西门子模块6ES7241-1AA22-0XA0使用选型

西门子模块6ES7241-1AA22-0XA0使用选型

1  引言
                
  　道岔作为铁路线上的重要设备，其设备的状态直接关系到列车的运行，通过转辙机动作电流监测，可有效的分析道岔的运行状态，为设备的维护和检修提供依据，以确保设备的完好和列车行驶。
                
  　转辙机是道岔的驱动设备，转辙机的动作电流直接反应道岔的动作阻力。因此，在转辙机动作过程中，通过对其动作电流的采集和分析，了解道岔的工作状态，及时发现设备故障隐患。对道岔进行状态检修，减少了检修和维护对行车的影响，而且延长了设备的使用寿命，尤其是当道岔动作发生故障时及时发出报警，及时发现故障点，从而提高检修和维护的速度及质量，对于列车的运行发挥了重要作用。
                
由于所采集的相关模拟量和开关量均由轨道现场返回的信号，因此，监测系统对于性和抗强电冲击-防雷特性具有很高的要求。以omron可编程控制器plc作为轨道转辙机动作电流监测系统的采集机不仅使系统具有很高的性，而且其标准的梯形图编程语言，也提高了系统的可维护性和可扩展性。
           
2  系统设计
                
系统基于omron的cs1系列plc设计。转辙机动作电流监测系统结构如图1所示，系统中由plc的di模块采集与转辙机动作过程相关的开关量，转辙机动作电流经电流盒采集；通常一个站有几十台(道岔)转辙机，大站甚至上百台，每8台转辙机的电流信号接入一个信号切换电路，切换电路的输出接入plc的ad转换模块，即每8台转辙机电流信号为一组，占用1个ad转换通道。切换电路由plc的i/o模块控制。plc的cpu模块对所采集的电流数据进行预处理、暂存，再由模块将至上位机，终由上位机对数据进行分析、管理、显示、报警。

 2.1 转辙机动作电流的数据采集

作为随机事件转辙机动作电流的为中断型采集过程，转辙机的动作由一启动继电器控制，一启动继电器状态由i/o口，并对所采集的数据进行分析，以判断该时刻动作转辙机的编号及同时有多少台动作。转辙机动作时通过plc相应i/o口控制信号切换电路，立即并持续采集其电流数据。图2为转辙机动作电流采集流程图。由于每8台转辙机为一组，因此采集过程可分为以下情况：
                
(1)一台转辙机动作：此时只需将每次的采集数据依次存入该转辙机数据区相应的一个单元即可。由于plc的ad转换周期较长，采用非同步方式转换时，每次需10ms，因此每个数据代表该时间段的电流，因此每个数据不仅表示电流的大小，同时也包含相应的时间特性。
                
(2)二台转辙机动作：当兼顾二台转辙机电流采集时，相应的采集周期延长了一倍，为保证数据的时间特性，将每次采集的数据同时存入二个单元。

(3) 三台转辙机动作：与上述情况相似，将每次采集的数据同时存入三个单元。
                
(4)四台转辙机动作：若此时同时采集四台转辙机的动作电流，其采集周期将出相关规定，因此，在转辙机分组时已兼顾考虑，在同一组中四台同时动作的概率非常低，但若发生有四台动作时，程序中将后动作的转辙机屏蔽，即该转辙机在此次动作过程中即使其他三台转辙机动作结束，使同时动作的台数小于四台，为保证过程数据的完整性不予采集。

2.2 数据拟合
                
当转辙机动作的台数大于一台时，电流数据包括有重复填写的数据，若不对重复填写的数据进行拟合处理，上位机依据数据绘制电流曲线图时，将呈现马赛克效果。因此，对重复填写的数据进行拟合处理。由于plc所提供函数有限，因此，程序中只能对数据作线性拟合。以n=3时的数据为例，由于采集周期须填写3个数据：dn1、dn2、dn3，dn-1为dn1的个数据，dn+1为dn3的后一个数据；分以下3种情况讨论：
                
(1) dn1为实际采集数据，dn2、dn3为重复填写数据；

                若不作线性拟合，则：
                dn1= dn2= dn3；
                若作线性拟合，则：
                dn2= dn1+ (dn1- dn-1)；
                dn3= (dn2+ dn+1)/2；
                
(2) dn2为实际采集数据，dn1、dn3为重复填写数据；

                若作线性拟合，则：
                dn1=(dn2+ dn-1)/2；
                dn3= (dn2+ dn+1)/2；
                (3) dn3为实际采集数据，dn1、dn2为重复填写数据；
                若作线性拟合，则：
                dn2= dn3+ (dn3- dn+1)；
                dn1= (dn2+ dn3)/2；
                
由于在进行线性拟合时应尽量依据实际采集数据，只有在采集过程中方便对实际采集数据，即通过plc在对转辙机动作电流采集过程中对相关数据进行修正。上位机程序对转辙机数据进行分析时，着重分析持续电流的平均值及动作持续时间，因此修正的目的在于使相关曲线在外观上为光滑。
            
2.3 数据缓冲区的管理
                
根据铁道部相关规程，对转辙机电流的采集持续时间和采集周期都有严格的规定。为了准确描述动作电流的变化全过程对电流的限制在30ms。通常单动岔的动作过程约为4秒，双动岔的动作时间约为8秒。因此，一台转辙机动作一次的电流数据单动岔为400，双动岔为800；另一方面，一个中型车站约有40台道岔，大型车站约有100多台道岔。若为每一台转辙机保留一个专属数据缓冲区(单动岔为400个字，双动岔为800个字)，则需要几十“k”的数据寄存器，显然一般的plc难以提供如此大的容量，同时也是没有必要的，因为道岔动作的次数是有限的，同一个车站内多只有几台道岔会同时动作。因此，程序中设置了一个公共数据缓冲区，缓冲区采用环形结构，由10个子缓冲区组成，(子缓冲区的数量可根据车站的规模调整)；其中每个子缓冲区占用400个字，单动岔动作时占用1个子缓冲区，双动岔动作时则占用2个子缓冲区。

3  plc的内部时钟设计
                
由于转辙机动作电流采集时需要标注动作的起始时间和结束时间，时间精度要求准确到0.1秒，以分析动作的持续时间及各转辙机(道岔)动作的相对时间。显然内部时间数据中不包含毫秒数据，因此，程序中设计了一个毫秒时间单元；即由一个数据单元对10ms脉冲进行计数，利用内部时间数据中的“秒”(简称“秒”)的进位(变化)，对毫秒时间单元数据进行对时——清零。考虑到10ms脉冲与内部时间中“秒”的精度可能存在误差，若10ms脉冲的时间比“秒”的时间慢，其但若10ms脉冲的时间比“秒”的时间块，在“秒”进位前，毫秒时间已提前回零，将会造成时间的混乱，因此当对10ms脉冲计数至99时应停止计数直至“秒”进位信号清零后重新计数，此时的误差对数据结果分析没有影响。内部时间中的年、月、日、时、分、秒由系统启动后plc与上位机通信连接时，上位机将其系统时钟写入plc内的相关单元。

4  结束语
                
该系统自投入运行后效果良好，由于采用plc作为采集机，系统结构简单，在抗雷击等强电冲击干扰方面发挥了plc的优势；由于程序上采用了本文所述的相关方法，弥plc的某些局限，使系统充分发挥作用。。

1  引言
            
随着科学技术的发展，基于plc的自动化系统在工业中的应用越来越广泛。plc系统的性直接影响到企业的生产和经济运行，系统的抗干扰能力关系到整个系统运行。自动化系统中所使用的各种类型控制系统，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设备所造成的恶劣电磁环境中。要提高控制系统性，一方面要求控制系统生产厂家用提高设备的抗干扰能力；另一方面，要求在工程设计、安装施工和使用维护中引起高度重视，多方配合才能解决问题，有效地增强系统的抗干扰性能。

2  plc干扰源及对系统的影响
            
2.1 干扰一般分类 
            
干扰类型通常按干扰产生的原因、噪声干扰模式和噪声的波形性质的不同划分。其中：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，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室，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，直接影响测控信号，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电压，这种让直接叠加在信号上，直接影响测量与控制精度。

2.2 控制系统中电磁干扰的主要来源
            
2.2.1空间的辐射干扰
            
空间的辐射电磁场(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，其分布为复杂。若控制系统系统置于所射频场内，就受到辐射干扰，其影响主要通过两条路径：
            
一是直接对控制系统内部的辐射，电路感应产生干扰；
            
二是对控制系统通信内网络的辐射，由通信线路的感应引入干扰。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控制系统局部屏蔽及高压泄放元件进行保护。

2.2.2 系统信号的干扰
            
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严重。
            
(1) 来自电源的干扰。实践证明，因电源引入的干扰造成控制系统故障的情况很多，笔者在某工程调试中遇到过，后换隔离性能高的控制系统电源，问题才得到解决。
            
控制系统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路。尤其是电网内部的变化，如开关操作浪涌、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。控制系统电源通常采用隔离电源，但其机构及制造工艺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，隔离是不可能的。
            
(2)来自信号线的干扰。与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，这是很严重的。由信号引入干扰会引起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。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。
            
(3) 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，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，使控制系统系统无法正常工作。控制系统的地线包括系统地、屏蔽地、交流地和保护地等。接地系统混乱对控制系统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增大。
            
此外，屏蔽层、接地线和大地有可能构成闭合环路，在变化磁场的作用下，屏蔽层内有会出现感应电流，通过屏蔽层与芯线之间的耦合，形成干扰信号回路。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，影响控制系统内逻辑电路和模拟电路的正常工作。控制系统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控制系统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。

2.2.3  控制系统系统内部的干扰
            
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及其对模拟电路的影响，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。这都属于控制系统制造厂对系统内部进行电磁兼容设计的内容，比较复杂，作为应用部门是无法改变，可不多考虑，但要选择具有较多应用业绩或经过考验的系统。
            
3  plc工程的抗干扰设计
             
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，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。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考虑，并结合具有情况进行综合设计，才能保证系统的电磁兼容性和运行性。进行具体工程的抗干扰设计时，应主要以下两个方面。

3.1 设备选型
            
在选择设备时，要选择有较高抗干扰能力的产品，其包括了电磁兼容性(emc)，尤其是抗外部干扰能力，如采用浮空技术、隔离性能好的控制系统系统；其次还应了解生产厂给出的抗干扰指标，如共模拟制比、差模拟制比，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；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高，在国外能正常工作的控制系统产品在国内工业就不一定能运行，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干扰的抑制措施。主要内容包括：对控制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，特别是原理动力电缆，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。另外还利用软件手段，进一步提高系统的性。

3.3 采用性能优良的电源，抑制电网干扰
            
在控制系统中，电源占有重要的地位。电网干扰串入控制系统主要通过控制系统系统的供电电源(如cpu 电源、i/o电源等)、变送器供电电源和与控制系统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，对于控制系统系统供电的电源，一般都采用隔离性能较好电源，而对于变送器供电的电源和控制系统有直接电气连接的仪表的供电电源，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，以减少控制系统系统的干扰。
            
此外，为保证电网不中断，可采用在线式不间断供电电源(ups)供电，提高供电的性。并且ups还具有较强的干扰隔离性能，是一种理想电源。

3.4 电缆的选择及敷设
            
为了减少动力电缆辐射电磁干扰，尤其是变频装置馈电电缆。在某工程中，采用了铠装屏蔽电力电缆，从而降低了动力线生产的电磁干扰，该工程投产后了满意的效果。
            
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行敖设，以减少电磁干扰。

3.5 硬件滤波及软件抗干扰措施
            
信号在接入机柜前，在信号线与地间并接电容，以减少共模干扰；在信号两间加装滤波器可减少差模干扰。由于电磁干扰的复杂性，要根本干扰影响是不可能的，因此在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，进一步提高系统的性。常用的一些措施：数字滤波和工频整形采样，可有效周期性干扰；定时校正参考点电位，并采用动态零点，可有效防止电位漂移；采用信息冗余技术，设计相应的软件标志位；采用间接跳转，设置软件陷阱等提高软件结构性。

3.6 正确选择接地点，完善接地系统
            
接地的目的通常有两个，其一为了，其二是为了抑制干扰。完善的接地系统是控制系统抗电磁干扰的重要措施之一。
            
系统接地方式有：浮空方式、直接接地方式和电容接地三种方式。对dcs/plc控制系统而言，它属低电平控制装置，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1mhz，所以系统接地线采用一点接地和串联一点接地方式。集中布置的控制系统系统适于并联一点接地方式，各装置的柜体接地点以单的接地线引向接地。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)连接各装置的柜体接地点，然后将接地母线直接连接接地。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。接地的接地电阻小于2ω，接地埋在距建筑物10～15m远处，而且控制系统系统接地点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，应在控制系统侧接地；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点。

4  结束语
            
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，对症，才能够使控制系统正常工作