西门子中国授权一级代理商|电线电缆总代理商

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本文以EMS（EscortMemorySystems）的RFID射频识别读写器LRP830为例，分别介绍了可编程控制器及微机与RFID射频识别读写器进行串行通讯，从而读取标识数据的具体实现方法：PLC通过串行I/O通讯协议与RFID读写器实现串行通讯，PC通过bbbbbbs多线程技术与RFID读写器实现串行通讯。文中给出了实例。RFID射频识别在我国的应用才刚刚开始，前景非常广阔。本文所述方法具有一定代表性，对于推动RFID射频识别技术在工业自动化等领域的应用，具有一定的积意义。 

     RFID射频识别系统简介 

     RFID的全称是RadioFrequencyIdentification，即射频识别,它利用无线电射频实现可编程控制器（PLC）或微机（PC）与标识间的,从而实现非接触式目标识别与跟踪。 

     一个典型的RFID射频识别系统包括四部分：标识、天线、控制器和主机（PLC或PC），系统结构图见图1。 

     图1RFID射频识别系统结构图 

     标识一般固定在跟踪识别对象上，如托盘、货架、小车、集装箱，在标识中可以存储一定字节的数据，用于记录识别对象的重要信息。当标识随识别对象移动时，标识就成为一个移动的数据载体。以RFID在计算机组装线上的应用为例，标识中可以记录机箱的类型（立式还是卧式）、所需配件及型号（主板、硬盘、CD-ROM等）、需要完成的工序等。又如在邮包的自动分拣和跟踪应用中，可以在标识中存储邮包的始发地、目的地、路由等信息。 

     天线的作用是通过无线电磁波从标识中读数据或写数据到标识中。天线形状大小各异，大的可以做成货仓出口的门或通道，小的可以小到1mm。 

     控制器用于控制天线与PLC或PC间的数据通信，有的控制器还带有数字量输入输出，可以直接用于控制。控制器与天线合称读写器。 

     PLC或PC根据读写器捕捉到的标识中的数据完成相应的过程控制，或进行数据分析、显示和存储。 

     本文即以具有代表性的美国EMS（EscortMemorySystems）公司的13.56MHz无源RFID射频识别读写器LRP830为例，介绍了PLC及PC与RFID读写器进行串行通讯，从而标识数据，用于控制或数据处理的具体实现方法。 

     RFID射频识别读写器的命令集及串行通讯协议 

     以LRP830读写器为例，LRP830是EMS13.56MHz无源系列射频读写器中的一种，它的标识和天线可以在水下或高温腐蚀环境中正常工作，可以一次读写99个标识，大读写距离63.5cm。它带有两个串口，一个DeviceNet接口，4个DI隔离输入，4个DI隔离输出，保护等级IP66，NEMA4封装，非常适合于在工业自动化中应用。 

     LRP830读写器上的串口是合在一起的，通过电缆可以分接出COM1和COM2两个串口，两个串口作用不同，COM1用作通讯口，从PLC或PC接收命令并返回响应数据,可以配置为RS232、RS422或DeviceNet接口。COM2用于配置系统参数（如读写模式、波特率等）或下载系统升级程序。 

     LRP830可以与所有EMS的FastTrackTM系列无源标识结合使用，每个标识中可以存储48个字节的数据，另外还有8个字节用于存储只读的的序列号（出厂前由厂方设定）。 

     LRP830提供了单标识读写命令集（见表1），多标识读写命令与此类似。 

V80 系列 PLC 采集现场每个换热子站的温度、压力、流量，并根据采集数据进行供热流量的控制，以达到节能的目的。根据室外气温的变化，通过调节一级管网电动阀门的开度来及时控制二级管网的回水温度，通过调度给定的控制曲线，保证每个换热站的运行参数始终在给定的范围内。同时，监控室根据需要调度和遥控子站的电动阀门，调整运行参数。系统配置 GPRS DTU，可以实现温度的控制、泵变频的远程控制。上位机选用组态王组态软件，与数据库结合起来，对所有数据进行存储和分析，并可以配合优化软件进行控制。  
 　3、PLC 特点  
 　　  
 

 　　图 2 V80 系统结构示意图 

 　　针对提到的各种问题，本文提出了一个为优胜的方案，其特点如下：  

 　　1、 网络通信功能  

 　　V80 系列 PLC 可同时支持 2 个以上的通信口，可利用 RS485 通信口组建控制网络，把多台 V80 小型 PLC 组进同一个现场总线网络内，主控 PLC 上连接一个 GPRSDTU 模块，为监控网络提供透明的上网通道。选用 GPRS DTU 代替无线 RTU 可以大大降，在敷设了电话线的地方可选用 Modem，使整个系统的造价达到优。  

 　　2、CPU 模块功能  

 　　M32DT 模块是 16 路数字量输入和 16 路晶体管输出的 CPU 模块，本身带有两个通信口，一个 RS232 和一个 RS485，内部带 MODBUS 主从通信协议和 FREE 通信协议，可以与各种 HMI 或者各种组态软件通信，通信协议库文件使各厂商自行开发上位机软件提供了诸多便利。  

 　　M32DT 内带 FLASH 存储器，可将各种参数存储在本地，还带有掉电保持功能，从而保证使用的性和便利性。高速运算速度和完备数学运算能力使其适合通信和模拟量处理环境。  

 　　3、抗干扰能力强  

 　　整个系统的宽温和宽电源供电设计使其可以在恶劣的环境中游刃有余，V80 系列产品已通过 CE 认证。  

 　　4、 编程简单方便  

 　　V80 系列 PLC 的编程语言支持 IEC61131-3 标准，可以方便编程。同时，支持在线编程，也就是在运行态下可以进行程序修改和调试，为监控现场的在线升级和扩展提供方便。  

 　　5、   

 　　V80 系列 PLC 比同样点数的数采模块具有价格优势，而且其图形化编程功能使其成为一个强有力的分布式监控平台。  

 　　4、结论  

 　　本文以供热网的远程监控为例，介绍了 V80 系列 PLC 联网、通信协议与三方产品集成特点，说明 V80 系列 PLC 在数据采集和远程监控行业中的应用，实际运行结果表明 V80系列 PLC 是客户将采集、控制、远程监控合而为一的理想选择

    二 矫直机控制系统原理
    根据工艺要求、设计的控制原理框图如下：

    放卷机将铝管在矫直机牵引下自然放卷，通过一排双曲轮将弯曲的铝管矫直。将旋转编码器安装在传送带上，用于铝管传送速度，随铝管的运动而转动，其转动产生的脉冲送入PLC中，经过PLC的计算处理而得到切料的长度，当切料长度改变时，其编码器所测得的速度与输入数据进行比较，比较结果送入变频器中从而通过改变矫直电机的速度来达到改变切料长度。MPT显示、调整矫直速度、调整切料长度、显示已切根数。

    三 硬件设计
    根据控制要求，系统要求控制5个电磁阀开关，7个到位接近开关，5个控制按钮和2个指示灯，共控制16个I/O输入，7个I/O输出和一个模拟输出，共25个I/O控制点。采集参数为编码器对铝管运行速度的脉冲采样，输出参数为调速频率。考虑性价比，选择了OMRON公司的CPM2A-PLC扩展一个CPM1A-MADO2单元。控制设备和具体I/O对照如表1所示：
    表1 矫直机控制系统I/0表
    类型 序号 名称   地址      设备名称
    DO    1   YA1   10CH00   左夹紧油缸夹紧电磁阀
          2   YA2   10CH01   左夹紧油缸打开电磁阀
          3   YA3   10CH02   右夹紧油缸夹紧电磁阀
          4   YA4   10CH03   右夹紧油缸打开电磁阀
          5   YA5   10CH04   切断油缸电磁阀
          6   HE5   10CH06   系统准备好
          7   HE6   10CH07   系统报警
    DI    8   LS02  1CH00    左夹紧油缸夹紧到位接近开关
          9   LS03  1CH01    左夹紧油缸夹紧到位接近开关
          10  LS04  1CH02    右夹紧油缸夹紧到位接近开关
          11  LS05  1CH03    右夹紧油缸打开到位接近开关
          12  LS06  1CH04    切断油缸上位到位接近开关
          13  LS07  1CH05    剪下切到位接近开关
          14  LS08  1CH06    门关到位开关
          15  SB7   1CH07    调速+按钮
          16  SB8   1CH08    调速-按钮
          17  SB9   1CH09    系统复位按钮
          18  SB10  1CH10    暂停按钮
          19  SB11  1CH11    计数清零按钮
          20  SB12  2CH00    急停按钮
          21  SB13  2CH01    手/自动切换
          22  LS01  0CH00    旋转编码器A相
          23  LS01  0CH01    旋转编码器B相
          24  LS01  0CH02    旋转编码器C相
    AO    25 　     13CH00   调速

    四 软件设计
    程序采用OMRON公司的CX-Programmer软件编写，程序设计上有如下特点：在程序中，利用标志位来表示不同的现场情况和程序的状态，增加了程序的性和灵活性。模块化的程序设计，整个程序由不同的子程序构成，各子模块立完成各自的功能互不干扰，因而程序结构清晰，便于修改。再就是定时器的使用，利用不同的定时器来设置不同设备的延时时间，可以灵活地根据控制要求进行延时时间的设定。主程序主要由程序初始化、计数清零、系统复位、增减变频、切长脉冲转换、速度、切料、暂停急停门八个子程序和一个切料中断子程序构成。下面介绍编码器高速计数程序设计及切料动作程序设计。
   
    编码器旋转一周有1024个脉冲，其旋转半径为32.6mm，进行速度计数时，一个脉冲所走过的路径是0.2mm，为了保证其脉冲数为整数要进行数据处理。把DM5寄存区中放立即数5用来与DM0中的切料长度数据做双字节乘法放到DM15寄存区里。便得到切料长度所对应的脉冲整数。然后再用这个脉冲数与CM11中的脉冲比较表进行比较，当两者相等时，便可以驱动改变切长。切料脉冲转换程序流程如图2所示：

    切料过程中要求：剪下切动作时，铝管被夹紧，以免在下切的过程中由于机械动作产生对铝管的冲力和拉力；切割时，剪跟随铝管一起等速运动（这属于机械装置上的问题，我们不考虑）；夹紧、下切、松开动作时，应该延时一段时间，以保证机械动作到位；每个动作都应该使用状态量控制，以保证系统工作的稳定和，同时可以监测故障和报警提示；对所切割铝管的根数和长度进行记录和送显，界面友好直观，功能齐全。

    PLC（可编程逻辑控制器）由于其性高、功能强、可扩展性好等特点，而被广泛应用于油气田各类生产监控系统中。在海上气平台的生产过程中，被处理介质往往是高温高压、易燃易爆的气体或液体，故生产性问题尤为。在这种情况下，须将控制生产处理流程的生产控制系统与专职实现保护功能的设施保护系统分开设计与安装。这样，就确保了当生产控制系统出现掉电、系统失控等故障时，设施保护系统仍能将泵、压缩机、压力容器等生产设备切换到状态，从而实现生产设施的保护。

    2 系统结构

    由于设施保护系统运行在现场，各种电磁干扰大，工作环境恶劣，因此选用抗干扰能力强的PLC作为系统控制主体。系统由主从处理器、远程I/O以及人机界面等构成。系统框图如图1所示。

    由于I/O点数较多、数据处理量大，故在美国A-B公司的PLC5系列处理器中选用处理容量较大的PLC5/40处理挨。考虑到设施保护系统本身负责生产处理设备的保护功能，其自身性非常重要，将处理器部分设计为冗余配置。两台处理通过DH+通信同步工作，但只有主处理器从远程I/O中读写数据。当主处理器发生故障时，从处理器立即接管远程I/O，同时升级为主处理器。

    远程I/O部分选用A-B公司的1771远程I/O适配器。该适配器通过A-B公司的DH+数据总线与主处理器通讯，并刷新各输入/输出模块的I/O点状态。与远程I/O相连的现场设备，不仅包括各类传感器、执行器，还包括一些分散在现场的本地控制器，例如仪表气空压缩机控制器、干气压透平压缩机控制器，均为PLC5系列可编程控制器。考虑到设施保护系统对通信的高性与实时性的要求，这些现场本地控制器不采用串行方式与设施保护系统通信，而使用0/24V开关信号直接受设施保护系统的控制。

    人机界面，则由美国费舍尔-罗斯蒙特（Fisher-Rosemount）公司的RS3集散控制系统完成。该集散控制系统既是设施保护系统的人机界面，又是控制处理流程的生产控制系统。出于性方面的考虑，生产控制系统不对设施保护系统进行任何控制，仅对设施保系统监视。

    为了达到企业管理和生产自动化的紧密结合，系统报表功能由一台与企业局域网相连的报表服务器完成。该服务器定时从生产控制系统与设施保护系统中读取数据，并将数据存入数据库，再自动调用Lotus Notes，将生产数据以电子邮件的形式投送到生产经理、生产监督等管理人员的电子信箱中。

    3 设施保护功能的实现

    为了达到保护生产设备的目的，需要通过梯形图程序对设备参数进判断并产生相应的关停指令。关停指令共有四种级别，依次是：Fire ESD（Fire Emergency Shut Down，火警紧急关停）、ESD（Emergency Shut Down紧急关停）、PSD（Process Shut Down，处理流程关停）以及USD（Unit Shut Down，生产单元关停）。

    Fire ESD指令级别，由火灾报警盘报告火警信号产生。其动作是，关停生产平台的一切设备，同时启动海水消防泵与海水喷淋系统。ESD指令由一些表示严重生产事故的信号产生，例如，检测到气泄漏。其动作是，除应急发电机以外，关停其他一切设备。PSD指令由一些重要设备的非正常状态产生，例如压缩机喘震，仪表气压力低等。其动作是，关停3整个生产处理流程，但保持发电机、仪表气压缩机的运行。USD则是由局部非正常生产状态产生，例如PID控制回路大幅度震荡、分离器液位高等。其动作是，关停发生故障的生产设备。

    整个设施保护系统的工作过程是：PLC处理器通过远程I/O对生产设备的压力、温度、流量、转速等状态进行判断。一旦检测到非正常工作情况，则立即将生产设备进行全部或局部关停，同时通过人机界面向操作员报警。

    除了由传感器检测到的非正常生产状态可产生关停止指令以外，设施保护系统同时提供了手动按钮用以产生手动关停止指令。手动按钮散布在生产区各处，由操作人员根据具体事故情况决定是否发出关停指令。

    设施保护系统还提供了旁通（Bypass）功能。当维修人员对传感器进行检测或维修时，为了防止设施保护系统产生误动作，需要在梯形图程序中设置旁通位，以便将被维护仪表产生的误关停信号进暂时屏蔽处理。

    整个关停过程的程序流程图如图2所示。

    4 PLC的软件编程

    A-B PLC 5/40处理器随机提供6200系列编程软件，但在实际编程中采用了Rockwell软件公司的Logic 5软件对PLC进行编程。Logic 5是基于bbbbbbs的应用程序，相对于6200编程软件具有直观、易用、功能强大的特点。该软件运行于PC机上，通过RS 232串行口对PLC进行编程。由于程序复杂，故将程序分为若干个子程序进行编程。这些子程序块依次是，加电初始化模块、主从处理器模块、人机界面通信模块、模拟量高/低报警判断模块、Fire ESD/ESD/PSD/USD信号产生模块以及关停动作执行模块。经后来的系统调试实践证明，这种模块化的编程方式对安装调试提供了很大的方便，具体程序流程图如图3所示。

    5 人机界面功能的实现

    人机界面由RS3 DCS与报表服务器组成。

    由于RS3 DCS提供了与PLC 5系列处理器通信的子模块，故人机界面与PLC 5处理器的通信设置相对较为简单。只需将RS3 DCS的控制块设置为PLC BLOCK，并将PLC型号设置为AB PLC 5即可建立与PLC的通信。通信建立后，便可在RS3 DCS的流程画面、历史曲线以及报警设置等组态画面中引用PLC处理中的变量。借助RS3 DCS强大的组态功能，可方便地实现对设施保护系统状态的监视与跟踪。

    RS3 DCS提供了简单的报表功能，但相对生产管理信息系统的要求还有很大的距离。因此，在RS3 DCS原有报表功能上重新开发了报表生成系统。报表服务器的报表软件，采用Visual Basic进行编程。该程序共分为三部分，依次是，数据通信部分、数据库读写部分以及报表生成部分。程序使用串行口通信控件从RS3 DCS中读取数据，并通过ODBC使用SQL语言对数据库进行读写操作，后再调用Lotus Notes bbbbbb生成电子邮件格式的报表，并通过局域网将报表传递到生产管理者的信箱中。

    6 结束语

    该系统在应用实施后运行良好，并经多次突发性事故证明了已达到保护生产设备的要求，从而确保了生产，降低了生产成本。系统的报表系统自运行以来为企业的管理信息系统提供了大量的生产数据，达到了为操作与管理人员及时、的数据的要求

1.引言

    空气压缩机是一种利用电动机将气体在压缩腔内进行压缩并使压缩的气体具有一定压力的设备。作为基础工业装备，空压机在冶金、机械制造、矿山、电力、纺织、石化、轻纺等几乎所有的工业行业都有广泛的应用。空压机占大型工业设备(风机、水泵、锅炉、空压机等)耗电量的15%。由于结构原理的原因，大部分空压机自身存在着明显的技术弱点。当输出压力大于一定值时，自动打开泄载阀，使异步电动机空转，严重浪费能源;异步电动机易频繁的启动、停止，影响电机的使用寿命，压机工频启动电流大，对电网冲击大，电机轴承磨损大，设备维护量大;工作条件恶劣，噪音大;自动化程度低，输出压力的调节是靠人为调节阀的开度来实现的，调节速度慢，波动大，不稳定，精度低。

    针对以上存在的问题，设计采用PLC和变频器实现对螺杆式空气压缩机的节能改造方案，经分析，该方案自动化程度高，节能效果显著，实用性好。

    2 空压机变频改造原理

    2.1空压机的工作原理

    螺杆式空压机的工作原理图如图1所示，空气经空气过滤器和吸气调节阀而吸入，该调节阀主要用于调节气缸、转子及滑片形成的压缩腔，阴、阳转子旋转相对于气缸里偏心方式运转。滑片安装在转子的槽中，并通过离心力将滑片推至气缸壁，的注油系统能够确保压缩机良好的冷却及润滑油的小舒适耗量，在气缸壁上形成的一层薄薄的油膜可以防止金属部件之间直接接触而造成磨损。经压缩后的空气温度较高，其中混有一定的油气，经过油气分离器进行分离，之后，油气经过油冷却器冷却在经过油过滤器流回储油罐，空气经过气后冷却器(空气冷却装置)进行冷却而进入储气罐。

    2.2空压机变频节能原理

    螺杆式空压机基本运行方式是加载、减载方式。减载时电机空转,能源白白的浪费，如果利用变频器通过改变电机频率来调节转速，变频控制即通过改变电动机的转速来控制空压机单位时间的出风量，从而达到控制管路的压力，具有明显的节能效果。空压机变频节能系统原理如下:通过压力变送器测得的管网压力值与压力的设定值相比较，得到偏差，经PID调节器计算出变频器作用于异步电动机的频率值。由变频器输出的相应频率和幅值的交流电，在电动机上得到相应的转速。那么空压机输出对应的压缩空气输出至储气罐，使之压力变化，直到管网压力与给定压力值相同。

    2.3变频改造注意事项

    (1)空压机是大转动惯量负载，这种启动特点很容易引起变频器在启动时出现跳过流保护的情况，建议采用具有高启动转矩的无速度矢量变频器，保证既能实现恒压供气的连续性，有可保证设备稳定的运行。

    (2)空压机不允许长时间在低频下运行，工作下限应不20Hz。

    (3)建议功率选用比空压机功率大一等级的变频器，以免空压机启动出现频繁跳闸的情况。

    (4)为了有效的滤除变频器输出电流中的高次谐波分量，减少因高次谐波引起的电磁干扰，建议选用输出交流电抗器，还可以减少电机运行的噪音。

    (5)设计的系统应具备变频和工频两套控制回路，确保变频出现异常跳保护时，不影响生产。

3 基于PLC的空压机变频控制系统

    3.1系统原理设计

    控制系统由以下部分组成:变频器、可编程控制器、变频柜、电抗器、压力变送器、震荡传感器等。

    基于PLC的变频控制系统原理图如图2所示。PLC由触摸屏、电源、CPU、模拟量输出模块等组成。其中采用PLC来实现电气部分的控制。包括五部分:起动、运行、停止、切换、报警及故障自诊断。

    (1)起动:以两台电机M1，M2为例，可以通过转换开关选择变频/工频启动。

    运行:正常情况，电机M1处于变频调速状态，电动机M2处于停机状态。现场压力变送器管网出口压力，并与给定值比较，经PID指令运算，得到频率信号，动动调节转速达到所需压力。

    (2)停止:按下停止按钮，PLC控制所有的接触器断开，变频器停止工作。

    (3)切换:实现M1，M2工频、变频相互切换。

    (4)报警及故障自诊断:空压机内部一般有四个需要监测的量:冷却水压力监测、润滑油监测、机体温度监测、储气罐压力监测。

    3.2案例分析

    以某厂房空压机为例。改造前经测试参数如下:电机功率110kW，出口压力为5.9~6.5MPa，运行时间为12小时/天，一年运行320天，加载时间为15s，减载时间15s;加载电流为190A，减载电流为90A。经检测其节电率为30%以上。年节电量(按30%)计算如下:

    W节电量=12×320×110×30%=1.27×105(k•Wh)

    可见节电效果明显，此外，改造后系统还存在其它优点。，减少了机器的噪音。其次，两套控制回路可保证系统的正常、运行。后，自动化程度高，克服原系统手动调节的缺点。

    4 结束语

    利用PLC和变频器实现对螺杆式空气压缩机的节能改造方案实验结果表明，改造后系统具有节约能源，自动化程度高，降低原系统噪音，减少设备维修量等优点，具有深入研讨的实用。