西门子模块6ES222-1EF22-0XA0原装代理

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可编程控制器在工业控制领域应用广泛,本文从可编程控制器在电力系统智能装置自动系统应用出发,介绍自动系统设计原理和系统组成,详细介绍PLC 在本系统功能和具体应用范围,并针对可编程控制器应用中出现特殊问题进行分析,并给出解决方法。实践证明,可编程控制器系统的扩展性和可编程特点可有效满足部分控制系统的特殊要求。

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*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*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较主要部分。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功能,但不仅**于这三部分的功能的,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较主要的功能: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**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系统原理的出发,一个完整的电力系统智能装置的系统包括: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 继电器出口触点特殊要求

可编程控制器开入模块负责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较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。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,而提高上位机和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,但仅仅依靠提高上位机和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较大数据长度,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。

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*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。

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, 提高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*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资源开销, 并带来系统稳定性和可靠性。可编程控制器*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 运算的速度得到提高,通过提高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。

有的初学者在理论上花了很多功夫，结果半年下来还是没有把PLC搞懂，其实他们只是缺少了一些PLC的实践经验，只要再进行一些实际的梯形图编写、程序下载、调试等操作，增加对PLC的感性认识，很快就可以掌握PLC这项技术了。开始阶段可以先学习一种品牌的PLC，因为所有的PLC原理都是差不多的，掌握了一种PLC其它的只要翻阅一下手册也就能上手使用了。

初学时可以编一些简单的梯形图，如触点的与、或、输出等，在PLC的机器里运行一下。成功了就会增加你学习的兴趣、和信心。然后再把PLC的主要功能逐个运用一次，比如高速计数器，你可以用PLC本身的脉冲输出端接到高速计数器的输入端，下载编好的梯形图，打开变量观察窗口，运行程序，观察计数的值是否正确。经过了这样的实践，你基本上知道PLC到底能做哪些事情了，在实际的工控应用中就能做到胸有成竹了。

1．学习PLC的理由
PLC控制是当今自动化控制的主流，目前自动化机台控制大多采用PLC控制，只要是从事自动化的人员，就必须要会使用PLC，否则入不了自动化控制的门，被自动化行业淘汰。为此不得不学习PLC。

2．方法
a．有条件的较好去买台PLC用来实践；
b．PLC技术是一门实践性非常强的技术，如果你想学好，那么你就必须去实践它。编程就像是一位习武之人，如果只是整天坐在家中看拳谱，不出门练武的话，那么就是一本再厉害的武林密集，再长的时间他的功力也不会提高。学习PLC也是同样的道理，光看书是没有用的，一本PLC书您就是看了十遍以后您还是不会用，学过编程(不管什么语言)的都知道。
c．在学习PLC书本知识的过程中，肯定会对许多指令不是很了解，如果您没有一一解决的话，那么这将是您学习PLC的较大障碍。因此进行实际应用，逐一攻破，这样，你的PLC知识不但会学得牢固，而且在学习的过程中你掌握了实际使用。

d．在学习PLC有了一定的基础之后，可以自己独立编写一段自己设

1    引言

    在20世纪50年代，由于原子能工业焊接锆棒的需要，而产生的高能束焊接设备——电子束焊机，经过几十年的技术发展，现已成为**的精密焊接设备，并在尖端工业领域，例如航天、航空、、兵器等部门得到了成功应用。当今，计算机和自动控制技术在电子束焊接机中的应用，更加拓宽了电子束焊接的应用范畴。其中PLC控制技术和计算机技术在电子束焊接机中的应用，提高了设备操作的方便性和工作的可靠性,也更容易实现自动化焊接或生产,包括设备诊断、各种焊接工艺自动调节和历史记录等。其中高压电源及其控制系统是电子束焊接设备的关键部分，它的性能好坏直接关系着设备工作的可靠性和电子束焊接工艺，严重时会损坏工件并引起设备和人身事故[1]。本文结合对高压电源和控制系统的要求，利用可靠性高的工业化产品PLC来实现对电子束焊机的自动控制，代替传统的模拟电路以提高系统工作可靠性，工艺调节和设备操作的灵活性。

2    PLC和特殊功能模块技术指标

    整机以PLC为核心，分别对设备各控制系统进行模拟和数字控制。本机采用的PLC为三菱公司生产的FX2N－128MT可编程的逻辑控制器，由它实现对设备的各种逻辑控制[2～3]。A/D、D/A单元亦为三菱公司提供的特殊模块，实现工作台运动速度给定的A/D转换和高压、束流的D/A转换，通过PLC的逻辑运算输出模拟量来控制高压、束流的给定。在控制系统中，数模转换模块为FX2N—4AD，主要用作高压、束流反馈的模数转换。数模转换模块为FX2N—4DA，主要用作高压、束流和工作台速度的给定，PID输出等。

2.1    基本单元FX2N—128MT

    FX2N有一个16位微处理器和一个**逻辑处理器，其执行速度为0.08μs/步,是目前运行速度较快的小型PLC之一。FX2N—128MT的主要功能是系统监控、程序执行、解释及信号的输入输出。

2.2    模/数转换模块FX2N—4AD

    FX2N—4AD为4通道12位A/D转换模块，其基本技术指标为：

    输入信号范围    DC－10V～＋10V

                    较大值±15V

            或者    DC－20mA～＋20mA

                    较大±32mA

    数字输出        带符号的16位二进制数，有效位为11位（－2048～＋2047）

    分辨率          5mV或者20μA

    驱动电源        DC24（1±10％）V55mA

    转换速度        15ms/通道（常速）6ms/通道（高速）综合精度±1％

    在FX2N系列可编程控制器中，它作为高压、束流的反馈和工作台运动的速度给定等的A/D转换用。

2.3    数/模转换模块FX2N—4DA

    FX2N—4DA为4通道12位D/A转换模块，其基本技术指标为：

    数字输入    带符号的16位二进制数，有效位11位（－2048～＋2047）

    输出信号范围    DC－10V～＋10V

            或者    DC－20mA～＋20mA

    分辩率          5mV或者20μA

    驱动电源        DC24（1±10％）V200mA

    转换速度        2.1ms/4通道

    综合精度        ±1％

    在FX2N系列可编程控制器中，它作为PID调节输出，用以分别显示和调节高压和束流的D/A转换器用。

3    高压电源及其控制系统的组成

    主要由主电路、控制电路和PLC控制软件组成。主电路由EMC滤波电路、晶闸管直流调压模块、半桥逆变电路、高频变压器、高频高压整流滤波电路、高压、束流测量和采样等环节组成。其工作原理是电网电压经EMC滤波电路和晶闸管直流调压模块后整流为可调的直流电压，作为逆变器的供电电源，半桥逆变器把直流电压逆变成20kHz的方波电压，再通过高频变压器的升压和高频高压整流滤波后输出脉动很小的直流高压，为电子提供高压加速电场。

  控制电路由PWM控制电路、高压反馈环节和PID调节器组成。具体原理图如图2所示。PWM电路主要控制逆变器的软启动、提供40kHz方波脉冲和隔离驱动、过流保护等。高压反馈环节有高压精密分压器、高压隔离电路和D/A转换器组成。该环节把直流高压信号转变成标准的低电平信号，再通过D/A转换器转换成数字信号送入PLC，作为PID运算的反馈量。给定环节由A/D转换器、数据设定单元和外接模拟电路组成，分手动和自动两种情况。手动时由模拟电位器给出的模拟信号经A/D转换器后变成数字量作为PID的给定；自动时，给定值由PLC设定单元直接设定数字作为PID的给定。同时PLC内部设计了梯度给定程序，使得PID输出为一斜波输出，作为高压电源的软启动。PID环节由PLC和D/A模块组成，PID运算由PLC的PID指令完成，包括采样时间、比例常数、微分常数、积分常数、滤波常数的设定等。PID运算后的数字经D/A转换成模拟信号作为直流调压模块的控制电压以调节其直流输出。直流高压稳定和调节的工作原理是，当由于外部原因使得输出电压下降时，经反馈环节和PID运算后使控制电压提高，从而提高调压模块的输出电压，使逆变器的输出电压、高压变压器的输出电压和直流输出电压提高以达到直流高压的稳定和调节。

   梯度给定程序    产生PID给定信号，利用PLC的加法指令和特殊继电器M8021来实现上升梯度，使得给定为斜波函数。下降梯度则由减法指令和M8021形成。

    A/D程序    高压反馈信号和手动给定信号的模数转换，作为PID运算的反馈量。

    D/A程序    把PID的运算实时地转化为模拟量，用以控制可控调压模块的输出。

    PID运算程序    由PLC的PID运算指令完成，根据系统的实际要求设定采样时间、比例常数、微分常数、积分常数、滤波常数等。

    END    结束程序

5    保护电路

    电子束焊机在工作时，电子内的打火、电源操作及其它外部原因会在电源内部产生过电压或过电流以致损坏电源或IGBT、集成电路及工件，采取保护电路是抑制过电压或过电流的有效措施。电源设置过压保护、梯度上升及下降电路和过流保护电路。过流保护采用以下三重保护。

    1）EXB840电路本身的过流保护检测功能，即在IGBT过流时，IGBT驱动模块的脚6会检测到过流信号而直接封锁输出脉冲，关断IGBT，同时EXB840的脚4经过外接电路输出信号给PLC，PLC经过程序运算后，一方面发出过流信号指示，另一方面给晶闸管移相控制电路提供封锁脉冲信号，关断晶闸管主电路。

    2）利用TL494的内部放大器的脚15、16外接电流隔离传感器，当检测到的电流信号**过设定值时，TL494封锁输出脉冲，从而实现对IGBT的关断。

    3）高压侧电子束流过流保护，当出现过电流时，束流取样信号反馈到控制电路，控制电路发出过流信号给PLC，PLC分别发出关断主电路和过流显示信号，从而实现过流保护。

    电源还设置了过压保护电路，能有效地对电源的过电压进行保护，在高压电源的内部还加装了限流电阻及保护电阻，能有效地限制过电流和过电压。为了克服开机时市电对电源的冲击，通过PLC内部程序设置了软启动斜坡函数，经D/A模块运算后作为PI调节器的给定，实现电源的软启动。

6    结语

    电子束焊机用高压电源的控制系统采用PLC技术后，系统工作可靠性提高，电路结构简单，有利于电子束焊接设备的焊接工艺调整和方便设备的维修和调试。