行业技术
- 随着工业设备自动化控制技术的发展，可编程控制器(PLC)在工业设备控制中的应用越来越广泛。PLC控制系统的可靠性直接影响到企业的安全生产和经济运行，系统的抗干扰能力是关系到整个系统可靠运行的关键。本文详细介绍了影响PLC运行的干扰类型及来源，并提出抗干扰设计的实施策略。 自动化系统所使用的各种类型PLC中，有的是集中安装在控制室，有的是安装在生产现场和各电机设备上，它们大多处在强电电路和强电设备所形成的恶劣电磁环境中。要提高PLC控制系统可靠性，一方面要求PLC生产厂家提高设备的抗干扰能力，另一方面要求应用部门在工程设计、安装施工和使用维护中引起高度重视，多方配合才能完善解决问题，有效地增强系统的抗干扰性能。 1. 电磁干扰类型及其影响 影响PLC控制系统的干扰源与一般影响工业控制设备的干扰源一样，大都产生在电流或电压剧烈变化的部位，这些电荷剧烈移动的部位就是干扰源。 干扰类型通常按干扰产生的原因、噪声干扰模式和噪声波形性质来划分。按噪声产生的原因不同，分为放电噪声、浪涌噪声、高频振荡噪声等；按噪声的波形、性质不同，可分为持续噪声、偶发噪声等；按噪声干扰模式不同，分为共模干扰和差模干扰。 共模干扰和差模干扰是一种比较常用的分类方法。共模干扰是信号对地的电位差，主要由电网串入、地电位差及空间电磁辐射在信号线上感应的共态(同方向)电压迭加所形成。共模电压有时较大，特别是采用隔离性能差的配电器供电时，变送器输出信号的共模电压普遍较高，有的可高达130V以上。共模电压通过不对称电路可转换成差模电压，影响测控信号，造成元器件损坏(这就是一些系统I/O模件损坏率较高的主要原因)，这种共模干扰可为直流、亦可为交流。差模干扰是指作用于信号两极间的干扰电压，主要由空间电磁场在信号间耦合感应及由不平衡电路转换共模干扰所形成的，这种干扰叠加在信号上，直接影响测量与控制精度。 2. 电磁干扰的主要来源 2.1 来自空间的辐射干扰 空间辐射电磁场(EMI)主要是由电力网络、电气设备的暂态过程、雷电、无线电广播、电视、雷达、高频感应加热设备等产生的，通常称为辐射干扰，其分布极为复杂。若PLC系统置于其射频场内，就会受到辐射干扰，其影响主要通过两条路径：一是直接对PLC内部的辐射，由电路感应产生干扰；二是对PLC通信网络的辐射，由通信线路感应引入干扰。辐射干扰与现场设备布置及设备所产生的电磁场大小特别是频率有关，一般通过设置屏蔽电缆和PLC局部屏蔽及高压泄放元件进行保护 2.2 来自系统外引线的干扰 主要通过电源和信号线引入，通常称为传导干扰。这种干扰在我国工业现场较为严重，主要有下面三类： 第一类是来自电源的干扰。实践证明，因电源引入的干扰造成PLC控制系统故障的情况很多，笔者在某工程调试中遇到过，后更换隔离性能更高的PLC电源问题才得到解决。 PLC系统的正常供电电源均由电网供电，由于电网覆盖范围广，它将受到所有空间电磁干扰而在线路上感应电压和电流，尤其是电网内部的变化、开关操作浪涌、大型电力设备起停、交直流传动装置引起的谐波、电网短路暂态冲击等，都通过输电线路传到电源原边。PLC电源通常采用隔离电源，但因其机构及制造工艺等因素使其隔离性并不理想。实际上，由于分布参数特别是分布电容的存在，绝对隔离是不可能的。 第二类是来自信号线引入的干扰。与PLC控制系统连接的各类信号传输线，除了传输有效的各类信息之外，总会有外部干扰信号侵入。此干扰主要有两种途径：一是通过变送器供电电源或共用信号仪表的供电电源串入的电网干扰，这往往被忽视；二是信号线受空间电磁辐射感应的干扰，即信号线上的外部感应干扰，这种往往非常严重。 由信号引入的干扰会引起I/O信号工作异常和测量精度大大降低，严重时将引起元器件损伤。对于隔离性能差的系统，还将导致信号间互相干扰，引起共地系统总线回流，造成逻辑数据变化、误动和死机。PLC控制系统因信号引入干扰造成I/O模件损坏数相当严重，由此引起系统故障的情况也很多。 第三类是来自接地系统混乱的干扰。接地是提高电子设备电磁兼容性(EMC)的有效手段之一，正确的接地既能抑制电磁干扰的影响，又能抑制设备向外发出干扰；而错误的接地反而会引入严重的干扰信号，使PLC系统无法正常工作。 PLC控制系统的地线包括系统地、屏蔽地、交流地和保护地等，接地系统混乱对PLC系统的干扰主要是各个接地点电位分布不均，不同接地点间存在地电位差，引起地环路电流，影响系统正常工作。例如电缆屏蔽层必须一点接地，如果电缆屏蔽层两端A、B都接地，就存在地电位差，有电流流过屏蔽层。当发生异常状态如雷击时，地线电流将更大。 此外，屏蔽层、接地线和大地可能构成闭合环路，在变化磁场的作用下，屏蔽层内会出现感应电流，通过屏蔽层与芯线之间的耦合，干扰信号回路。若系统地与其它接地处理混乱，所产生的地环流就可能在地线上产生不等电位分布，影响PLC内逻辑电路和模拟电路的正常工作。PLC工作的逻辑电压干扰容限较低，逻辑地电位的分布干扰容易影响PLC的逻辑运算和数据存贮，造成数据混乱、程序跑飞或死机。模拟地电位的分布将导致测量精度下降，引起对信号测控的严重失真和误动作。 2.3 来自PLC系统内部的干扰 主要由系统内部元器件及电路间的相互电磁辐射产生，如逻辑电路相互辐射、模拟地与逻辑地的相互影响及元器件间的相互不匹配使用等。这都属于PLC制造厂家对系统内部进行电磁兼容设计的内容，比较复杂，作为应用部门无法改变，可不必过多考虑，但要选择具有较多应用实绩或经过考验的系统。 3. 抗干扰设计 为了保证系统在工业电磁环境中免受或减少内外电磁干扰，必须从设计阶段开始便采取三个方面抑制措施：抑制干扰源、切断或衰减电磁干扰的传播途径、提高装置和系统的抗干扰能力。这三点就是抑制电磁干扰的基本原则。 PLC控制系统的抗干扰是一个系统工程，要求制造单位设计生产出具有较强抗干扰能力的产品，且有赖于使用部门在工程设计、安装施工和运行维护中予以全面考虑，并结合具体情况进行综合设计，才能保证系统的电磁兼容性和运行可靠性。进行具体工程的抗干扰设计时，应主要注意以下两个方面。 3.1 设备选型 在选择设备时，首先要选择有较高抗干扰能力的产品，其包括了电磁兼容性，尤其是抗外部干扰能力，如采用浮地技术、隔离性能好的PLC系统；其次还应了解生产厂家给出的抗干扰指标，如共模抑制比、差模抑制比、耐压能力、允许在多大电场强度和多高频率的磁场强度环境中工作等；另外是靠考查其在类似工作中的应用实绩。 在选择国外进口产品要注意，我国是采用220V高内阻电网制式，而欧美地区是110V低内阻电网。由于我国电网内阻大，零点电位漂移大，地电位变化大，工业企业现场的电磁干扰至少要比欧美地区高4倍以上，对系统抗干扰性能要求更高。在国外能正常工作的PLC产品在国内工业就不一定能可靠运行，这就要在采用国外产品时，按我国的标准(GB/T13926)合理选择。 3.2 综合抗干扰设计 主要考虑来自系统外部的几种抑制措施，内容包括：对PLC系统及外引线进行屏蔽以防空间辐射电磁干扰；对外引线进行隔离、滤波，特别是动力电缆应分层布置，以防通过外引线引入传导电磁干扰；正确设计接地点和接地装置，完善接地系统。另外还必须利用软件手段，进一步提高系统的安全可靠性。 4. 主要抗干扰措施 4.1 采用性能优良的电源，抑制电网引入的干扰 在PLC控制系统中，电源占有极重要的地位。电网干扰串入PLC控制系统主要通过PLC系统的供电电源(如CPU电源、I/O电源等)、变送器供电电源和与PLC系统具有直接电气连接的仪表供电电源等耦合进入的。现在对于PLC系统供电的电源，一般都采用隔离性能较好的电源，而对于变送器供电电源以及和PLC系统有直接电气连接的仪表供电电源，并没受到足够的重视。虽然采取了一定的隔离措施，但普遍还不够，主要是使用的隔离变压器分布参数大，抑制干扰能力差，经电源耦合而串入共模干扰、差模干扰。所以对于变送器和共用信号仪表供电应选择分布电容小、抑制带大(如采用多次隔离和屏蔽及漏感技术)的配电器，以减少PLC系统的干扰。 此外，为保证电网馈电不中断，可采用在线式不间断供电电源(UPS)供电，提高供电的安全可靠性。而且UPS还具有较强的干扰隔离性能，是一种PLC控制系统的理想电源。 4.2 正确选择电缆的和实施敷设 为了减少动力电缆尤其是变频装置馈电电缆的辐射电磁干扰，笔者在某工程中采用了铜带铠装屏蔽电力电缆，降低了动力线产生的电磁干扰，该工程投产后取得了满意的效果。 不同类型的信号分别由不同电缆传输，信号电缆应按传输信号种类分层敷设，严禁用同一电缆的不同导线同时传送动力电源和信号，避免信号线与动力电缆靠近平行敷设，以减少电磁干扰。 4.3 硬件滤波及软件抗干扰措施 信号在接入计算机前，在信号线与地间并接电容，以减少共模干扰；在信号两极间加装滤波器可减少差模干扰。 由于电磁干扰的复杂性，要根本消除干扰影响是不可能的，因此在PLC控制系统的软件设计和组态时，还应在软件方面进行抗干扰处理，进一步提高系统的可靠性。常用的一些提高软件结构可靠性的措施包括：数字滤波和工频整形采样，可有效消除周期性干扰；定时校正参考点电位，并采用动态零点，可防止电位漂移；采用信息冗余技术，设计相应的软件标志位；采用间接跳转，设置软件保护等。 4.4 正确选择接地点，完善接地系统。 接地的目的通常有两个，一为了安全，二是为了抑制干扰。完善的接地系统是PLC控制系统抗电磁干扰的重要措施之一。 系统接地有浮地、直接接地和电容接地三种方式。对PLC控制系统而言，它属高速低电平控制装置，应采用直接接地方式。由于信号电缆分布电容和输入装置滤波等的影响，装置之间的信号交换频率一般都低于1MHz，所以PLC控制系统接地线采用一点接地和串联一点接地方式。集中布置的PLC系统适于并联一点接地方式，各装置的柜体中心接地点以单独的接地线引向接地极。如果装置间距较大，应采用串联一点接地方式，用一根大截面铜母线(或绝缘电缆)连接各装置的柜体中心接地点，然后将接地母线直接连接接地极。接地线采用截面大于22mm2的铜导线，总母线使用截面大于60mm2的铜排。接地极的接地电阻小于2Ω，接地极最好埋在距建筑物10?15m远处，而且PLC系统接地点必须与强电设备接地点相距10m以上。 信号源接地时，屏蔽层应在信号侧接地；不接地时，应在PLC侧接地；信号线中间有接头时，屏蔽层应牢固连接并进行绝缘处理，一定要避免多点接地。多个测点信号的屏蔽双绞线与多芯对绞总屏蔽电缆连接时，各屏蔽层应相互连接好，并经绝缘处理，选择适当的接地处单点接地。 5. 本文小结 PLC控制系统的干扰是一个十分复杂的问题，因此在抗干扰设计中应综合考虑各方面的因素，合理有效地抑制干扰，对有些干扰情况还需做具体分析，采取对症下药的方法，才能够使PLC控制系统正常工作，保证工业设备安全高效运行。 [查看全文]
- 1 引言 可编程控制器（programmable(logical) controller，简称pc或plc）是随着技术的进步与现代社会生产方式的转变，为适应多品种、生产系统高可靠性的需要产生发展起来的一种新型工业自动化控制装置。该装置以微型计算机为核心，从1969年问世以来，由于其具有通用灵活的控制性能、可以适应各种工业环境的高可靠性、入门简单但能够承担大规模系统的控制能力、通信方便可以构成各种网络，在工业自动化领域取得了广泛应用。有人将可编程控制器控制技术与数控技术、cad/cam技术、工业机器人技术并称为现代工业自动化技术的四大支柱。 上世纪80年代以来，我国大量引进国外许多品牌的可编程控制器，其中以siemens(西门子)、mitsubishi(三菱)和omron(欧姆龙、立石)三种品牌居多。siemens可编程控制器以“博大精深”著称，其品种之全、类型之多、可控制的规模之大，堪称世界之最；mitsubishi可编程控制器以“丰富多彩”为特点，不仅类型很多，而且独特，不同系列机型间有不同特点；omron可编程控制器则以“精巧实用”为其特点。当然其他的可编程控制器也有其特点。虽然不同品牌的可编程控制器间存在许多差异，但在功能和应用角度看是相通的。 在工业控制中存在着大量的顺序控制。诸如机床自动加工、自动生产线的自动运行及机械手的动作等，都是按照固定的顺序进行动作，因此就必须熟练掌握梯形图的各种顺序控制设计方法。本文根据mitsubishi fx系列可编程控制器编程特点，论述了四种顺序控制设计方法的不同编程思想和特点。 图1顺序功能图 图2使用启保停电路的顺序控制梯形图 图3使用置位复位指令的顺序控制梯形图 图4使用步进指令的顺序控制梯形图 图5使用位移指令的顺序控制梯形图 2 顺序控制问题与sfc 2.1 顺控问题 顺序控制就是指生产过程可以根据生产工艺预先规定各部件的动作顺序，在外信号、内部状态或时间、数量等条件的作用下，使生产过程中的每个执行机构自动有步骤地进行操作。顺序控制设计法就是按照特定设计规则设计可编程控制器程序梯形图的方法，程序中使用的编程元件一般为状态寄存器s或辅助继电器m，其实质是在输入信号与输出信号之间增加中间编程元件，用以代表生产工艺中各个阶段。这种设计方法具有编程效率高，设计思路清晰，易于掌握，调试、修改、维护方便等优点，从设计到使用及维护的周期较经验设计法明显缩短。采用顺序控制设计法可以将结构化、模块化编程的思想运用到梯形图设计中来，改善程序的条理性和可读性。在使用顺序控制设计法设计梯形图时，首先要根据系统的工艺过程，设计出顺序功能图，然后根据顺序功能图编写出梯形图。 2.2 关于iec61131-3国际标准编程语言 iec61131-3国际标准编程语言包括图形化编程语言和文本化编程两大类型语言。其中，图形化编程语言包括3种：1.梯形图(ld－ladder diagram)；2.功能块图(fbd－function block diagram)；3.顺序功能图(sfc－sequential function chart)。文本化编程语言包括2种：1.指令表(il-instruction list)；2.结构化文本 (st-strutured text)。 早已经纳入iec61131-3国际标准编程语言的顺序功能图(sequential function chart简称sfc)是描述控制系统的顺控过程、功能和特性的标准化plc专用国际图形顺控编程主流语言。sfc是设计可编程控制器的顺序控制程序的主要工具，它由步、动作(或命令)、转换、转换条件和有向连线组成，如图1所示。设计的顺序功能图必须要由步和有向连线组成闭合回路，使系统能够多次重复执行同一工艺过程，不出现中断的现象。 本文特别指出，对于具有sfc语言直接实现顺控编程功能的plc不在本文研讨之列。本文仅仅使用sfc概念研讨那些不具备sfc标准专用顺控编程语言的小型plc的顺控编程论题。尽管可编程控制器梯形图顺序控制设计不是plc顺控编程的主流方法，但是梯形图顺控编程技术却是相当多的小型plc用户经常遇到的实际问题，也是本题具有重要实际意义之所在。 3 顺序控制设计方法 某可编程控制器控制回转工作台控制钻孔过程是：当回转工作台不转、钻头回转时，若传感器x0检测到工件到位，钻头向下工进y0，当钻到一定深度钻头套筒压到下接近开关x1时，计时器t0计时，4s后快退y1到上接近开关x2，就回到了原位。顺序功能图如图1所示。 3.1 使用起保停电路的顺序控制设计法 起保停电路即起动保持停止电路，是在梯形图设计中应用比较广泛的一种电路。其工作原理是，当输入信号的常开触点接通，输出信号的线圈得电，同时使输入信号进行“自锁”或“自保持”，即输入信号的常开触点失去作用。如图2为使用起保停电路设计方式编制与图1顺序功能图所对应的梯形图。从图2很容易看出s0=m0，s20=m1，s21=m2，s22=m3。将m3和x2的动合触点串联作为m0的启动电路。可编程控制器开始运行时应将m0置为“1”状态，否则系统无法工作，故将m8002的动合触点与启动电路并联，并用m0的动合触点自保持，后继步m1的动断触点与m0的线圈串联，当m1为“1”状态时m0的线圈“断电”。 起保停电路顺序控制梯形图的设计法：由于步是根据输出变量的状态变化来划分的。因此它们之间的关系极为简单，可以分为如下两种情况处理。 (1)某一输出量仅在某一步中为“1”，本例中y0、t0、y1均属于这种情况，可以将它们的线圈分别于对应步的辅助继电器m1、m2、m3并联。当然也可以用y0代替m1，t0代替m2，y1代替m3，可省些编程元件，但可编程控制器的辅助继电器是完全够用的，多用一些内部编程元件不会增加硬件费用，在设计和键入程序时也不会花费太多时间。反而全部用辅助继电器来代表步，具有概念清楚、编程规范、梯形图易于阅读和易查错的优点。 (2)某一输出继电器在几步中都为“1”状态，应将代表各有关步的辅助继电器的动合触点并联后，驱动该输出继电器线圈，这样就避免了双线圈输出问题。 3.2 使用置位复位指令的顺序控制设计法 在使用置位复位指令的编程方式中，用某一转换所有前级步对应辅助继电器常开触点与转换对应触点或电路串联，作为使所有后续步对应辅助继电器置位和使所有前级步对应辅助继电器复位条件。对简单顺序控制系统也可直接对输出继电器置位或复位。在用此方法编写的上述实例的梯形图中(如图3所示)，初始化脉冲m8002使得初始步辅助继电器m0置位，当x0表示的触点闭合时，下级步辅助继电器m1便被置位，同时初始步辅助继电器m0被复位。然后依次下去，使得所有步对应的m0～m3有规律的被置位和复位，同时各步对应的动作也有规律地被执行和停止。 使用置位复位指令的顺序控制设计法注意事项： (1)由于可编程控制器对用户程序（梯形图）按先左后右、从上至下的步序，逐步执行程序指令，因此在这种编程方法中应将每一步的set指令放在ret之上。 (2)不能将输出继电器的线圈与set，rst指令并联，这是因为图中前级步和转换条件对应的串联电路接通的时间是相当短的，转换条件满足后前级步马上被复位，该串联电路被断开，而输出继电器的线圈至少在某一步对应的全部时间内被接通，所以应该根据顺序控制功能图用代表步的辅助继电器的动合触点或它们的并联电路来驱动输出继电器线圈。 3.3 使用步进指令的顺序控制设计法 日本三菱可编程控制器中除了基本指令之外，增加了两条简单的顺序控制指令：[1]步进指令（stl）、[2]步进结束指令（ret）。其它步骤只能用状态寄存器s来表示，状态寄存器有断电保持功能，编制顺序控制程序时应与顺序控制指令一起使用，状态寄存器s必须用置位指令set置位，这样才能使提供的stl触点具有控制功能。否则状态寄存器s与一般中间继电器m相同。步进梯形图中不同步进段允许有双重输出，即允许有重号负载输出，步进触点结束时要用ret指令使后面程序返回原母线。在用此方法编写的上述实例的梯形图中，如图4所示。初始步s0首先被置位，然后当转换条件x0满足时，对应步s20被置位，驱动输出线圈y0。然后依次下去，使对应的步s20～s22有规律的被置位和复位。同时各步对应的动作也有规律地被执行和停止。 图6 用移位寄存器对数据移位、复位处理 图7 顺序控制设计法应用举例 图8 简化示意图 3.4 使用位移指令的顺序控制设计法 图5为位右移指令（sftr）指令格式和功能说明。（d）为n1位移位寄存器，（s）为n2位数据，且有n2≤n1≤1024。当x0为on时，执行该指令，向右移位。每次4位一起向前移动，其中x3～x0→m15～m12，m15～m12→m11～m8，m11～m8→m7～m4，m7～m4→m3～m0，m3～m0移出，即从高位移入，低位移出。sftr(p)为脉冲型指令，仅执行一次移位操作。sftr为连续型指令，每个扫描周期都执行一次移位操作。 sftl为位左移指令，指令格式和功能说明与sftr类同，只是向左移位。同样sftl(p)为脉冲型指令，sftl为连续型指令。在此例中我们用到脉冲执行型位左移指令sftl(p)。 从顺序功能图可以看出，各步中一个步某时刻接通而其他步都断开，把各步用辅助继电器m0～m3代替，就很容易用位左移指令实现控制。图5为用位左移指令编程的梯形图，采用辅助继电器m0～m3代替各步，组成1个环形移位寄存器，用移位寄存器对数据移位、复位处理，如图6所示。 4 归纳研讨 通过对以上四种编程进行比较分析，我们不难发现本文所介绍的四种顺序控制设计法具有以下的特点： 4.1 起保停电路的梯形图顺序控制设计法 使用起保停电路的梯形图顺序控制设计法，仅仅使用与触点和线圈有关指令，无需编程元件做中间环节，任何一种可编程控制器的指令系统都有这类指令，因此是一种通用的编程方法，这种编程方法更具优势的是与传统继电器控制电路基本相类似，一般原继电器控制系统可编程控制器改造过程中应用较多。 4.2 置位复位指令的顺序控制设计法 使用置位复位指令的顺序控制设计法，是一种规律性比较强的设计方法。梯形图转换实现的基本规则之间有着严格的对应关系，较好的体现了sfc中的转换原则。这种方法具有编程简单、思路清晰、便于阅读的特点，尤其是对于复杂的顺序控制系统。另外，这种方法使用的是置位指令(s)和复位指令(r)，而对于各种型号的可编程控制器一般都具有，因此这种设计方法的通用性也比较好。一般多用于自动控制系统中手动控制程序编程。但是，由于此方法在设计梯形图时不允许输出位的线圈与置位指令复位指令并联，必须用表示各步的辅助继电器位的常开触点或它们的并联电路去驱动输出线圈，因此梯形图中的语句条数比较多，程序的执行时间会略长一些。 4.3 步进指令的顺序控制设计法 使用步进指令的顺序控制设计法，是一种专门性的设计方法。对于不同型号的可编程控制器具有不同的步进指令，它们之间目前还不能实现功能互换。但是，它是一些可编程控制器自带的一种设计方法，使用它在设计复杂的顺序控制系统时，可有效的减小内存占用的空间，减少程序的执行时间，提高可编程控制器输入输出的响应速度。这种编程方法也很容易被初学者接受和掌握，有经验工程师，也会提高设计效率，程序调试、修改和阅读也很容易，使用方便，程序也较短，顺序控制设计中应优先考虑，该法工业自动化控制中应用较多。 4.4 位移指令的顺序控制设计法 使用位移指令的顺序控制设计法，设计的梯形图看起来简洁，所用指令也较少，但对较复杂控制系统设计就不方便，使用过程中线修改能力差，工业控制中使用较少，大多数应用彩灯顺序控制电路中。 5 顺序控制设计法应用举例 在工业控制中顺序控制到处可见，本文以选择性工作传输机为例。 选择性工作传输机用于将大球、小球分类送到右边的两个不同的位置，其工作示意图如如图7所示。 分析：根据图中所标的符号可知，选择性工作传输机的动作有：上、下、左、右四个不同的方位，分别由对应的驱动线圈y1、y2、y4、y3去执行。由y0去接通磁铁吸住球。当吸到的是小球时机构到达下限位，则x2动作。否则，到了一定时间，x2还未动作，则说明机械钳机构不能到达下限位，此时吸到的是大球。再根据判断，把球送到指定的位置。根据工艺要求得出如下简化示意图如图8所示：如图可以看出大球、小球的选择过程属于一种选择性分支问题，是一个复杂的顺序控制系统。结合以上四种顺序控制设计法特点的分析，使用步进指令设计该顺序控制过程会使程序大大简化，可读性增强。 6 结束语 必须指出，本文研讨的多种顺控编程方法的数理逻辑本质都是模拟国际标准fsc语言。在熟练掌握梯形图顺控编程方法的基础上，应根据不同的顺序控制系统，考虑可编程控制器的响应速度，系统的复杂程度以及设计的效率等因素，去选择合适的设计方法。这样才能在实际应用中根据具体情况来选择合适的方法设计顺序控制梯形图，使程序更简洁，可读性更强。 作者：江苏农林职业技术学院 吴继彬 黄伟 位移指令是功能指令中的一类指令。功能指令（functional instruction）也称应用指令（applied instruction）主要用于数据的传送、运算、交换及程序控制等功能。针对于功能指令而言，它有两种形式，一种是采用功能号fnc00～fnc246表示，另一种是采用助记符表示其功能意义。功能号和助记符是一一对应的。 [查看全文]
- 可编程控制器（programmable logical controller，简称PLC）已经越来越多地应用于工业控制系统中，并且在自动控制系统中起着非常重要的作用。所以，对PLC的正确选择是非常重要的。 面对众多生产厂家的各种类型PLC，它们各有优缺点，能够满足用户的各种需求，但在形态、组成、功能、网络、编程等方面各不相容，没有一个统一的标准，无法进行横向比较。下面提出在自动控制系统设计中对PLC选型的一些看法，可以在挑选PLC时作为参考。 可以通过以下几方面的比较，挑选到适合的产品。 一、工作量 这一点尤为重要。在自动控制系统设计之初，就应该对控制点数（数字量及模拟量）有一个准确的统计，这往往是选择PLC的首要条件，一般选择比控制点数多10%~30%的PLC。这有几方面的考虑： 1、可以弥补设计过程中遗漏的点； 2、能够保证在运行过程中个别点有故障时，可以有替代点； 3、将来增加点数的需要。 二、工作环境 工作环境是PLC工作的硬性指标。自控系统将人们从繁忙的工作和恶劣的环境中解脱出来，就要求自控系统能够适应复杂的环境，诸如温度、湿度、噪音、信号屏蔽、工作电压等，各款PLC不尽相同。一定要选择适应实际工作环境的产品。 三、通信网络 现在PLC已不是简单的现场控制，PLC远端通信已成为控制系统必须解决的问题，但各厂家制定的通信协议千差万别，兼容性差。在这一点上主要考虑以下方面： 1、同一厂家产品间的通信。各厂家都有自己的通信协议，并且不止一种。这在大、中型机上表现明显，而在小、微型机上不尽相同，一些厂家出于容量、价格、功能等方面考虑，往往没有或者有与其它协议不同，而且比较简单的通信。所以，在这方面主要考虑的是同一厂家不同类型PLC之间的通信； 2、不同厂家产品间的通信。若所进行的自动控制系统设计属于对已有的自控系统进行部分改造，而所选择的是与原系统不同的PLC，或者设计中需要2个或2个以上的PLC，而选用了不同厂家的产品，这就需考虑不同厂家产品之间的通信问题； 3、是否有利于将来。由于各厂家制定的通信协议各不相同，国际上也无统一标准，所以在PLC选型上受到很大限制。就要考虑影响面大、有发展的、功能完备、接近通用的通信协议。 四、编程 程序是整个自动控制系统的“心脏”，程序编制的好坏直接影响到整个自动控制系统的运作。编程器及编程软件有些厂家要求额外购买，并且价格不菲，这一点也需考虑在内。 1、编程方法 一种是使用厂家提供的专用编程器。也分各种规格型号，大型编程器功能完备，适合各型号PLC，价格高；小型编程器结构小巧，便于携带，价格低，但功能简单，适用性差；另一种是使用依托个人电脑应用平台的编程软件，现已被大多数生产厂家采用。各生产厂家由于各自的产品不同，往往只研制出适合于自己产品的编程软件，而编程软件的风格、界面、应用平台、灵活性、适应性、易于编程等都只有在用户亲自操作之后才能给予*价。 2、编程语言 编程语言最为复杂，多种多样，看似相同，但不通用。最常用的可以划分为以下5类编程语言： （1）梯形图 这是PLC厂家采用最多的编程语言，最初是由继电器控制图演变过来的，比较简单，对离散控制和互锁逻辑最为有用； （2）顺序功能图 它提供了总的结构，并与状态定位处理或机器控制应用相互协调； （3）功能块图 它提供了一个有效的开发环境，并且特别适用于过程控制应用； （4）结构化文本 这是一种类似用于计算机的编程语言，它适用于对复杂算法及数据处理； （5）指令表 它为优化编码性能提供了一个环境，与汇编语言非常相似。 厂家提供的编程软件中一般包括一种或几种编程语言，如TE公司的XTEL编程软件可以使用梯形图（Ladder）、顺序功能图（Grafcet）、结构化文本（Literal）3 种编程语言；Siemens公司的Step7编程软件可以使用梯形图（Ladder）、指令表（STL）两种编程语言；Modicon公司的Modsoft编程软件只使用梯形图（984 梯形）一种编程语言，而另一个Concept编程软件可以使用5种编程语言，依次为梯形图（LD）、顺序功能图（SFC）、功能块图（FBD）、结构化文本（ST）、指令表（IL）。同一编程软件下的编程语言大多数可以互换，一般选择自己比较熟悉的编程语言。 3、存储器 PLC存储器是保存程序和数据的地方，分内制式和外插式两种，存储器容量在512~128M字节之间，一定要根据实际情况选取足够大的存储器，并且要求有一部分空余作为缓存。 PLC存储器按照类型可分随机存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、可擦除只读存储器（EPROM）等。RAM可以任意读写，在掉电后程序只能保持一段时间，最适合于在自控系统调试时使用。ROM只能读不能写，程序是由厂家或开发商事先固化的，不能更改，即使失电也不丢失。EPROM与ROM只是EPROM通过特殊的方式（如紫外线）可以擦除再写，适合于应用在长时间工作而改动不大的系统中。 4、易于更改 PLC较继电器控制的另一个优势在于它可以根据实际需要任意更改控制结构（或控制过程），这就要求更改程序方便快捷。 5、是否有专用模块 部分生产厂家的PLC产品提供一些专用模块，如通信模块、PID控制模块、计数器模块、模拟输入/输出模块等。在软件上也提供了与此相对应的程序块，往往只是简单的输入一些参数就能实现，便于用户编程。 五、与监控系统的通信 1、人机对话操作台。这是监控系统的早期产品类型，是生产厂家专为自己的PLC产品设计的，最适合于点对点控制。结构简单，功能少，面板控制，操作较易，现仍然广泛地应用于现场控制系统中。其优点是在远端控制失效的时候，仍能很好地控制现场。 2、随着计算机的不断发展，依靠PC（包括工控机）的监控系统越来越多地应用在自控系统中，这种监控系统一种是PLC开发商专为自己的（或特定的）产品量身定做的；另一种是软件开发公司开发的适合大多数PLC产品的监控系统。前一种与PLC产品的相容性强，能够根据PLC产品的特点制定相应的控制方案，应该说仍以PLC为中心；后一种则抛开了PLC产品，注重计算机在图像、动画、声音、网络、数据等方面的优势，给二次开发人员提供了较宽松的开发条件，往往可以制作出优秀的监控系统，只要有相应的通信协议（目前已拥有了绝大多数生产厂家的通信协议），就可以与各种类型PLC相连，是当今自控系统首选。所以，在这方面应考虑所选的PLC与监控系统的通信方式是否可行。 六、可延性 这里包括三个方面含义： 1、产品寿命。大致可以保证所选择的PLC的使用年限，尽量购买生产日期较近的产品； 2、产品连续性。生产厂家对PLC产品的不断开发升级是否向下兼容，这决定是否有利于现系统对将来新增加功能的应用； 3、产品的更新周期。当某一种型号PLC（或PLC模块）被淘汰后，生产厂家是否能够保证有足够的备品（或备件）。这时应考虑选择当时比较新型的PLC。 七、售后服务与技术支持 1、选择好的公司产品； 2、选择信誉好的代理商； 3、是否有较强的售后服务与技术支持。 八、性价比 相对于自控系统性能的好坏优先于价格的选择。只是在前面几项比较接近，又不易选择时，才考虑价格因数，选择性价比比较高的产品。 在实际选型过程中，往往受到多方面的制约，不一定要考虑以上全部方面，但其中有些项是必须考虑的，而存在的问题也必须通过其它替代方式加以解决。 一般来说通过前5项的比较，已可确定2~3种产品，再考虑到后几项，便可选中较满意的PLC。随着科学技术的不断发展，PLC产品也一定会有一个统一的标准。那时，挑选PLC将不再是困难的事情。 [查看全文]
- 1 GPRS技术简介 GPRS(General Packet Radio Service，通用分组无线业务)是一种基于第二代移动通信系统GSM的无线分组交换技术，特别适用于间断的、突发性的或频繁的、少量的数据传输，也适用于偶尔的大数据量传输。GPRS的传输速率最高可达171．2 kbps，实际应用中的平均速率也高达53．6kbps。GPRS为移动用户和数据网络之间提供连接，为移动用户提供高速无线接口和X．25服务。GPRS采用数据分组交换技术，每个用户可同时占用多个无线信道，同一无线信道又可以有多个用户共享，因而资源被有效利用。用户永远在线，按流量计费，降低了服务成本。 利用GPRS进行数据传输具有如下的优点： ①接入范围广。GPRS是在现有的GSM网上升级，可充分利用全国范围的电信网络，可以方便、快速、低成本地为用户数据终端提供远程接入网络的部署。 ②传输速率高。理论值最高可达171．2 kbps，是当前GSM网络中电路数据交换业务速度的十几倍。下一代GPRS业务的速度甚至可以达到384 kbps，完全可以满足用户应用需求。 ③登陆快捷。GPRS接入等待时间短，可快速建立连接，平均耗时为2 s。 ④永远在线，提供实时在线功能。“实时在线”或“永远在线”即用户随时与网络保持联系。即使没有数据传送，终端也一直与网络保持联系，这将使访问服务变得非常简单、快速。 ⑤按流量计费。用户只有在发送或接收数据期间才占用无线资源，按照用户接收和发送数据包的数量计费。没有数据流量时，用户即使挂在网上也不收费。 ⑥切换自如。用户在进行数据传送时，不影响语音信号接收。数据业务和语音业务的切换有自动和手动2种方式，具体形式依据不同终端而定。 2 系统总体结构 按照路灯远程测控系统的设计要求和要实现的功能，将系统大体分为中央控制室、集中控制器和路灯控制器3层网络结构。系统的总体结构如图1所示。 第1层中央控制室是l台PC服务器，负责整个城市路灯的监控；第2层集中控制器负责一条街上全部路灯的控制；第3层路灯控制器负责同一灯杆上的所有灯具。其中，l层与2层之间使用了GPRS无线通信网，这两层之间距离远，虽然通信成本较高但通信成员少。2层与3层应用了窄带电力线载波通信技术，利用现有的电力线传输信号，不用另外铺设线缆，几乎没有运行成本，特别适合通信对象多的情况。 另外，本设计还具有电量计量等功能，由电压互感器和电流互感器对各路段路灯的电力参数进行实时采集，将采集到的数据进行分析和存储，或者通过监控中心的巡检把现场各路段工作参数(包括电压电流开关量等)传回监控中心。监测终端能自动检测到跳闸、断路、电压异常、供电故障、开关灯控制异常等突发事件，并及时将告警数据上传监控中心，以供监控中心值班人员及时了解情况做出处理。GPRS通信网络是监控中心与无线数据采集监测终端的数据传输通道，选用固定IP地址方式通过GPRS网络将所采集到的工作参数主动、及时地上传到监控中心。 3 系统硬件设计 3．1 GPRS发送模块电路设计 GPRS模块主要实现无线上网的功能。市场上有一些成熟的产品，譬如说Sony／Eircsson公司的M47c、Simens公司的MC35等。这里选用Cello公司的CMS91，它是一种双频段GSM／GPRSlO级模块，主要优点有低功耗、接口简单、AT指令功能完善、可支持GPRS CLASS10、开发多媒体应用、价格较低等。同时，它也提供SMS(短消息服务)和语音功能。GPRS模块提供RS232接口，可以通过它来完成对模块的控制，譬如拨号和切换模式等。一旦通过模块连接上Internet，采集到的数据就可以用TCP／IP传输方式发送到任意一台具有公网IP地址的主机上去，从而实现采集数据的无线传输。图2给出了由CMS91构成的GPRS发送模块的电路原理图。 在该设计中，CMS91模块相当于1个无线调制解调器用户的应用系统，需要通过PPP(LCP／PAP／IPCP)先和运营商的Internet接入服务器连接，然后才能应用TCP／IP／UDP或者更高一层的应用层程序(如HTTP、FTP等)进行通信。该模块已经集成了1个天线接收机模块，实际使用时需接入SIM卡插座。GPRS终端是通过RS232接口与设备进行通信的，利用电平转换芯片MAX232实现了微处理器的TTL电平与RS232电平的转换。MAX232能满足TIA／EIA-232-F和1TU v．28标准的要求，其工作电源电压为3～5．5 V，有1个驱动器和1个接收器，数据速率最高可达250 kbps，该芯片具有静电保护功能和自动掉线的特点。 3．2 电力线载波模块设计 电力线接口模块由线驱动器和线接口组成，它的主要功能是： ①发送模式中，用于将ST7537送来的传送信号(AT0)放大和滤波； ②接收模式中，从电力线给ST7537的接收口提供接收信号； ③有抵制尖峰脉冲和过载的保护电路。 电力线接口模块的框图如图3所示。线驱动器起放大ST7537的输出信号(AT0)的作用。为了使线驱动器适用于电力线，使用了线接口。在线接口中使用了变压器，其功能为： 把其他电路与电力线隔离开； 把传输信号送到电力线上去； 从电力线中提取出接收信号； 滤除传输信号中的谐波。 电力线接口模块的电路原理图如图4所示。 复合晶体管Q1、Q2、Q3、Q4组成推挽式放大器。电阻R1、R2可使放大器获得最佳性能。当(接收模式)时，ST7537输出信号PABC=1和使双极型晶体管Q1和Q5截止，切断了功率放大器的电源，功放不工作。 变压器由1个主绕组和2个副绕组组成。绕组比例为4：1：1，其参数为：主绕组9．4μH，副绕组140μH，C1=2．2 nF。为了防止非线性畸变，C2的线性必须非常好，C3滤除从电力线过来的50／60 Hz的信号，并有短路保护功能。当相位不知时，使用附加电容C4加到C3上去，组成放电回路，避免发生触电危险。 为了避免尖峰信号对电路的破坏，采用1个双向稳压管。当电压值大于或等于稳压管电压时，稳压管就会短接到地，保护接口电路地器件不会被烧坏。 另外，该系统采用了Dallas半导体公司的DS1302涓流充电时钟芯片。该芯片是可编程I2C串行接口时钟芯片，还提供31字节的非易失SRAM用于数据存储。优点是电路结构简单，可以通过单片机的任意I／O口作为SCL和SDA信号线，编程简单，成本较低。 4 系统软件设计 系统主要采用无线Modem CMS91来进行历史数据、实时数据以及报告信息的远程传输。通过单片机AT指令对CMS91进行上网前的设置和数据的传输。当收到CMS91的正确反馈回答后，1条物理信道就在CMS91和GPRS网络之间建立起来。单片机通过向Modem发送不同的AT命令来控制其工作。 CMS91加电后，应用程序需通过P0口操作CMS91的ON／OFF控制位，CMS91正式启动的过程大约3～5 s，若CMS91接有有效的SIM卡，CMS91将附着在GPRS网络。对CMS91的串口读写操作仍然由中断服务程序来实现，复位上电后，程序先进行工作频率等参数的设置，然后进行拨号和PPP协商。PPP协商成功后，将得到系统本地IP，一旦获得自己的IP，系统实际上就已经连入Internet，但要和连入Internet的另一IP终端通信，就还需要与另一IP终端进行端对端的TCP连接。在TCP连接成功后，整个程序将保持这个连接状态。进入TCP连接状态后，可能会收到TCP连接的另一IP终端发来的数据，在层层解包处理之后，便可以得到TCP层之上的种种应用层数据。如果要向对方发送数据，则要先进行中断请求发送，在等到TCP连接建立之后方可发送。这部分TCP／IP协议的处理由CMS91内嵌的单片机来完成。 GPRS模块发送子程序和接收子程序的流程如图5所示。 5 结论 本文设计的基于GPRS和PLC的远程路灯监控系统，相对于以往的时钟以及光电控制路灯，能够对路灯线路进行有效的监控，实现遥控、遥测和遥信功能，而且运行稳定、可靠。该设计采用GPRS和PLC进行通信，无需重新铺设线缆和构建新的通信网络，运行成本很低，具有很好的应用和推广价值。 [查看全文]
- 1 引 言 地铁的供电系统为地铁运营提供电能。无论地铁列车还是地铁中的辅助设施都依赖电能。地铁供电电源一般取自城市电网，通过城市电网一次电力系统和地铁供电系统实现输送或变换，然后以适当的电压等级供给地铁各类设备。 地铁全面采用变电站自动化设计，由于变电站数量多、设备多，在加上其完善的综合功能，信息交换量大，而且要求信息传输速度快和准确无误。在变电站综合自动化系统中，监控系统至关重要，是确保整个系统可靠运行的关键。 变电站自动化系统，经过几代的发展，已经进入了分散式控制系统时代。遥测、遥信、遥控命令执行和继电保护功能等均由现场单元部件独立完成，并将这些信息通过通讯系统送至后台计算机系统。变电站自动化的综合功能均由后台计算机系统承担。 将变电站中的微机保护、微机监控等装置通过计算机网络和现代通信技术集成为一体化的自动化系统。它取消了传统的控制屏台、表计等常规设备，因而节省了控制电缆，缩小了控制室面积。 2 地铁变电站自动化系统组成 在本地铁变电站自动化系统设计中，采用分层分布式功能分割方案。系统纵向分三层，即变电站管理层、网络通讯层和间隔设备层。分层式设计有利于系统功能的划分，结构清晰明了。系统采用集中管理、分散布置的模式，各下位监控单元安装于各开关柜内，上位监控单元通过所内通信网络对其进行监视控制。变电站自动化系统需要对35kV交流微机保护测控装置、直流1500kV牵引系统微机保护测控装置、380/220V监测装置、变压器及整流器的温控装置、直流/交流电源屏等设备进行监控和数据采集。 由于可编程序控制器技术经过几十年的发展，已经相当成熟。其品种齐全，功能繁多，已被广泛应用于工业控制的各个领域。用PLC来实现地铁变电站自动化的RTU功能，能够很好地满足“三遥”的要求。本系统采用了Modicon Quantum系列PLC，来实现变电站自动化的RTU功能。Quantum具有模块化，可扩展的体系结构，用于工业和制造过程实时控制。对应于变电站的电压等级和点数的多少，可以选用大、中、小型不同容量的PLC产品。 随着当地保护装置功能的日益强大，可以通过与保护装置的通讯来实现遥控和遥信功能。一些特殊要求的情况下，采用DI、DO、AI模块来实现遥控和遥信。使用PLC的DI模块来实现遥信、用PLC的DO模块来实现遥控、用PLC的AI模块来实现遥测、用PLC的通信功来完成与微机保护单元的通讯。利用PLC的各种模块可以很方便的实现“三遥”基本功能。 3 地铁变电站自动化系统设计 3.1 系统结构 变电站管理单元内的主监控部分采用可编程控制器PLC。CPU模块采用80586处理器,主频66MHz，内存2M，并配有存放数据、可调参数和软件的 RAM和FLASH MEMORY。能对CPU及I/O进行自诊断。 电源模块，采用冗余配置。电源采用冗余配置，系统输入两路直流电源，保证系统在1路电源失电时，系统仍可无扰动安全运行，提高系统的可靠性。通讯模块采用Modbus＋通讯模块。系统结构如图1所示: 图1 系统结构图 间隔层的微机保护装置经过RS-485总线分成几个组，连接到网桥的Modbus通讯口上，通过网桥收集数据并将这些数据通过MB+网络送到主监控单元PLC。 系统的主监控单元可通过可编程网桥编制不同的规约，满足与不同智能设备之间的接口需要。MODBUS网桥NW-BM85C002 MB+网桥/多路转换器，每台网桥具有4个通讯口与间隔层的智能设备通讯，网桥将MODBUS协议的数据进行协议转化，通过MB+网络与PLC建立网络通讯;同时在中央信号屏中还配有可编程网桥NW-BM85C485，通过MB+网络与PLC连接，每个可编程网桥具有四个通讯协议可编程的RS-485口，在本方案中对其中的两个口进行编程，使之通过IEC-60870-7-101与中央控制中心通讯。 系统网络通讯层向上通过可编程网桥的RS-422接口采用IEC60870-5-101国际标准规约实现与控制中心通讯;向下网络通讯层通过网桥RS-422接口MODBUS标准规约实现与主变电站内的各开关柜或保护屏内的微机综合保护测控单元等智能装置通讯，满足变电所综合自动化系统控制、测量、保护的技术要求。通过网桥与智能设备及控制中心通讯，由网桥实现协议转换，降低PLC的CPU模块负荷率，提高系统的可靠性。 配置液晶显示器，用于变电所内监控、软件维护，设备调试，站控层操作等人机接口。带有液晶显示器实现站内数据的显示和控制。液晶显示以汉字实时显示所内所有事故、预告信号、所内各微机综合保护测控单元的运行状态。事件变位的内容、时间等。当多个事故信号同时发生时,液晶显示报警装置按新旧次序，在所内时间分辨率的范围内依次显示各种信息,并能存储。操作员通过按钮对显示进行选择,必要时操作员可通过该组操作按钮对开关进行所内集中控制。 “就地-远方”控制切换装置。为便于系统运行的需要，在中央信号屏内装有“就地-远方”切换开关，实现就地控制和远方控制之间的方式切换和闭锁。在变电站控制上，方便分层控制和管理。 系统的电源采用冗余配置，系统输入两路直流电源，保证系统在一路电源失电时，系统仍可无扰动安全运行，提高系统的可靠性。 3.2 开放式、宜扩展性设计 可以与满足相应标准规约(profibus, spabus, modbus等)的其它公司相关的(IED)互联进行信息交换。充分考虑到变电站扩建、改造等因素，间隔层设备基于模块式标准化设计，可根据要求随意配置，变电站层设备设置灵活。 网络通讯层设计考虑到工业以太网、CAN、422、modbus＋等现场总线的接口设计，能充分满足大流量实时数据传送的实时性和可靠性。 3.3 软件设计 PLC软件方面，由于PLC以循环扫描和中断两种方式来执行程序。为了完成所有RTU功能，PLC采用循环扫描方式，与各个间隔层保护单元进行通讯。通过Modbus总线，读取各个保护单元的遥测、遥信信息，同时通过总线通讯对各个智能保护装置进行设点操作，实现对开关的遥控功能。本系统采用了Quantum系列PLC配套的concept编程软件中的FBD方式，进行了PLC的组态，实现了变电站自动化的三遥功能。 如图2所示的遥控功能的组态。通过使用合适的功能块的组合，可以实现你所要的功能。其中的功能块有concept软件的FFB libarary 提供的标准功能块，也可以自己定义，自己独特的功能块。 图2 遥控功能的组态 遥信的实现，有两种方式。一种是通讯方式，当变电站设备发生变位时，通过PLC与智能保护装置的通讯，读取变位的信息到PLC中，并将其上送给控制中心。另一种为DI模块方式，通过连接设备的位置继电器，PLC的DI模块能够感知设备的变位信息。 遥测的实现也包含两种方式。一种是通讯方式，PLC通过与智能保护装置的通讯，实时获取保护装置采集的遥测量信息，相当于由保护装置完成现场级的采集功能。另一种为AI模块方式，由PLC自己来完成现场的遥测量采集，并将采集到的数据存放在RAM中。网桥将RAM中的遥测量信息，作为二级数据，实时的与控制中心进行通讯。 网桥中的报文接收分析程序分析控制中心传来的报文，如果分析认为其是遥控报文，对其进行报文解析，将获取的遥控对象信息写入PLC，由PLC程序与智能保护装置通讯，来完成遥控功能。 3.4 系统功能及特点 变电站自动化实施对变电站各种设备进行实时控制和数据采集，实现对各种设备的微机控制、监视、逻辑闭锁、微机测量以及实现所间开关联跳功能。 变电站自动化系统的特点： (1) 完善的自检功能，除通过通信对各单元进行监控外，各单元中保护和监控模块都具有极强的自检功能，同时二者相互监视，一旦发生异常，及时报警，提高系统运行可靠性。 (2) 开关、刀闸状态信息采用常开及常闭双位置接点，通过软件判断其合法性。 (3) 监控系统采用PLC代替传统的RTU，各智能模块采集的数据通过现场总线上传到通讯控制器。 (4) 取消了常规光字牌，采用计算机模拟光字牌，并按不同电压等级的分层模式来显示。 (5) 简化防误闭锁设计，重要设备之间用硬接线实现闭锁功能，综合自动化软件具备软件逻辑判别功能，但考虑到已有运行和检修经验，一般不在后台软件中进行闭锁。 (6) 对暂态变位信号，经软件处理，采用自保持方式，未经人工确认信号不会消失。 4 结束语 在实际运行中，网桥与控制中心的双通道设计，给运营和检修带来了很大的便利。因为是软件自动切换，克服了进口系统手动切换通道的缺点，通道的状态由软件来判断，大大提高了发现问题的及时性。双通道同时出现故障的概率并不是很高，实际运营中有在备用通道长时间运行的情况，这样就给检修人员预留了充足的时间来检查问题。 PLC硬件由于应用工业级可靠性设计，因此实际运行中非常可靠，绝少出现死机的情况，可靠性远高于采用windows操作系统的通用计算机，很好的满足了供电监控的要求。从交付使用到现在PLC还没有出现过硬件故障，凸显了PLC对地铁的潮湿、高温环境的适应性。模块化的设计也使的系统的检修和更换更为便捷。 需要更改进的方面，就是对通信的改进。由于设计中没有采用光纤通讯模块，各设备对由绝缘检修和线缆破损窜进来的高压电，不能非常有效的隔离，会造成设备的高压击穿，造成不必要的损失，计划在今后的设计中对于高电压的隔离方面加以改进，就可以很好的避免这种问题。 [查看全文]
- 1 引 言 plc是近四十年发展起来的现代工业控制技术，由于它把计算机的编程灵活、功能齐全、应用面广等优点和继电器系统的控制简单、使用方便、抗干扰能力强、价格便宜等优点结合起来，并且其本身具有体积小、功耗低、性能稳定等特点，因而在工业生产过程控制中的得到了广泛应用，被称为现代工业自动化的三大支柱(plc、 数控技术、工业机器人)之一。 对于输入输出点数比较少的系统可以不需要接口扩展；当点数较多时，需要进行输入输出扩展。不同公司的plc产品，对系统总点数及扩展模块数量都有限制，当扩展仍不能满足需要时，就不得不使用网络结构，这既增加了系统的复杂度，也提高了系统成本。 针对大量开关量信号输入的问题，以日本三菱公司的fx系列plc为例，本文设计了一种基于组扫描输入的plc开关量采集方法，借助于输入接口板，可以实现多个开关输入信号接入plc单个输入点，使用这种方法，对输入点数较多的控制系统，可以节省plc的输入点数，提高plc的信息采集效率效率，对降低控制系统成本具有重要意义。 2 硬件设计 对于工业现场中经常会用到的开关、按钮等开关量信号，通常按照图1的配线方法接入plc的输入点，该方法以com端作为所有开关量输入信号的公共端，每一个开关或按钮接入一个plc的输入点。 图1 常用开关量信号接入方法 为解决大量开关量信号输入问题，利用信号扫描原理，设计了一种基于组扫描输入的plc开关量输入采集方法，硬件结构如图2所示。图中以16个开关量输入信号为例，这16个开关量输入信号被分为4组，分别接入四块接口板(每块接口板可接入4路信号，通过二极管输出)。通过接口板后，k1、k5、k9、k13均接入plc的x1输入端，依此类推，k2、k6、k10、k14均接入plc的x2输入端，k3、k7、k11、k15均接入plc的x3输入端，k4、k8、k12、k16均接入plc的x4输入端，16个开关量输入信号只占用了plc的4个输入端。 4块接口板分别由plc的4个输出y1～y4选通(用虚线画出)，如当y1有效而y2～y4均无效时，接口板i被选通，此时k1～k4的信号被送入x1～x4，当y2有效而y1、y3、y4无效时，k5～k8的信号被送入x1～x4，另外两组信号的送入方法相同。在这种结构中，输出端y代替com作为公共端。 这样每个周期扫描4次，可分4次将16个信号送到plc的输入端，每次扫描过后在程序中将x1～x4的状态转移到其他位置。16个输入信号仅占用了4个输入端和4个输出端，节省了一半的plc输入输出点数，在实际使用中还可以根据需要进行灵活扩展，获得更高的使用效率。如若每块接口板上接8个开关量输入信号，4块板共接入32个输入信号，共占用plc的8个输入端，输出端仍然是4个。 设计时要注意接口板中二极管的选择，一定要选择质量高、稳定性好的二极管，如果出现二极管损坏或击穿的情况，将会出现输入信号不能被正确送入plc输入端或出现输入紊乱。另外输入信号的组数不宜过多，图2中是4组，若每次扫描时间间隔为100ms，则4次扫描的扫描周期是400ms，输入信号的延迟最大可能达到400ms，若组数过多(如超过10组)，会出现信号延迟导致系统的灵敏度下降。 图2 基于组扫描的plc开关量输入采集硬件结构 图3 软件流程图 3 软件设计 在软件设计中要考虑两个主要的问题。一是要定时输出单个扫描选通信号，用来选通相应的接口板，二是要及时将扫描进来的数据转移到其他位置。在这种plc输入设计方法中，在每个扫描周期，每组开关量信号中的一个依次送入一个plc输入端，这样就必须在下次扫描数据来临前将上一次扫描进来的开关量信号状态转移到其他位置保存。 图3为软件流程图，基于上述考虑设计的软件程序(梯形图)如图4所示。每次扫描时间间隔100ms，16个开关量信息采集到plc后分别送入m100～m115保存，指令rol和ref的含义分别是循环左移和输出刷新。 图4 支持多点扫描输入的plc输入软件实现 4 结束语 本文设计的一种基于组扫描输入的plc开关量采集方法，利用信号扫描原理，能有效解决工业现场中存在的大量开关量信号输入问题，该方法可以大大减少plc的输入点数，降低控制系统设计成本，系统结构稳定，扩展性、灵活性好，具有一定的使用价值和推广意义。 [查看全文]
- 1引言 风力发电技术发展很快，装机容量不断增大，在世界各地都受到了广泛重视。在目前的变速恒频风电系统中，使用双馈感应发电机（DFIG）的双馈型风电系统市场份额最大，使用永磁同步发电机（PMSG）的直驱型系统发展很快[1-2]。不管是双馈型还是直驱型风电系统，其整体控制都比较复杂，需要有主控系统来协调变桨、偏航、变流器、测量、保护和监控等多项环节，且风电系统通常运行环境比较恶劣，各执行机构之间可能存在一定的距离，因此通讯问题至关重要 [3-4]。 可编程序控制器（Programmable Logic Controller，PLC），是一种专为工业环境应用而设计的电子系统，采用可编程序的存储器，在内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的生产过程。PLC具有编程简单，使用方便，抗干扰能力强，在特殊的环境中仍能可靠地工作，故障修复时间短，维护方便，接口功能强等优点[5]，因此非常适合风电系统使用。 本文首先说明了了风力发电通讯系统结构，选择罗克韦尔自动化的Controllogix作为主控PLC，实现基于PLC的风电通讯系统；基于VC++实现通讯系统上位监控，讨论了VC++实现原理，给出了基于Controllogix的直驱风电通讯系统监控效果。 2 风力发电通讯系统结构说明 直接驱动型风电发电系统结构图如图1所示，包括风电机组，永磁同步发电机，背靠背变流器，由DSP为核心构成的变流器控制器，由PLC为核心构成的风力发电主控系统及上位机。通讯系统主要由PLC及上位机构成，PLC还要与变流器控制DSP之间进行通讯，由通讯系统实现对直驱型风电系统的监控，上位机与PLC之间采用串口通讯。PLC作为下位机使用，完成控制、数据采集，以及状态判别等工作；上位机用来完成数据分析、计算、信息存储、状态显示、打印输出等功能，从而实现对风电系统的实时监控。 图1 直接驱动型风力发电系统结构图 由图1可以看到，PLC既要与上位机连接，又要与变流器控制DSP连接，图1中变流器采用双DSP控制，其他还有变桨控制器等，可能涉及多个处理器，需要由PLC来进行协调控制，同时要由中央控制室的上位机进行集中监控，因此基于PLC的风力发电通讯系统作用非常重要。 本文选用罗克韦尔自动化的Controllogix作为主控PLC，对直驱型风力发电通讯系统进行初步探索。Controllogix是罗克韦尔公司在1998年推出AB系列的模块化PLC，是目前世界上最具有竞争力的控制系统之一，Controllogix将顺序控制、过程控制、传动控制及运动控制、通讯、IO技术集成在一个平台上，可以为各种工业应用提供强有力的支持，适用于各种场合，最大的特点是可以使用网络将其相互连接，各个控制站之间能够按照客户的要求进行信息的交换。对于Controllogix，在组建通讯网络时，Ethernet/ip、controlnet是比较常用的通讯协议，除此之外，Controllogix还支持devicenet、DH+、RS232、DH485等，而RS-232/DF1端口分配器扩展了控制器的通讯能力。因此，Controllogix比较适合用于构建风力发电通讯系统。 3 基于VC++实现的通讯系统上位监控 为了更加灵活的监控下位机系统的运行，并方便下位机功能的调试和扩充，本文基于VC++6.0开发了与直驱型风电通讯系统配套的上位机软件 CMonitor，可以提供良好的用户界面和工具栏、菜单等多操作途径，并配合形象的位图动画功能来实时显示系统实际状态和拓扑，可以完成对风电系统运行方式和运行参数的控制、修改和监视，完成对历史数据的收集和分析，方便用户对风电系统进行远程监控和调试。 对下位机PLC串口通信模块进行相应初始化后便可以通过PLC的SCIRX和SCITX收发数据，由于PLC接收到的数据除了包含命令字外，可能还有其他的数据信息，因此针对不同类型的命令字必须有不同的处理方法。定义一个变量cmd来保存当前的命令字信息。 struct ｛int ID; int counter;｝ cmd;其中ID是用来标识当前的命令字，counter则辅助记录当前命令字下总共处理过的数据字节数。利用变量cmd可以有效简化下位机通讯功能的实现过程，提高通信函数的稳定性。如图2所示，在SCI通信服务函数中，程序根据cmd.ID的值进入不同的分支，每个命令字的任务执行完毕后都将cmd.ID 赋为0，使空闲时进入0x0分支，不停检测新的指令，功能的修改或扩充只需要对相应分支做修改即可，易于维护。 图2 下位机串口通信函数流程图 图3中列出了几种典型命令字的处理流程，它们均为图2所示流程图的一部分。图3（a）中cmd.ID为0，表示当前无命令字，程序将尝试从串口读取数据，这样一旦有新的命令字，程序便可以马上获知。图3（b）中所示为cmd.ID为0x01时的处理流程，此时表明上位机在测试通信是否正常，如果可以向串口发送数据，则程序在发送完毕表示成功的数据0x01后将cmd.ID重新赋值为0；否则，程序返回，这样cmd.ID未被修改，中断函数在下次运行时仍会处理0x01命令字。图3（c）为处理0x02命令字的流程，根据预先规定0x02对应的指令是禁止PWM输出，当cmd.ID为0x02时，修改相应的寄存器，禁止PWM输出，之后由于要向上位机发送执行成功的信号，也就是发送0x01，因此最后将cmd.ID的值修改为0x01（命令字0x01会在执行完毕后将cmd.ID赋值为0）。这样在下一次执行通信服务函数的时候将会直接进入0x01命令字分支。命令字0x03，0x04，0x05的处理流程与图3（c）相似。 命令字0x06对应的指令是修改系统的运行参数，包括有功电流参考（2个字节），无功电流参考（2个字节），是否使用载波相移和是否使用SVM（1个字节），因此共有5个附加数据，其处理流程如图3（d）所示，程序首先判断串口是否有数据可读，有则读取相应数据并存储，再将计数值加1，之后判断计数值是否已达到5，是则说明5个附加数据已经读取完毕，此时根据读取的数据更新下位机程序中的相应变量，最后将cmd.ID改为0x01，向上位机发送执行成功的响应信号。命令字0x07对应的指令是采集直流电压，其处理流程如图3（e）所示。程序判断是否可向串口发送数据，若可以发送，则根据计数值确定发送低位或者高位，同时计数值加1，之后判断计数值是否为2，是则表明直流电压已经发送完毕，遂将cmd.ID赋值为0，最后程序返回。 图3（f）为命令字0x12的处理流程，其相应指令为禁止PLC存储新的数据并从PLC接收存储的数据，数据共有1600个字节。程序首先判断是否可以向串口发送数据，如果可以发送则根据计数值来发送相应的数据并将计数值加1，之后判断计数值是否达到1600，是则将cmd.ID赋值为0，进入等待新指令环节。 图3中各命令字的处理流程具有典型性，图2中其他命令字的处理流程均可以在图3中找到相对应的一类，因而其实现过程变得简单、直观，模块化程度很高。 4 实现效果 本节给出了上位机软件CMonitor的界面图形，该软件已经具备了较完善的功能，可以应用于下位机程序开发、优化和对对下位机系统的监控中，并通过实际运行证实了有效性。 4.1 启动及登陆界面 CMonitor的启动和登陆界面如图4所示，启动界面显示了软件的名称（Converter Monitor，CMonitor）、版本（V1.0）以及单位信息（中国科学院电工研究所）等；登陆后CMonitor自动测试通信是否正确并检测MSI的工作状态，一切正常后才可以使用软件的各项功能，防止对下位机可能出现的误操作等，提高了系统的安全性和稳定性。 图4 Cmonitor启动及登陆界面 4.2 控制面板界面 控制面板是对直驱型风电系统系统进行控制的主要面板，主要包括如下三部分。 （1）拓扑控制部分。显示了系统的电气连接，包括永磁同步发电机，电机侧PWM变流器，直流母线，电网侧PWM变流器，脉冲开关，并网电感，并网继电器（3-Phase Breaker），三相电网等。单击拓扑图的脉冲开关位置，可以打开或者关闭脉冲开关，从而实现对控制脉冲的控制；单击拓扑图的并网继电器位置，可以断开或者闭合三相继电器，实现风电变流器的并网、脱网。脉冲开关和并网继电器的图形会随着实际电路的变化而变化，因此可以直观的控制和反映系统的实际状态。 （2）参数控制部分。可以修改风电系统在运行中的有功电流（Iq）和无功电流（Id），控制风电系统变流器使用SVM还是SPWM调制方法。 （3）日志记录部分。显示用户在当前面板上的所有操作并给出操作结果，可以回顾用户的各个操作步骤，监视MSI的通信状态并为事故分析提供借鉴和参考。 4.3 数据面板界面 数据面板的功能是对系统运行中的数据进行采集，它提供了两种采集模式：实时数据采集和历史数据采集，均可以对直流电压、电网A相电压、电网B相电压、电网C相电压、调制波A相电压、调制波B相电压、调制波C相电压以及逆变器输出的A相电流、B相电流和C相电流共计十种数据进行采集。 图5所示数据采集面板界面中，左侧为实时数据采集部分，点击相应的采集按钮即会完成采集并显示出来；右侧为历史数据采集部分，点击右上方指示灯下的人形按钮即可以进行历史数据采集并绘制相应的波形。当图5（a）所示的数据采集过程完毕后，虚拟示波器便会将采集到的波形显示出来，如图5（b）所示的数据面板的虚拟示波器界面，用户可以将多达十种变量的波形进行显示、隐藏、移动、放缩等操作，可以用来监视程序运行、验证程序功能，了解程序的工作状态。 图5 数据采集面板界面 4.4 工具面板界面 CMonitor的工具面板界面如图6所示，它可以将Tek示波器波形捕获的波形进行转换，并可以设置虚拟示波器各通道波形的颜色。程序的封面显示了软件的作者和版权等信息，其功能示意图如图6（a）、（b）所示。图6（a）所示为工具面板打开的一个实验波形文件，可以看出该图形底色为黑色，各波形为彩色（明暗程度不同），经过工具面板处理后的波形如图6（b）所示。对比图6（a）和图6（b）可以看出，图6（a）保持了各通道波形与图6（b）相同，但底色却变为了白色，工具面板完成了将示波器波形转化为标准实验波形的功能，方便了对波形的分析。 图6 工具面板界面 5结束语 本文基于罗克韦尔自动化PLC-Controllogix实现了直驱型风力发电通讯系统，主要研究了PLC与上位机之间的串口通讯，基于VC++构建了上位监控软件，可以有效地对风电系统的运行进行监控，显示运行状态，记录历史数据及操作，绘制测试波形，并对实验波形进行处理；可以提供有好的人机界面，通过进一步优化及完善功能，可以为直驱型风电系统的调试、监控提供便利。 [查看全文]
- 随着中国工业经济的发展，PLC在中小型自动化设备的日益普及应用，对于设备制造厂商或生产技术管理部门来说，如何以最快捷的方式响应现场设备维护方面的需求，迅速检测生产现场运行设备的状态，及时解决生产现场反映的问题，已是多数上位技术管理者的切实需求。如何采用经济实用的方式来实施远程PLC设备数据采集或测控，这也是探索解决此问题的初衷。 1 系统组成概述 系统硬件主要由上位计算机、TC35iGSM MODEM无线通讯模块和远程Siemens S7—200 PLC 3部分组成，具体结构如图1所示。系统软件分为上位PC和下位PLC两部分，上位PC部分提供人机交互操作界面和相应的数据选择、处理等;下位PLC则通过自由口通讯，以中断方式快速响应上位机对PLC变量存储器数据的读写操作或对I/0口读写操作需求。由于上位计算机与远程PLC的通讯载体是通过TC35i建立在GSM网络基础上的，从而打破了地域的限制，即便远端PLC设备在千里之遥，实施数据采集、测控的如同咫尺。 2 系统硬件设计 2.1 TC35i无线通讯模块 系统组成如图1所示，系统硬件主要是TC5i无线通讯模块的应用。TC35i是Siemens公司推出的新一代无线通信GSM模块，TC35i双频工作(EGSM900/GSMl800)，电源范围在3.3～4.8 V，发送功率分别为2W(Class4 EGSM900)和lW(Classl GSMl800 MHz)，TC35i的数据接口采用串行异步收发，符合ITU-TRS-232接口电路标准。数据接口配置为8位数据位、1位停止位、无校验位，可以在300～115 kb/s的波特率下运行，支持的自动波特率为4.8～115 kb/s，符合ETSI标准GSM0707和GSM0705，且易于升级为GPRS模块。该模块集射频电路和基带于一体，向用户提供标准的AT命令接口。为数据、语音和短消息提供快速、可靠、安全的传输，方便用户的应用开发及设计。TC35i有40个引脚，通过ZIF连接器引出。这些引脚可划分为5类，即电源、数据输入/输出、SIM卡、音频接口和控制。TC35i内部电路如图2所示。 ZIF40PIN的引脚1～14为电源部分，其中引脚l～5为电源电压输入端VBATT+，引脚6～10为电源地GND，引脚11～12为充电端，引脚13为对外输出电压(供外部电路使用)，引脚14 ACCU/TEMP接负温度系数的热敏电阻;引脚24～29为SIM卡连接端;引脚33～40为语音接口用来接电话手柄。引脚15、30、31和32为控制部分，引脚15为启动线IGT(Ig-niTIon)。当TC35i通电后必须给IGT一个大于100 mV的低电平，模块才能启动。引脚30为RTC back up;引脚3l为掉电控制：引脚32为SYNC，引脚16～23为数据输入/输出端。TC5i无线通讯模块的主要外围电路的连接如图3所示。数据通信电路以MAX232为核心实现电平转换及串口通信。 2.2 系统硬件连接 系统硬件的连接可参考图1可知，上位计算机的串口输出与由TC35i构成的GSM MODEM中的9芯RS232口直接连接;远程的GSM MODEM与PLC连接时则必须通过RS232到RS485的转换，这是Siemens PLC的通讯口数据和PPI编程电缆连接的必要条件。另一方面必须注意的是，在与远程GSM MODEM的RS-232串口连接时，还必须将RS232串口中的RXD和TXD对换连接，否则将不能正常通讯。 2.3 远程PLC的选型 该系统选用西门子S7—200 PLC，在西门子PLC中SIMATIC S7—200是一个系列，其中包括多种型号的CPU，这里选用CPU-222，由于CPU不提供模拟量的输入输出，为检测对模拟量数据的远程读写。因此在远程PLC系统中扩展一型号为EM-235的4输入1输出模拟量模块。 3 系统软件设计 3.1 系统上位计算机人机界面 系统上位的人机界面是用VB编程，提供人机交互操作界面及数据选择和相应的数据处理等功能。系统上位的操作界面如图4所示。在操作界面的左上部是通讯链接控制框，这里只需要正确选择PC的串口并输入远程PLC所连接的电话号码后即可拨号链接，远程的无线GSM MODEM模块摘机响应一般设置为铃响后自动摘机，通讯链接建立后，当上位PC检测到串口端的数据载波DCD信号后，通讯链接控制框中的“链接状态”指示灯由红变绿，表示通讯链路已成功建立。拨号或挂机的操作均是通过对GSM MODEM模块发送AT指令执行的。 对PLC数据的读写操作如操作界面的右上部所示，在相应文本框内填写好数据的类型、地址、数值和操作方式后点击“发送”即可执行对PLC的读或写操作。界面的下半部分显示的是PC串口发送和接收的代码以及当前操作的结果。 3.2 系统上位计算机的串口设置 在上位PC的人机界面中，串口的设置是通过下拉选择框选择出所连接的串口后由程序自动读取。在使用GSM MODEM无线模块时，上位PC对远程PLC链接呼叫时采用的是AT指令。程序语句为：MSComm1.Output=“ATDT”&Trim (Text1.Text)& vbCrLf//Text1文本框内为欲连接的电话号码。挂机的AT指令为：MSComml.Output=“ATDT”&“+++”& vbCrLf。串口数据格式的设定语句为：MSComml.SetTIngs=“9600. N，8.1”，与TC35iGSM MODEM无线通讯模块和远程PLC自由口的串行数据通讯格式一致。 3.3 通讯数据格式的约定 由于远程PLC采用的是自由口用户通讯方式，这里对每次收发数据字节暂约定为18个字节，数据字节的多少可根据实际需要而酌情约定。本系统中18个字节的约定：Bytel为数据的总字节数;Bvte2为数据开始特征字;Bvte3为数据读或写特征字：Byte4为数据类型特征字;Bvte5～Byte8为PLC数据地址;Bvte9～Bytel6为PLC数据的数值;Bytel7为收发数据的校验码;Bvtel8为数据结束特征字。串口数据的传输除数据地址字节和数据数值字节用ASCII码表示外，其他均以十六进制方式表示。因而在上位PC的编程中需涉及大量的进制转换操作。特别要注意的是由于PLC中的实数采用32位单精度数表示，并按照ANSI/IEEE745 1985标准格式以双字长度来存取，所以无论是上位的PC或是下位的PLC在编程时对实数数据的处理均需严格遵循ANSI/IEEE7451985标准格式的规定，否则将不可能读到正确的数据。 通讯数据的校验方式采用BCC块进行XOR校验，即约定为从每次数据包的Byte2到Bytel6的字节进行校验，Bvtel7存放校验结果。上位或下位在接收数据时，首先对所接收的数据进行校验并将计算结果与Bvtel7所存放的数值进行比较，如不一致时则按约定要求重发，以保障每次传输数据的正确性。 3.4 远程PLC自由口通讯初始化编程 由于远程PLC采用的是自由口用户通讯协议，所以对PLC的自由口通讯必须做如下初始化设置： 远程PLC经上述设置后，在其运行期间每当接收到一组数据后便自动产生中断请求，在中断服务的子程序中，设定一标志位(如MO.0)置位，用来表示允许进入中断服务，在主程序中通过检测M0.O的状态来确定是否转入读数据操作的子程序，读数据操作完毕后及时将接收数据标志M0.0复位，从而完成一次读数据过程。PLC数据的上传则是根据所读数据的内容来响应上位的请求，上传数据的编码和字节均依照约定的格式写入，每次的读写操作仅在PLC一个扫描周期内(数毫秒)完成，系统的响应是实时的。 3.5 远程PLC数据的读写操作 PLC数据的读写是依据约定的数据类型实施操作的。对于字节、字、双字、实数及I/0端口各自有约定的数据类型特征字，在下位PLC程序中通过对数据类型特征字的解析后来确定读取数据的字节数。对I/0端口的读写操作则是根据约定的地址编码直接读写出相应的状态信息。每组收发数据的存储单元从VBl00到VBll7共18个字节。由前述的数据发送量的约定可知，每组数据的Byte5～Byte8表示PLC数据的地址，由于每次读写的地址是不同的，所以Byte5～Byte8字节给定的就是地址指针，在PLC编程中就要以此指针采用间接寻址的方式，假设Byte5～Byte8存放在PLC的VB104～VBl07单元，其间址指令则为： MOVD &VBl04，ACl读取该地址内容时则根据数据类型的不同而有所区别，假如读写字节时指令为：MOVB*ACl，VBl60;则读写字的指令为：MOVW *ACl，VWl60;读写双字的指令为：MOVD *ACl，VDl60;读写实数的指令则为：MOVR *ACl，VDl60。 4 结束语 本系统经实际测试基本达到了预期效果。远程PLC在省际间距离的测控响应与在本市区地域的测控响应基本相同，通过对PLC I/O的读写、模拟量数据的读写、单字节、双字节及实数的读写，均未出现数据差错现象，远程的响应速度基本上是对上位的指令立即响应，操作人基本感觉不出时间的延时。在PLC中，由于本远程测控程序字节量较少，完全可以嵌入在PLC的过程控制程序中运行，由于在自由口通讯中， 对上位PC读写的响应采用的是中断方式快速响应，所以对PLC的过程控制程序的实时性基本无影响。 [查看全文]
- 1 引言 使用plc改造继电器控制系统时，因为原有的继电器控制系统经过长期使用和考验，已被证明能够完成系统要求的控制功能，而且继电器电路图和梯形图在表示方法和分析方法上有很多相似之处，因此可以根据继电器电路图设计梯形图，即将继电器电路图转换为具有相同功能的plc外部硬件接线图和梯形图。此设计方法一般不需要改动控制面板，保持了系统的原有特性，操作人员不用改变长期形成的操作习惯，因而成为一种实用方便的设计方法。 2 梯形图转换技术 2.1 转换方法和步骤 继电器电路图是一个纯粹的硬件电路图，将它改为plc控制时，需要用plc的外部接线图和梯形图来等效继电器电路图，其具体方法和步骤如下： (1)了解和熟悉被控设备的工作原理、工艺过程和机械的动作情况，根据继电器电路图分析和掌握控制系统的工作原理。 (2)确定plc的输人信号和输出负载。继电器电路图中的交流接触器和电磁阀等执行机构如果用plc的输出位来控制，它们的线圈在plc的输出端。按钮、操作开关和行程开关、接近开关等提供plc的数字量输人信号继电器。电路图中的中间继电器和时间继电器的功能用plc内部的存储器位和定时器来完成，它们与plc的输人位、输出位无关。 (3)确定与继电器电路图中的中间、时间继电器对应的梯形图中的存储器和定时器、计数器的地址，输入输出元件与梯形图元件的对应关系。 (4)根据上述的对应关系画出梯形图。 2.2 梯形图设计注意事项 根据继电器电路图设计plc的外部接线图和梯形图时应注意以下问题： (1)应遵守梯形图语言中的语法规定。由于工作原理不同，梯形图不能照搬继电器电路中的某些处理方法。 (2)适当的分离继电器电路图中的某些电路。设计继电器电路图时的一个基本原则是尽量减少图中使用的触点这意味着成本的节约，但是这往往会使某些线圈的控制电路交织在一起。在设计梯形图时首要的问题是设计的思路要清楚，设计出的梯形图容易阅读和理解，并不是特别在意是否多用几个触点，因为这不会增加硬件的成本，只是在输人程序时需要多花一点时间。 (3)尽量减少plc的输人和输出点。plc的价格与点数有关，因此输人、输出信号的点数是降低硬件费用的主要措施。 (4)时间继电器的处理时间继电器除了有延时动作的触点外，还有在线圈通电瞬间接通的瞬动触点。在梯形图中，可以在定时器的线圈两端并联存储器位的线圈，它的触点相当于定时器的瞬动触点。 (5)设置中间单元，在梯形图中，若多个线圈都受某一触点串并联电路的控制。为了简化电路，在梯形图中可以设置中间单元，即用该电路来控制某存储位，在各线圈的控制电路中使用其常开触点。 (6)设立外部互锁电路，由于软件动作时间原因，即使在梯形图已经完成互锁，为确保不同时动作，还要在plc外部设置硬件联锁电路。 (7)外部负载的额定电压，plc双向晶闸管输出模块一般只能驱动额定电压ac220v的负载，系统交流接触器应换成220v电压的线圈。 2.3 电机星角启动转换案例 以三相异步电动机星三角起动为例，示范具体转换过程以及典型问题的处理。星三角起动继电器控制电路原理图如图1(a)图所示。plc系统i/o分配方案如下：输入sb1对应x1，sb2对应x2，输出km1、km2、km3分别对应y1、y2、y3。根据上述提供的方法以及注意事项得到plc梯形图如图1(b)图所示。 (a)星三角起动继电器控制原理图 b)星三角起动plc控制梯形图 图1 继电器控制电路转换梯形图示例 由图中可以看出，采用梯形图可以适当设置中间环节(辅助继电器m1)，以使程序更加简洁；元器件使用没有数量限制，通断状态也不构成硬件成本，所以梯形图设计中定时器t0一直保持通电状态；对于km1(y1)与km2(y2)除了进行梯形图互锁之外还要进行硬件联锁，以确保其不同时导通。 3 结束语 论文讨论了由继电器控制电路转换plc梯形图的必要性，转换方法与步骤，在转换设计中需要注意的问题等相关内容，同时以异步电动星三角起动控制说明具体转换过程。总之我们设计过时应当注意梯形图是plc程序，是一种软件，而继电器电路是硬件电路组成的，梯形图和继电器电路是有本质区别的。转换时既要找到二者共同之处，又要看到工作机理的不同，只有这样才能准确地完成由继电器控制电路到plc梯形图的转换。 免责声明：本文仅代表作者个人观点，与automavin控网无关。其原创性以及文中陈述文字和内容未经本站证实，对本文以及其中全部或者部分内容、文字的真实性、完整性、及时性本站不作任何保证或承诺，请读者仅作参考，并请自行核实相关内容。 [查看全文]
- 1 引言 水位测控装置是水电厂的重要测控设备，水电厂的上下游水位是防汛安全的重要数据，拦污栅压差影响机组出力、水工建筑安全，水头值影响调速器协联曲线，进而影响机组效率甚至安全稳定运行，因此水位测控装置需满足长期稳定可靠运行。目前的水电厂水位测控装置普遍采用定制仪表采集前端水位传感器的格雷码值，换算栅差、水头等，输出开关信号报警，输出4~20ma信号至监控、远动、调速器。在运行维护中存在以下问题：采用电缆长距离输送格雷码信号，防雷、抗干扰能力差，仪表、传感器易损坏；4个24位格雷码传感器需100芯电缆维护困难；定制的仪表扩展性差，输入、输出校准，参数整定操作复杂；价格高，备品备件采购困难。因此开发基于通用硬件设备的水位测控装置意义重大。 根据水电厂水位测控具体要求，我们自主设计了基于plc的水位测控系统，具有高可靠性、配置灵活、安装维护简单方便特点。 2 系统功能结构 水东水电站装设有上游、#1拦污栅后、#2拦污栅后、下游四个水位测量井，配置浮子式水位测量装置，采用绝对值光电编码器将水位信息转换成数字信号。坝上传感器距离中控室500m，下游传感器距离中控室30m，为提高系统的防雷、抗干扰能力，坝上传感器通信采用光纤传输。水位测控装置plc通过rs485串行口采集编码器水位数据，经过换算处理模拟量输出模块输出4～20ma的上游、下游海拔值信号至远动rtu装置，输出4～20ma的水头信号至机组调速器电气调节装置。计算机监控系统通过网络连接水位测控装置plc，采集所有水位信息，故障报警信号等，并可远程设置相关参数、定值，系统功能结构如图1所示。 图1 系统功能结构图 3 实现原理 3.1 浮子式水位测量装置 该装置安装在测井口上方，当液位变化时，浮子随之上升或下降，测绳带动线轮做旋转运动，与线轮同轴连接的多圈绝对值编码器就输出与液位对应的数字信号(见图2)。装置具有结构简单、合理，可靠性高、适应性强等优点，能够长期用于液位测量。 图2 浮子式水位测量装置 3.2 编码器 根据现场实际需求，编码器选用现场总线型输出的多圈绝对值编码器。 绝对值编码器由机械位置确定编码，每个编码唯一不重复，它不受停电、干扰的影响，无需记忆，无需找参考点，而且不用一直计数，什么时候需要知道位置，什么时候就去读取，这样，编码器的抗干扰特性、数据的可靠性大大提高了。多圈绝对值编码器另一个优点是由于测量范围大，实际使用往往富余较多，这样在安装调试时不必费劲找零点，将在测量范围内的某一中间位置作为起始点就可以了，从而大大简化了安装调试难度。 编码器信号输出主要有并行格雷码输出、串行ssi输出、总线型输出、模拟量4~20ma输出。并行格雷码和模拟量输出信号读取简单但不适合长距离传输，串行ssi输出大部分是与西门子plc的ssi模块配套成本较高。现场总线型编码器用通讯方式传输信号，信号遵循rs485的物理格式，连接线少，传输距离远，对于编码器的保护和可靠性就提高了。信号的接收设备只需一个接口，就可以读多个编码器信号，多个编码器集中控制的情况下可以大大节省成本。 3.3 水位测控装置plc plc选用m340模块化plc，它是施耐德公司生产的性能价格比很高的可编程控制器，已广泛应用于工业控制的各个领域。cpu模块选用高性能、大内存的bmx p34 2020，带一个100m以太网、一个485串行口；输入、输出模块可根据现场实际需求灵活配置。 4 软件设计 4.1 编程步骤 plc的硬件配置、控制程序采用施奈德的编程软件包unity pro完成，pc通过网络或usb与m340 plc进行程序传送。首先进行plc硬件组态，含底版、电源、cpu、输入输出模块等。通过电源模块属性可查看电源使用情况，应保留一定余量，否则需更换容量更大的电源模块；在cpu模块的serialport口配置串行链路参数如：485 modbus主站、波特率9600、帧延时4ms、数据位8位、停止位1位、偶校验；创建网络链路ethernet1并配置ip地址等网络通信参数，将cpu模块的ethernet口链接到网络链路ethernet1；根据现场模拟量信号要求配置模拟量输出模块参数；定义相关变量等。 4.2 plc程序设计 (1)程序结构。程序采用模块化设计，具有较高可读性、可维护性其程序结构如图3所示。 图3 程序结构图 (2)程序注释。plc上电首次扫描执行初始化init()子程序，初始化通信参数，上、下游海拔预置值，各个传感器调零值，拦污栅压差整定值等。 传感器通信comm()子程序，分时读取传感器水位值，通信故障时水位保持原值。 计算calc()子程序，计算出上、下游，拦污栅后的实际海拔值，拦污栅压差、各机组有效水头等。 信号输出out()子程序，拦污栅压差过大报警、通信故障报警、装置故障报警、4～20ma模拟量输出等。 数据上送sent()子程序，根据监控上位机通信规约，组织上送数据信文，含各实际海拔值、有效水头、详细故障信息、拦污栅压差报警定值等。 4.3 水位信号读取 m340 plc和编码器串行rs485通信采用modbus rtu通信规约，这个通讯协议已广泛被国内外各行业作为系统集成的一种通用工业标准协议，有利于系统的维护和扩展。plc为主站，编码器为从站。 查编码器技术手册，水位测值的modbus地址是4x0000，根据modbus通信规约信息帧结构读取地址 1 传感器的水位测量值，应发送以下通信码：m340 plc读取水位信息主要用read_var功能模块： 01 03 0000 0001 840a 站地址 功能码 首地址 个数 crc校验码 功能模块说明［1］ adr 通信地址：语法为 addm (`r.m.c.node`机架号.模块号.通道号.站地址) 类型。 obj 要读取的对象类型 ’%m’：内部位 ’%mw’：内部字 ’%s’：系统位 ’%sw’：系统字 num 读取的第一个对象的索引。 nb 要读取的对象的数量。 recp输出参数包含所读取对象的值的字表。 gest交换管理表：4个字的数组。 表1 交换管理表 图4 read_var功能模块 图4中read_var功能模块实现将地址1传感器水位值送入%mw1，交换管理表置于%mw400：4，%mw401==0，说明通信成功，非零值记录故障代码。通信过程需占用一定时间，保证通信可靠，防止通信阻塞，4个传感器通信分时进行，用上升沿触发。读取交换管理表确认通信是否成功，通信失败应将故障代码上送上位机并报警，将水位值保持为上一次正确通信时读取的值。 4.4 上位机监控软件设计 上位机系统与plc之间通过以太网连接，水东电厂的计算机监控系统采用南瑞集团公司的nc2000系统。nari nc2000计算机监控系统是南瑞集团面向水利水电领域的新一代计算机监控系统软件［2］。nc2000具有良好的人机界面和网络功能，与施耐德plc网络通信采用tcp/ip modbus规约。在组态环境下，设计人员对plc进行驱动配置，运行环境以图形画面形式的人机界面监控水位信息、故障报警，对有关数据存储历史库，生成报表，同时利用web功能使系统具有在线监控功能，即在授权的情况下在任何一台联网的计算机上用标准的浏览器可远程监控。限于篇幅，上位机程序不再详述。 5 结束语 系统的设计结构合理，采用多圈绝对值编码器采集水位，以可编程控制器为控制核心，提高了系统的自动化程度，保证了系统运行的可靠性；硬件、软件模块化设计具有良好的扩展性和灵活性，可根据现场实际需求更改系统的配置规模。该系统在福建水东电站现场运行表明工作稳定，在监视报警、综合计算、信号输出等各方面满足电站的运行要求，取得了很好的效果，有较高的推广价值。 [查看全文]
