6ES7241-1AA22-0XA0现货充足

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1、前言     

      随着微电子技术和计算机技术的迅速发展，PLC（可编程控制器）不仅用逻辑编程取代了硬接线逻辑，还增加了运算、数据传送和处理的功能，真正成为一种计算机工业控制装置。PLC的功能远远超出逻辑控制、顺序控制的范围，所以在工业发达国家，PLC在其自动化设备中的比例占**。近年来，我国的PLC技术也从初期的引进、消化走向吸收和推广应用阶段，并且在许多工业领域取得了良好的经济效益和社会效益。面对这种形势，高等院校为更好地适应于我国经济、科学技术和社会的发展，在相关院系中普及PLC技术教育是十分必要的。对航海院校而言，随着船舶自动化程度的日益提高，PLC技术在主机、辅机和电站等设备中逐步推广应用，这就要求航海教育必须与之相适应，特别是轮机工程专业必须强化PLC技术的教育。同时为了适应IMO（国际组织）STCW 78/95公约的要求，除了在校轮机本、专科学生的《轮机自动化》课程中包含PLC原理与应用外，海事局委托的轮补电船员培训班中也要求开设《PLC原理与应用》课程，并辅以一定量的实验。鉴于此，建立面向船员教育的PLC实验室成了刻不容缓的任务。     

      2、建立PLC实验室的总体方案     

      实验室是学科建设和发展的基础，是教学与科研的基地，是衡量高等院校办学水平和科研水平的重要标志，所以我们PLC实验室建设的目标是建成为能适应现代船员教育、符合STCW 78/95 公约要求的、高标准的开放型实验室。实验室由两大部分构成：     

      1、基础实验部分 —— 制作一批以PLC为核心的标准实验板，输入端由若干个开关和传感器组成，输出端为一些指示灯、继电器和熔断管。因PLC实验不同于一般电工电子实验，它需自己编程，输入PLC调试通过，动手性强，但不成功率较高，有了标准实验板，安全性、直观性提高，教师可以放手让学生大胆实践，让他们自己选题、自接线路、自己调试，指导教师在整个过程中的作用只是引导、检查、把关和解决学生疑难问题。     

      2、科研开发部分 —— 为教师提供科研活动、技术开发的场所。充分发挥专业教师在技术上的优势，为航运企业及相关部门解决一些PLC应用上的问题，进行模拟试验或做些产品开发。这样既回报了社会，又为学校筹集教学和科研经费提供了条件，与此同时还能提高教师的科研水平和教学水平。主要设备有计算机、**编程软件、数据连线和若干套PLC等。     

     3、PLC实验室的建设     

     99年底我院购买了三菱（MITSUBISHI）公司FX2N-48MR微型可编程控制器12套和FX-2P便携式编程器1套，利用这些设备我们设计制作了十块实验板，外壳用金属薄板弯制成型并作静电喷塑处理（蛋青色），居中是PLC（便于看请PLC上的各输入输出端状态指示LED），左上角为~220V电源输入、开关、电源指示灯、DC24V接线柱和保险管，考虑到学生操作的方便，我们把输入端控制开关和传感器接线柱布置在实验板的下半部分，而把输出端继电器、交流接触器、接线柱和指示灯布置在上半部分（该PLC输入端X0~X27在上面、输出端Y0~Y27在下面）。由于该PLC的输出电路无内置保险，为了防止负载短路等故障烧断PLC的基板配线，每4个输出点（也就是一个COM点）设置一个5A保险。该PLC性能优良，有继电器、三端双向可控硅开关元件和晶体管三种输出类型，可以接多种输出入扩展设备，而且使用简便指令就能完成不少实验。为了使实验教学的效果更理想，还做了几块示教板供演示用。从2000年3月开始我们按照新编的实验指导书开设了《PLC基本组成及输入输出接口的认识》、《灯循环点亮和延时点亮PLC编程》、《PLC在交流电机控制系统中应用的演示性实操》三个基础实验。考虑到目前PLC在船舶上的广泛应用，如主机遥控、船舶报警监视、燃油锅炉自动控制等系统中都有应用，同时也是为了适应现代条件下船员教育的新特点，我们以PLC为核心逐步研制几种用于教学的船用设备模拟器，下面就以锅炉控制模拟器为例作一简要介绍：     

      在柴油机动力装置中所采用的锅炉都称为辅锅炉，由于船舶机舱中这类辅助设备很多，因此辅助设备的自动控制是实现“无人值班”机舱的必要条件之一。实现辅锅炉的自动控制就首先要了解其燃烧时序控制

本文结合清江隔河岩水电厂计算机监控系统现地控制单元改造工程，重点探讨了在国内大型水电厂**使用施耐德以太网产品实现直接上网LCU的新型结构，讨论了在这种结构下实现输入、输出、电源、CPU、联接等冗余策略，特别是在二元输入情况下，实现开关量输入冗余的方法。分析了国际电工**IEEE1131 五种语言FBD、LD、SFC、ST、IL各自不同特点，讨论了使用结构化文本（ST）编写PLC程序应采用的策略和方法。分析了使用交流采样装置与变送器的策略。讨论了在水电厂现地进行LCU改造缩短工期的有效途径。

 

关键词：水电厂现地 控制单元 改造结构

经过多年努力，计算机监控系统在水电厂及其它领域的应用越来越广泛。对于水电厂来说，采用一套结构合理、功能完善、可靠性高、人机界面友好的计算机监控系统，是水电厂提高安全生产水平，实现“无人值班（关门运行）”的环节。非常可喜的是，经过国内**们的努力，国内计算机监控技术的发展很快，已经接近或达到同类产品的国际水平。

随着近几年计算机硬件、软件的快速发展，国内计算机监控技术不断得到发展。本文作者参加了清江隔河岩水电厂计算机监控系统改造工程，现就该厂LCU改造的特点，改造中所采用的新技术及LCU新型结构，进行初步探索，谈一下个人的看法，不当之处，希望批评指正。

1.监控系统改造的目标

隔河岩水电厂原采用加拿大的计算机监控系统，已稳定运行多年，为该厂安全生产及创国内水电厂作出了应有的贡献。但随着国民经济的发展，对电力系统、对电厂的要求越来越高，向国际的*水电厂的技术、管理水平看齐，创际*水电厂，从而实现管理水平高、技术先进、人员进一步精练、关门运行的目标，势在必行。一方面，原有的系统功能已不能满足要求，另一方面备品备件订货越来越困难，而且价格非常高，对电厂的安全运行形成隐患。为此对老系统必须进行更新改造，以便为创国际水电厂打下坚实的基础。对于LCU，改造的方法是：现地设备仅保留原有的盘柜柜体、自动准同期装置和24V电源、照明等少量附件，其它全部拆除，取而代之的是新的LCU，采用施耐德公司Quantum 系列PLC作为控制器。中国水利水电科学自动化所提供了五套LCU，本文作者参加了LCU的研制、现场安装调试等改造工作，本文是对改造工作的总结和思考。

2.LCU改造的特点

2.1控制流程方式不同

原监控系统是加拿大CAE研制的，CAE的模式与国内的一贯做法有很大差异。比如，开机有九大步，停机也有九大步。对于常规水电厂的机组，而我们的一贯做法是五态转换，所谓五态即停机态、空转态、空载态、发电态、不定态（**种状态中过渡状态称为不定态）。（对于有调相任务的机组，还有调相态;对于抽水蓄能机组，还有水泵态;但不在讨论的常规机组范围之内。）机组一定处于五种状态之中。机组的开机、停机、解列、解列后并网等操作，不过就是机组在的停机态、空转态、空载态、发电态四种状态间的转换。虽然两种表示方法实质是一致的，但习惯于五态转换的人，要熟悉开机、停机各九大步，需要一定的时间。考虑到电厂从运行人员到检修维护人员都谙熟这开、停机九大步这一因素，虽然编程与调试都需要付出较大的努力去适应，还是采用了原来的开、停机九大步形式，以方便电厂人员的运行与维护。

较初为了客车内各种控制装置联网通信而开发的控制器局域网（CAN）串行总线系统，自20世纪90年代初一直被用于嵌入式机器控制系统中。早期大多数使用这些总线系统的用户都在开发他们自己的应用层协议。然而，利用数据链路层解决问题的时代过去了。其中CAN总线和以太网是较成功的数据链路层协议。下一个挑战将是选择一种更高层的协议。

纵观世界领域，有一些组织推动着基于以太网的应用层在工业应用领域的发展。这些组织现在还未取得成功。然而，在CAN总线领域中，答案已见分晓。在工厂自动化中，DeviceNet协议在其与智能分布式系统（SDS）的竞争中是明确的赢家，同时在嵌入式机器控制中，CANopen协议是较被广泛接受的应用层协议。

DeviceNet和CANopen两个标准化（EN50325）应用层协议现在针对不同的市场发挥着各自的作用。DeviceNet协议适合用于工厂自动化，而CANopen协议特别适合用于在各种各样的机器控制中使用的嵌入式网络。这使得**的应用层协议过时；定义特殊用处的应用层协议的需求 成为历史，也许对于一些专门的大容量嵌入式系统除外。

自从1992年以来，国际CAN标准化组织（CiA）用户和制造商小组一直支持不同的行业开发基于CAN总线网络的标准化更高层的协议。嵌入式机器网络的解决方案已经在与欧洲联盟的合作中开发出来了。其成果是CANopen应用层协议，并已被列入欧洲标准（即EN50325-4）。除CANopen应用层协议之外，CiA CANopen特殊利益小组还有特定的设备、接口和应用描述。美国**批CANopen用户包括工业车辆、医疗器械（如GE系统）的制造商和一些机器制造商（如Bell & Howell公司）。

在欧洲，CANopen协议被广泛认为是在任何类型的机器中用于嵌入式机器控制的更高层协议，任何类型的机器包括纺织机、注模机、铁路机车、制造基于车辆的超级结构机、甚至是**咖啡机。在规范设备各种特性方面CiA非常密切地与其它用户组织合作，比如Europmap注模机制造商小组、超结构制造商的VAK德国协会和公共交通的VDA德国协会。此外，**个CANopen实践指南已经被美国的工业车辆协会（ITA）出版，而美国的EPRI用户组织与CiA合作开发了针对电池驱动设备的CANopen设备规程。但是在北美仍然有许多CAN总线用户明确*他们自己的更高层协议。这就好像认为有必要定义一种新的人类语言一样。

我认为对于基于CAN总线网络有足够的标准化更高层协议来满足其各种应用。对于使用确定元件（每年用量从几百到几万）的嵌入式网络，CANopen协议似乎是较好的解决方案，尤其是在你想买成套的设备、工具和协议栈的时候。对于系统设计者而言，重用应用软件是非常重要的。这不仅需要通信的兼容性，而且也需要设备的互操作性和互换性。所以，CiA支持设备制造商、系统设计者和定义CANopen设备、接口和应用描述的终端用户的各种需求。为了提供公司和独立产品的培训和教育服务，用户和制造商小组有其自己的教CANopen技术的培训人员。此外，CiA提供全世界的咨询服务帮助用户获得他们的CANopen网络的建立和运行。

系统设计者为了使其设备品质良好，需要开发一种有效的CANopen一致性测试工具。这种工具也可以用来测试CANopen设备。即使这种工具只提供其静态测试，高达80％的故障也能被检测到。根据我的经验，我强烈建议使用**测试设备，不管它们是否被官方认证或已经成功通过自行测试。

CiA非营利组织成立于1992年。400多家公司已成为它的会员，包括许多位于美国的公司。CiA在北美的业务主要由于当地很低的需求而仍然受到限制。然而在过去几个月里，CiA已经收到那里越来越多的查询信息，所以它计划建立一个美国办事处。同时，美国工程师可能与总部位于德国的CiA通过e- mail、传真或电话方式联系以便获得所需的支持。1　软件抗干扰方法的研究 
在工程实践中，软件抗干扰研究的内容主要是： 一、模拟输入信号的嗓声（如数字滤波技术）；二、程序运行混乱时使程序重入正轨的方法。本文针对后者提出了几种有效的软件抗干扰方法。 
1.1 指令冗余 
CPU取指令过程是先取操作码，再取操作数。当PC受干扰出现错误，程序便脱离正常轨道“乱飞”，当乱飞到某双字节指令，若取指令时刻落在操作数上，误将操作数当作操作码，程序将出错。若“飞” 到了三字节指令，出错机率更大。 
在关键地方人为插入一些单字节指令，或将有效单字节指令重写称为指令冗余。通常是在双字节指令和三字节指令后插入两个字节以上的NOP。这样即使乱飞程序飞到操作数上，由于空操作指令NOP的存在，避免了后面的指令被当作操作数执行，程序自动纳入正轨。 
此外，对系统流向起重要作用的指令如RET、 RETI、LCALL、LJMP、JC等指令之前插入两条NOP，也可将乱飞程序纳入正轨，确保这些重要指令的执行。 
1.2 拦截技术 
所谓拦截，是指将乱飞的程序引向*位置，再进行出错处理。通常用软件陷阱来拦截乱飞的程序。因此先要合理设计陷阱，其次要将陷阱安排在适当的位置。 
1.2.1 软件陷阱的设计 
当乱飞程序进入非程序区，冗余指令便无法起作用。通过软件陷阱，拦截乱飞程序，将其引向*位置，再进行出错处理。软件陷阱是指用来将捕获的乱飞程序引向复位入口地址0000H的指令。通常在EPROM中非程序区填入以下指令作为软件陷阱： 
NOP 
NOP 
LJMP 0000H 
其机器码为0000020000。 
1.2.2 陷阱的安排 
通常在程序中未使用的EPROM空间填0000020000。较后一条应填入020000，当乱飞程序 落到此区，即可自动入轨。在用户程序区各模块之间的空余单元也可填入陷阱指令。当使用的中断因干扰而开放时，在对应的中断服务程序中设置软件陷阱，能及时捕获错误的中断。如某应用系统虽未用到外部中断1，外部中断1的中断服务程序可为如下形式： 
NOP 
NOP 
RETI 
返回指令可用“RETI”，也可用“LJMP 0000H”。如果故障诊断程序与系统自恢复程序的设计可＊、 完善，用“LJMP 0000H”作返回指令可直接进入故障诊断程序，尽早地处理故障并恢复程序的运行。 
考虑到程序存贮器的容量，软件陷阱一般1K空间有2-3个就可以进行有效拦截。 
1.3 软件“看门狗”技术 
若失控的程序进入“死循环”，通常采用“看门狗”技术使程序脱离“死循环”。通过不断检测程序循环运行时间，若发现程序循环时间超过较大循环运行时间，则认为系统陷入“死循环”，需进行出错处理。 
“看门狗”技术可由硬件实现，也可由软件实现。 在工业应用中，严重的干扰有时会破坏中断方式控制字，关闭中断。则系统无法定时“喂狗”，硬件看门狗电路失效。而软件看门狗可有效地解决这类问题。 
笔者在实际应用中，采用环形中断监视系统。用定时器T0监视定时器T1，用定时器T1监视主程序，主程序监视定时器T0。采用这种环形结构的软件“看门狗”具有良好的抗干扰性能，大大提高了系统可＊性。对于需经常使用T1定时器进行串口通讯的测控系统，则定时器T1不能进行中断，可改由串口中断进行监控（如果用的是MCS-52系列单片机，也可用T2代替T1进行监视）。这种软件“看门狗”监视原理是：在主程序、T0中断服务程序、T1中断服务程序中各设一运行观测变量，设为MWatch、T0Watch 、T1Watch,主程序每循环一次，MWatch加１，同样T0、T1中断服务程序执行一次，T0Watch、 T1Watch加１。在T0中断服务程序中通过T1Watch的变化情况判定T1运行是否正常，在T1中断服务程序测MWatch的变化情况判定主程序是否正常运行，在主程序中通过检测T0Watch的变化情况判别T0是否正常工作。若检测到某观测变量变化不正常，比如应当加1而未加1，则转到出错处理程序作排除故障处理。当然，对主程序较大循环周期、定时器T0和T1定时周期应予以全盘合理考虑。限于篇幅不赘述。 
2　系统故障处理、自恢复程序的设计 
单片机系统因干扰复位或掉电后复位均属非正常复位，应进行故障诊断并能自动恢复非正常复位前的状态。 
2.1 非正常复位的识别 
程序的执行总是从0000H开始，导致程序从 0000H开始执行有四种可能：一、系统开机上电复位；二、软件故障复位；三、看门狗超时未喂狗硬件复位； 四、任务正在执行中掉电后来电复位。四种情况中除**种情况外均属非正常复位，需加以识别。 
2.1.1 硬件复位与软件复位的识别 
此处硬件复位指开机复位与看门狗复位，硬件复位对寄存器有影响，如复位后PC=0000H， SP＝07H，PSW＝00H等。而软件复位则对SP、SPW无影响。故对于微机测控系统，当程序正常运行时，将SP设置地址大于07H，或者将PSW的第5位用户标志位在系统正常运行时设为1。那么系统复位时只需检测PSW.5标志位或SP值便可判此是否硬件复位。  
 
此外，由于硬件复位时片内RAM状态是随机的，而软件复位片内RAM则可保持复位前状态，因此可选取片内某一个或两个单元作为上电标志。设 40H用来做上电标志，上电标志字为78H，若系统复位后40H单元内容不等于78H，则认为是硬件复位，否则认为是软件复位，转向出错处理。若用两个单元作上电标志，则这种判别方法的可＊性更高。 
2.1.2 开机复位与看门狗故障复位的识别 
开机复位与看门狗故障复位因同属硬件复位， 所以要想予以正确识别，一般要借助非易失性RAM或者EEROM。当系统正常运行时，设置一可掉电保护的观测单元。当系统正常运行时，在定时喂狗的中断服务程序中使该观测单元保持正常值（设为 AAH），而在主程中将该单元清零，因观测单元掉电可保护，则开机时通过检测该单元是否为正常值可判断是否看门狗复位。 
2.1.3 正常开机复位与非正常开机复位的识别 
识别测控系统中因意外情况如系统掉电等情况引起的开机复位与正常开机复位，对于过程控制系统尤为重要。如某以时间为控制标准的测控系统，完成一次测控任务需1小时。在已执行测控50分钟的情况下，系统电压异常引起复位，此时若系统复位后又从头开始进行测控则会造成不必要的时间消耗。因此可通过一监测单元对当前系统的运行状态、系统时间予以监控，将控制过程分解为若干步或若干时间段，每执行完一步或每运行一个时间段则对监测单元置为关机允许值，不同的任务或任务的不同阶段有不同的值，若系统正在进行测控任务或正在执某时间段，则将监测单元置为非正常关机值。那么系统复位后可据此单元判系统原来的运行状态，并跳到出错处理程序中恢复系统原运行状态。 
2.2 非正常复位后系统自恢复运行的程序设计 
对顺序要求严格的一些过程控制系统，系统非正常复位否，一般都要求从失控的那一个模块或任务恢复运行。所以测控系统要作好重要数据单元、参数的备份，如系统运行状态、系统的进程值、当前输入、输出的值，当前时钟值、观测单元值等，这些数据既要定时备份，同时若有修改也应立即予以备份。 
当在已判别出系统非正常复位的情况下，先要恢复一些必要的系统数据，如显示模块的初始化、片外扩展芯片的初始化等。其次再对测控系统的系统状态、运行参数等予以恢复，包括显示界面等的恢复。之后再把复位前的任务、参数、运行时间等恢复， 再进入系统运行状态。 
应当说明的是，真实地恢复系统的运行状态需 要极为细致地对系统的重要数据予以备份，并加以数据可＊性检查，以保恢复的数据的可＊性。 
其次，对多任务、多进程测控系统，数据的恢复需考虑恢复的次序问题。 
 
系统基本初始化是指对芯片、显示、输入输出方式等进行初始化，要注意输入输出的初始化不应造成误动作。而复位前任务的初始化是指任务的执行状态、运行时间等。

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