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1 引言

    plc广泛应用于工业控制领域,因其具备良好的扩展性和独有内部逻辑的二次编程功能,大大扩展其在工业生产和工业控制领域的应用范围。本文从电力系统智能装置的自动测试系统原理出发,简要介绍自动测试系统结构,详细介绍plc在本系统功能和具体应用, 并针对plc在电力系统智能装置自动测试系统特殊领域的应用中出现的触点检测的条件、采样数据上送和特殊控制逻辑的要求问题进行讨论,并给出一般解决办法。实践应用表明,可编程控制器的良好的扩展性和其独有逻辑编程特点有效扩大其应用领域和范围。

2 系统基本原理

   电力系统智能装置一般包括是继电保护装置和测量控制装置。继电保护装置主要功能是保护电力系统的一次设备安全运行,确保电力系统输电系统的安全运行,而测控装置主要负责电力系统开关的控制和电气量的测量,二者构成完整电力系统二次保护设置。

   从电力系统智能装置和外部一次设备的发生联系的主要电气量包括:一次设备的模拟量、一次设备的信号开入和继电保护出口三个主要部分。因此,模拟现场运行环境的电力系统智能装置自动测试系统也必须具备模拟量输出、开关量输入和开出触点的检测功能,但不仅于这三部分的功能的检测,其他还应包括时钟同步等等功能的检测。

    目前, 电力系统智能装置是属于微机型,其具备完好信息记录功能,具备和其他外部系统良好的信息交换功能。因此电力系统智能装置的自动测试系统应包括四个主要的功能:用于模拟故障模拟量输出模块、提供保护装置开人的开入模块、用于检测保护装置动作接点的开出检测模块和装置信息的解析模块。电力系统智能自动检测系统的基本原理:通过专用设备模拟电力系统故障状态模拟量输出,并通过开入模块提供保护装置的开入量,从而满足保护装置保护动作基本条件,通过解析保护装置的信息和检测保护装置的动作出口触点, 从而完成保护装置的基本功能的检测任务。

3 系统组成和各模块基本功能

   从电力系统智能装置的自动检测系统原理的出发,一个完整的电力系统智能装置的检测系统包括:微机继电保护测试仪、保护装置的开入模块、保护装置的触点检测模块和控制计算机模块。自动检测系统它主要由测试控制计算机、微机继电保护测试仪、可编程控制器、被测智能装置构成。

    微机继电保护测试仪接受自动测试控制平台发出控制参数及命令类型, 向保护装置输出模拟量,完成向保护装置输出模拟量完成保护功能的测试, 并及时将测试仪器反馈信息以标准统一格式上报到自动测试控制平台。

    可编程控制器根据自动测试控制平台发过来的命令, 输出开关量信号,实现保护装置硬压板的控制和保护开关量输出功能,将基于保护装置继电器开出触点检测输入的采样数据, 上送自动测试控制平台,为保护动作触点判断提供连续有效开入量采样数据。

    测试控制计算机是整个控制系统的核心硬件,它通过网络和系统中其他硬件进行信息交互,控制继电保护测试仪向保护装置输出模拟量,接收保护装置信息解析模块上送的保护动作信息并通过其完成对保护装置的控制,控制可编程控制器输出保护测试的开入量命令,检验保护装置继电器开出触点动作。

    微机继电保护测试仪选用北京博电pw30ae, 可编程控制器选用ge公司的ge-9030,可编程控制器通讯模块使用以太网模块。

4 plc 应用主要问题及解决办法

   可编程控制器在本系统的任务是完成智能装置的保护出口继电器触点或者遥控触点的检测和智能装置的遥信开入检测,具体到可编程控制器各模块是开入模块负责检测出口继电器触点导通和开出模块负责提供开出完成智能装置的遥信的检测功能。同时为了交换信息的需要,可编程控制器必须配置相对应的通讯模块以满足可编程控制器和上位机信息交换要求。

    在本系统设计时,对开入模块的功能有具体的要求,这些要求是和电力系统的智能装置实现的功能是密切相关, 如触点类型和触点的导通时间等,因此必须分析智能装置的保护出口继电器触点和遥控触点检测的具体要求,并以此为要求进行可编程控制的硬件选择和内部逻辑回路的设计,充分满足本系统对触点检测的特殊要求。可编程控制器的开出模块逻辑回路的设计也必须满足本系统的特殊需要。

    4.1继电器出口触点检测特殊要求

   可编程控制器开入模块负责检测继电保护出口继电器辅助触点的通断情况,并将开入模块数据上送到控制计算机,并作为控制计算机自动检测成功标准之一。

    因此可编程控制器开入模块检测功能的强弱决定本系统的可靠性和稳定性。

   继电保护装置的出口继电器触点包括四类:保持型常开接点、保持型常闭节点、瞬动型常开接点和瞬动型常闭节点。对于保持型出口触点的检测来说,可编程控制器的开入是满足自动检测的需要。而对于瞬动型触点的检测,可编程控制器开入模块检测功能是否满足要求取决于plc本身扫描周期t1和瞬动接通的时间t2两者的关系。考虑到可编程控制器由于扫描方式引起开入延时长可能达两个扫描周期,如果保护装置的瞬动触点的接通时间t2大于两倍的扫描周期t1,该触点的状态变化就可以被plc 开入模块所检测到。

   瞬动触点的接通时间取决两个因素,一是装置软件内部对瞬动继电器出口延时整定的时间,目前各厂家提供的技术参数来看,装置软件触点延时的时间一般设置为50-100毫秒,二是出口继电器本身动作时间和断开时间参数也会影响瞬动触点的接通时间。假设瞬动型触点的接通时间为100毫秒,要求可编程控制器的扫描周期的时间小于50 毫秒,才能保证可编程控制器的开入模块的检测功能的有效性。

   可编程控制器的扫描周期和可编程控制器的硬件参数和用户的程序的大小有密切的关系。因此只要通过硬件配置和相关技术手册提供的技术参数并结合用户的plc程序指令类型和各指令类型数目计算出可编程控制器扫描周期, 选择合适可编程控制器模块, 保证可编程控制器扫描周期小于50毫秒,保护装置的瞬动型触点检测就可以在可编程控制器开入模块来完成。

    4.2上位机数据采样特殊要求的实现

    在前面小节中,讨论了可编程控制器必须满足检测保护装置的四类节点的检测的基本条件。但前面条件的符合,只能保证plc开入模块能够检测保护装置动作触点状态的变化情况。在自动测试系统设计中,可编程控制器的开入模块仅仅采集触点状态,而完成触点状态检测标准判断是在控制计算机中完成,如何保证上位机能够得到完整、连续的基于采样周期为50毫秒可编程控制器开入模块采样数据是本系统必须要解决的关键问题。

   电力系统智能装置自动测试系统检测的对象是继电保护设备中出口继电器动作情况,由于继电保护设备的动作的快速性,部分保护动作时间实现小于50ms,因此部分出口继电器触点状态在较短的时间会出现反转,根据系统设计要求,要求上位机能将保护动作前和保护动作后出口继电器接点动作情况进行检测处理,并将动作前后出口继电器接点状态作为该系统中继电器接点检测判断依据。因此,要通过上位机和可编程控制器通讯数据交换,实现采样时间间隔不大于50ms可编程控制器开入采样数据上送到上位机的目标。

    目前, 上位机获得可编程控制器的开入采样数据是通过通讯交换信息得到,而tigao上位机和plc数据信息交换效率是解决数据采样的实时性的措施之一,但仅仅依靠tigao上位机和plc 数据交换速度是无法到达采样数据周期50ms指标要求,即使上位机使用以太网介质能达到此要求,也会占用上位机比较多资源。同时由于可编程控制器扫描工作方式的特点,通讯模块频繁和上位机数据交换会影响可编程控制器其他模块功能执行,如影响可编程控制器扫描周期。

    对于可编程控制器来说,在其内部实现50ms采样周期的数据采样是完全可以的实现的,充分利用可编程控制器中数据转存和逻辑控制功能, 将每50ms一次采样数据寄存到连续但不相同数据缓冲区。通过采样周期时间的整定,结合上位机和可编程控制器通讯协议的大数据长度,上位机只需要在给定的时间内进行一次读取多次采样数据即可。上位机读取采样数据后,根据plc采样数据转存的原则和逻辑,将已接收到采样数据进行采样时序的还原即可。

    4.3可编程控制器顺序开出的实现

    可编程控制器开出模块顺序开出主要是满足电力系统测控装置的遥信检测要求, 设计具体要求为:①上位机下发一次命令,启动顺序开出,plc接受命令启动顺序开出逻辑回路,由可编程控制器本身完成开出模块开出接点顺序开出。②在顺序开出过程不允许同时出现两个开出同时接点接通状态。③顺序开出执行一次完毕即可停止开出。

    设计基本思路: 在启动命令后, 启动维持一个扫描周期时间的定时t1脉冲信号回路,同时启动另一个计时器t2(t2< t1)。在一个扫描周期脉冲到来时,由设定计数器和目标进行比较,决定开出继电器序号, 开出执行并保持时间t2 后,计数器加一和执行复位判断程序,等待下一个脉冲到来后执行上一过程直到全部执行完毕。

   设计维持一个扫描周期时间的定时脉冲信号,定时的时间参数为两个开出之间的时间。一个周期定时脉冲梯形图如图1所示。通过修改定时器类型和计时器参数,确保m100 能够在t1 的时间后产生一个能够维持一个扫描周期间的脉冲信号,是一个通用的标准的定时脉冲信号程序。m103 为定时脉冲到来后宽度为t2 脉冲。

图1定时脉冲信号程序和梯形图

    在定时脉冲到来时, 通过数据比较程序, 由计数器r500当前值和特殊指定值比较进行逻辑判断,决定是否接通中间继电器,再由该中间继电器决定控制特定的开出,并在自保持回路中串联一个m103中间继电器触点状态,以控制开出维持的时间。数据比较驱动程序和梯形图如图2 所示。

图2 数据比较驱动程序和梯形图 执行一次开出后, 执行计时器计数和复位程序, 本文中使用m00400-m00404 分别控制第1 个到第5 个开出的执行,每次执行开出后均进行计数器自加一,并通过计数器逻辑回路进行计数器复位。计数器复位后立刻复位启动线圈,结束本次顺序开出控制任务执行。计数器计数和复位梯形图如图3所示。

图3 计数器计数和复位梯形图

   通过以上控制逻辑的设计,实现启动顺序开出功能的实现, 并实现系统要求一次启动, 按照循序开出不重叠。

   通过此逻辑的实现,可以简化上位机在进行遥信检测的控制逻辑,充分利用可编程控制器开入开出二次编程功能,在不影响可编程控制器性能指标上,减少上位机和可编程控制器的控制命令的交换,tigao上位机遥信的检测效率。

5结束语

   在本系统设计中, 充分利用可编程控制器模块化的组合特点以及其独有开入开出二次逻辑编程的优点,保证系统设计功能的实现的同时,减少系统主控制平台的在开入和开出功能检测资源开销,并带来系统稳定性和可靠性。可编程控制器独有可编程的特点为其在工业领域的应用奠定坚实的基础,随着计算机技术的进一步的发展,特别可编程控制器的核心模块cpu运算的速度得到tigao,通过tigao指令的执行速度和扩展其计算功能,可编程控制器在工业控制领域的应用会越来越广泛。

0 引言

    饮料灌装机用于灌装各种各样的瓶装饮料,适合大中型饮料生产厂家。早期的灌装机械大多数采用容积泵式、蠕动泵式作为计量方式。这些方式存在一些缺点, 例如:罐装精度和稳定性难以保证、更换灌装规格困难等。本系统采用的饮料分装计量是通过时间和单位时间liuliang来确定的,计量精度由可编程序控制器( plc) 控制确定, 通过人机界面———触摸屏监测运行状态,可在线修改运行参数。plc控制具有编程简单、工作可靠、使用方便等特点,在工业自动化控制领域应用广泛。触摸屏是显示器和触摸开关一体型的可编程终端( pt) ,是新一代先进的人机界面产品。专为plc应用而设计的触摸屏集主机、输入和输出设备于一体, 适合在恶劣的工业环境中使用。

1 工作原理

    饮料灌装机主要包括三大部分:恒压储液罐、夹瓶及灌装头部分、变频调速传送带部分。主机的上部是恒压储液罐,里面有上限位和下限位液位传感器,它们被淹没时是1状态。液面低于下限位时恒压储液罐为空。饮料通过进液电磁阀流入恒压储液罐,液面到达上限位时进液电磁阀断电关闭, 使液位保持稳定。灌装设备生产工艺流程见图1。

图1 工艺流程图

    恒压储液罐下面是夹瓶及灌装头部分, 共有24个灌装头。夹瓶装置由气压缸1驱动下降, 下降到位后,夹瓶装置由气压缸2夹紧定位, 下降及夹紧由行程开关控制位置。定位夹紧后, 灌装头由气压缸3驱动下降, 到位后灌装头电磁阀打开,开始灌液, 延时后电磁阀关闭, 通过控制电磁阀的开启时间达到灌装容量控制。

    传送带电动机由变频器控制, 实现无级变速, 达到系统经济运行的目的。电机启动1 s后,进瓶气缸缩回、开始进瓶, 3 s后出瓶处气缸4 伸出挡住空料瓶。进瓶处设置光电开关检测进瓶个数, 当检测到24个时, 出瓶处气缸5伸出不再进瓶, 传送带电动机停止。这时, 灌装头下降到瓶口, 由通过触摸屏输入的时间使plc控制灌装头的开启时间。灌装结束后,灌装头上升, 夹瓶装置放松、上升。出瓶处气缸缩回, 传送带电动机又开始转动, 1 s后进瓶处气缸5缩回,光电开关又开始检测进瓶个数。

2 硬件系统设计

    2.1系统框架

    该系统既有开关量控制又有模拟量变频调速控制。设备既可以自动连续运行, 各运动点又可人工点动操作,这样对应于各种操作的输入点、需要显示的动作状态信息输出点有很多。这些i/o信号如果采用电器按钮、指示灯显示的方式,会大大增加硬件模块及电气连线, 相应故障率也会加大。我们采用plc与触摸屏相结合的方案。触摸屏的画面是用专用的组态软件设计完成后,再通过计算机的rs - 232c串行通讯口下载到触摸屏。plc与触摸屏之间通过串行接口通讯, 连线简洁。系统框架如图2所示。

图2 硬件系统框图

    2.2i/o控制的设计

    灌装设备共设计有数字量输入点13 个, 其中:气缸运动传感器10个, 液位传感器2个,光电开关1个。数字量输出点35 个, 其中: 灌装头电磁阀控制24个, 气缸运动电磁阀控制10个, 储液罐电磁阀控制1个。

    变频调速系统需要1个模拟量输入点和一个模拟量输出点。测速电机测量电机的转速,电压值信号接入模拟输入点, 经过与给定值比较、pid运算, 运算结果从模拟量输出点输出, 作为变频器的控制信号,实现变频调速。

    主控单元采用了siemens公司的s7 - 200 系列的plc 产品cpu224,外加两个数字量扩展模块em223和一个模拟量扩展模块em235。触摸屏采用台湾产pws3260型。

3 软件实现

    3.1软件总体功能

    图3 是触摸屏软件控制程序框图。控制程序是用菜单形式编制的。自动功能包括:运行、暂停、结束、复位等。手动功能包括:所有运动部件的进、退、起、停等。利用adp3组态软件中的交替性按钮功能编程。在按钮按下、抬起时分别对plc相应的中间继电器置位,使plc实现对某运动部件的进退控制。初值设定: 按用户的需求, 任意设定转速、计数值等参数, 并对参数的上限进行监视, 一旦越界,即给出提示。运行监视: 监视系统的各个器件状态, 如变频器、电机等的异常状态, 及时断电保护, 并给出报警提示。

图3 程序框图

    3.2plc编程

    采用西门子公司step7 - micro /w in32 软件,在上位机上使用较为直观的梯形图或语句表按控制流程和控制算法进行编程, 程序编译成功后, 通过连接上位机和plc的pc/ppi电缆将程序下载至plc中。

4 结论

    采用plc - 触摸屏结合的电气控制方案并与机械、气动、传感器技术组合为一体,使该灌装设备操作简单、性能可靠, 设备的可维护性和灵活性得到显著tigao。

   3.1流程控制

   流程控制部分分为手动和自动控制两种方式。在按顺序启动上料皮带、拌缸、集料皮带之后，操作者可以通过自动或手动的方式来启动后续流程设备。在生产流程中自动控制和手动控制的主要区别在于：自动控制过程中五种骨料和粉料的配料变频器由程序自动来控制启停和调节其输出频率，不需要人工干预；而手动控制模式下人工可随意启停各个配料变频器，并且可以手动调节各个变频器的输出频率。配料变频器的启动与停止是有固定的顺序的，各个变频器的启停之间有一定的时间间隔，该时间间隔可以在上位机监控画面的参数设定部分进行设定和调整。另外，还有一些相关的设备如空压机、电铃、成品料仓仓门等设备需要人工来启动。

    3.2 自锁控制

   根据机械生产厂家的要求，在程序部分设置自锁控制功能。厂家出于货款回收方面的考虑，对控制系统提出设置自锁功能的要求，基本思想就是设置两个时间密码，在设备运至生产现场之后与货款全部收回之前，输入个时间期限，当设备运行到所设置的时间之后，控制系统将会自动锁死，无法进行正常操作。当收回全部货款之后，输出时间密码，控制系统可以一直运行。可以通过todr指令读取实时时钟。将所读取的实时时钟与设置的时间密码进行比较，即可得到设置时间是否用完。

    3.3 plc与变频器的通讯

   本系统采用plc与变频器进行通讯的方式来实现plc对变频器的启停控制和频率设定以及读取变频的一系列运行数据。plc与变频器之间采用modbusrtu方式通讯，波特率设为9.6k，采用crc校验。在rtu模式下，消息发送至少要以3.5个字符时间的停顿间隔开始，程序中以10ms为间隔进行数据的发送与接收。plc和变频器采用主从的方式进行通讯，plc是主机，变频器是从机。一共有六台变频器，在其参数设置中将其地址设为1-6号。plc与变频器之间的通讯是一个“查询-回应”的过程，如图4所示。

   plc中的通讯部分程序大体分为以下几块：通讯初始化、发送完成中断程序、接受完成中断程序、发送组码程序、生成校验码、数据发送与接收。

   通讯初始化部分程序在plc的个扫描周期运行，其主要功能是设置cpu226的自由端口的通讯格式、数据接收格式及复位各寄存区、连接中断。

    发送完成中断程序主要完成的任务是：定义开始接收数据，并且置位接收标志，复位发送标志。

   接收完成中断程序主要完成的任务是：根据接收到的数据重新计算校验码，并与接收到的crc域中的值进行比较。如果两者一致，则说明数据传输正确，将接收到的数据存入对应的寄存器中。

   生成校验码：根据crc检测方法生成校验码，具体生成方法是：①装入一个16位的寄存器，所有数位均为1；②该16位寄存器的高位字节与开始8位字节进行"异或"运算。运算结果放入这个16位寄存器；③把这个16寄存器向右移一位；④若向右（标记位）移出的数位是1，则生成多项式1010000000000001和这个寄存器进行"异或"运算；若向右移出的数位是0，则返回③；⑤重复③和④，直至移出8位；⑥另外8位与该十六位寄存器进行"异或"运算；⑦重复~③⑥，直至该报文所有字节均与16位寄存器进行"异或"运算，并移位8次；⑧这个16位寄存器的内容即2字节crc错误校验，被加到报文的高有效位。

    4上位机wincc监控画面设计

   根据用户需求以及工程实际应用的考虑，本系统在上位机监控画面的组态上主要考虑到以下几个原则：监控画面能够清晰直观地显示设备的运行状态；能够对生产关键数据进行实时显示；能够对生产过程中物料配比数据进行修改；能够对设备运行过程中产生的故障报警信息进行显示和存储，可以进行报警历史记录进行查询；具有报表功能，能够将用户关心的生产数据自动生成个性化报表，并且能够自动在每班生产结束之后保存在指定位置，用户能够按照指定条件查询报表数据。

   基于以上基本原则和要求，本课题以wincc为开发平台，对稳定土厂拌站自动控制系统的上位机监控组态程序进行了设计开发。本系统设计的上位机监控界面的主画面如图5所示。

   有系统当前的运主画面主要用来显示设备的整体生产流程，监控生产过程中的设备启停状态、显示生产数据、报警指示等，并且行模式指示（“手动运行”与“自动运行”）。

   生产数据主要由几个部分组成：骨料和粉料的设定比例、设定liuliang；骨料和粉料的实际比例、实际liuliang；设备的设定产量、瞬时产量和累计产量等。

   在主画面的底部有一系列按钮，如“参数设定”、“配料设定”等。点击按钮，即可进入对应的子画面。

  1稳定土厂拌站结构组成

   稳定土厂拌设备主要由计算机自动控制系统、粉料配送系统、骨料配送系统、集料皮带、搅拌装置和成品料输送储存系统等几部分组成。其中有一套粉料配送系统，五套骨料配送系统。除此之外，还有供水系统、供气设备和上料装置等。如图1所示

   骨料配送系统：由装载车将各种骨料装入料斗，由出料口落下，经骨料皮带传送至集料皮带，由集料皮带输送至拌缸。料斗装有震动传感器，用于防止骨料结块而影响下料。骨料皮带由皮带电机传动，皮带电机的转速由相应的变频器进行控制。系统检测皮带称重信号和速度信号，输入至控制系统。

   粉料配送系统：转运车转运至料场的粉料首先存储在粉料仓中。生产过程中，粉料仓中的粉料经蝶阀落入减量秤称重料仓中，给料机将减量秤料仓中的粉料输送至螺旋输送机中，螺旋输送机将粉料输送至拌缸。给料机速度由变频器控制，从而控制粉料配料比例。系统检测减量秤重量信号和给料机的速度信号，输入至控制系统。

    2稳定土厂拌设备自动控制系统的结构组成

   稳定土厂拌站自动控制系统主要由plc、上位机、变频器、传感器及其他电控元器件构成，整个控制系统的硬件结构图如图2所示。

   本控制系统采取plc与上位机配合控制的方式。其中plc作为控制核心，负责开关量与模拟量信号的采集与输出，以及程序的控制。选用西门子s7-200系列plc中的cpu226作为plc系统的cpu，该型号的cpu具有两个通讯口port0和port1，一个通讯端口用于plc与上位机进行通讯，另一个通讯端口用于plc与变频器之间进行通讯。五个小皮带以及粉料的螺旋输送机处安放称重传感器，用于采集各种骨料和粉料的称重信号，该信号输入到plc的模拟量模块，用于程序的计算处理。六台变频器用于控制五种骨料的皮带电机和粉料的螺旋给料机的运转速度。plc与6台变频器进行以modbus方式进行通讯，变频器的启动与停止控制、运行频率的采集与设定、变频器的故障监控都通过通讯的方式完成。

   上位机使用西门子公司的wincc作为组态软件。上位机主要完成对生产过程的实时监控和相关数据的设定与显示，同时也可以对plc发送相关指令。上位机的数据报表功能可以实时记录稳定土生产过程中的相关关键数据，并能够根据用户需求生成自定义的数据报表，自动保存在指定的位置，用于用户打印和后续的查询或统计分析。上位机的故障显示与记录功能可以便于生产维护人员在系统故障时根据提示信息迅速的查找和排除故障，尽量缩短故障维修时间。同时，上位机也具有配方管理功能，能够缺省设定多组配方，可以供使用者选择，系统管理员也可以对配方进行修改、下载、上载或者新增配方。

    3 下位机设计

   下位机的plc控制程序是稳定土厂拌站自动控制系统的核心。本系统plc控制程序主要是按照稳定土生产工艺的要求，实现对稳定土厂拌设备的启停控制、各种物料的配料比例控制、机械设备之间的逻辑互锁、相关信号的采集与处理等功能。

   系统设计稳定土的生产过程分为两种控制方式：自动控制和手动控制。在手动控制模式下，厂拌站操作手可以控制各个机电设备的启停，可以手动调整各个配料电机的转速从而改变各种骨料和粉料的配比。在自动控制模式下，系统的配料过程完全由plc程序控制，人工不能调节配料变频器的转速。手动控制和自动控制的实现都有一个前提条件：集料皮带、拌缸和上料皮带都已经运行，防止当启动物料配送时由于前方设备没有运转而导致骨料在集料皮带上的堆积造成浪费和清理问题。

   为实现自动控制系统对稳定土厂拌站的控制任务，本系统在程序设计上主要分为以下几个部分：主程序、系统初始化、流程控制、数据采集与处理、自锁控制、pid配料运算、标定与调零、故障报警、变频器通讯等。简单介绍其中的几部分。