数，则可以看作是比例项、积分项和微分项三项部分之和。即：
以上各量都是连续量，项为比例项，后一项为微分项，中间两项为积分项。其中e是给定值与被控制变量之差，即回路偏差。kc为回路的增益。用计算机处理这样的控制算式，即连续的算式必须周期性地采样并进行离散化，各信号也要离散化，公式如下：
mn=kc（spn-pvn）+kc（ts/ti）（spn-pvn）+mx+kc（td/ts）（pvn-1-pvn）
公式中包含9个用来控制和监视pid运算的参数，在pid指令使用时要构成回路表，回路表的格式如表1所示。
本设计中生活用水为系统给定值满量程的70%。系统使用比例、积分及微分控制，采用下列控制参数值：
增益kc=0.25； 采样时间ts=0.2s；
积分时间ti=30min； 微分时间td=15min；
（2）pid算法编程实现。本程序只是模拟量控制系统的pid程序主干，对于现场实现问题，还要考虑诸多方面的影响因素。pid控制算法程序框图如图6所。
5 结束语
本文针对我国中小城市小区供水的特点，设计开发了一套基于plc的变频调速恒压供水自动控制系统。该系统利用单台变频器实现四台水泵电机的软起动和调速，把阀门控制和水泵电机控制都纳入自动控制系统。压力传感器采样管网压力信号经pid处理传送给变频器，变频器根据压力大小调整电机转速，通过改变水泵性能曲线来实现水泵的**调节，保证管网压力恒定。水泵在变频下均为