西门子模块6ES7341-1AH02-0AE0支持验货

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 测试系统在模拟电网故障测试中的应用

    对于自动化系统性能测试分为两个层次：正常运行下的性能测试、电网故障下的性能测试。用测试系统模拟的电网故障下性能测试属于非常规测试，主要包括：电网故障下的遥信SOE性能测试、遥信性能测试、变化遥测到后台画面显示延时测试、变化遥测到远动机发送报文延时测试、变化遥信到远动机发送报文延时测试、通信网络负荷率测试等。借此对自动化系统在恶劣情况下是否可以稳定运行作出客观、准确的评价，这也正是测试系统的优势和所在。现以220 kV母线故障为例对测试系统如何模拟电网故障进行阐述。

    由3节的介绍可以得出，母线故障状态序列是用测试环境的PLC控制单元中执行的，但是每次状态序列是由PLC后台程序来触发的。电网故障时电流电压的变化是通过继电保护测试仪的状态序列来实现，该状态序列是由测试环境的PLC公共模块来触发的。

    如图4所示，初始状态时继电保护测试仪提供正常电压电流给自动化系统的间隔层设备(即测控装置)；由PLC后台程序开始母线故障I拊模拟，进入状态1(0 ms)：PLC控制单元程序进入定时器中断，输出两路开出量，一路触发继电保护测试仪改变状态，提供故障时的电流电压量，一路触发GPS时间校验仪记录故障开始时刻；在30 ms时，PLC控制单元程序进入定时器中断执行状态2：模拟相关保护动作，同时输出一路开出量来触发保护报文模拟装置，上送保护动作事件报文；在50 ms时，PLC控制单元程序进入定时器中断执行状态3：模拟一次设备动作，同时输出两路开出量，一路触发继电保护测试仪改变状态，提供故障后的电流电压量，一路触发(ZIPS时间校验仪记录故障结束时刻。通过这三个状态的执行，真实地模拟了母线故障时遥信遥测量和保护报文信息的产生，从而在此情况下，对自动化系统性能进行测试。

图4 母线故障状态序列图

5 总 结

    基于PLC模块的测试系统从根本上提高了变电站自动化测试的水平：①由于环境真实地模拟了变电站运行情况，所以使得自动化测试加真实、客观；②将自动化测试提升到系统级的高度，尤其是对电网故障情况下的系统性能进行测试，这是以前所没有的。因此测试系统为自动化系统入网测试，为自动化系统的稳定运行打下坚实的基础，在江苏省公司的要求下，对南京中德公司的自动化系统进入入网测试，在此基础上编制的《变电站自动化系统入网检测方案》初稿已提交省公司进行讨论。此外PLC系统提供用户开发界面，为测试系统的后续开发提供了便利，具有一定的灵活性和可扩展性。

    当PLC的CPU模块上电启动时，自动进入初始化程序，对PLC的I／O模块进行初始化设置，同时将“案例选择”全局变量赋值为“系统正常运行案例”，以保证上电启动后的次程序循环进入正常系统运行程序。然后读取输入映像区，将其状态赋值给输入全局变量。输入映像区和输入端口实时关联，当输入端口为高电平，则映像区临时变量为1：输入端口为低电平，则映像区临时变量为0。主程序的案例主要分为两类：循环案例和中断案例。循环案例顾名思义就是循环执行的案例，中断案例是靠定时器进入中断执行程序，一旦定时器开启，则每过一个定时器间隔时间即进入一次中断程序，直到关闭定时器。

    系统正常运行案例属于循环执行案例，主要实现的功能有：①输入端口和输出端口的关联，即遥控量和遥信量的关联，例如当接收到开关分闸命令(遥控量)，则相应的开关位置信号要处于分闸位置(遥信量)，真实的模拟开关接到分闸命令到开关分开这个过程。②实现全站的防误闭锁逻辑。为了防止电气误操作，在技术上提出了闭锁逻辑，即隔、地等一次设备的操作满足一定的条件，如果条件不满足，则闭锁相应操作，例如：母线地操作的条件就是母线上所有隔处于分闸位置。系统正常运行案例当接到来自测控装置的遥控命令时，对其相应的闭锁逻辑进行判断，符合条件则改变相应遥信量的输出，以模拟设备的动作过程，不符合条件，则闭锁遥控命令，并报警。

    中断案例主要是指自动化系统测试所需的测试案例，包括雪崩测试案例、220 kV母线故障案例、#1主变故障(高压侧开关失灵)案例。这三个案例实现方法是类似的，都是采用了PLC系统中的定时器中断来完成。现以雪崩测试为例进行详细说明：主程序每次循环都判断“案例选择”这个全局变量，当“案例选择”为“雪崩测试案例”时，则开启定时器中断，中断时间设为100 ms(雪崩测试要求每500 ms，相关遥信量变位一次)，同时将雪崩测试计数器请0(该计数器为一个全局变量)。至此，每隔100 ms，进入一次定时器中断，每进入一次定时器中断，则计数器加1。在中断程序中，对计数器进行判断，当为5的整数倍时(因为要求每500 ms变位一次，而定时器定时设为100 ms)，则对相应遥信量进行状态改变。当变化次数满足要求时(要求变化20次)，则在中断程序中，关闭定时器，结束这次雪崩测试。这里需要说明的是：案例选择是在PLC后台人机界面中选择的，即在后台程序中，对“案例选择”变量进行赋值的。

    (2)PLC后台程序说明

    PLC后台程序基于Wincc编程，类似与VB的窗体编程。后台程序主要包括：①实现一次主接线图的界面，在此界面上对一次设备强制分合和电气解锁，强制分合是指直接对一次设备的位置信号进行变位，而不是通过遥控命令来对一次设备位置信号进行变位。电气解锁就是对接受的遥控命令不进行闭锁逻辑判断。②进行案例选择，目前可以选择的案例有：系统正常运行案例、雪崩测试案例、220 kV母线故障案例、#1主变故障(高压侧开关失灵)案例。案例是在PLC控制单元程序中实现的，这一点上面已经做了详细说明。

    这里还需要说明的是：PLC后台程序是如何与PLC控制单元程序进行数据交互的。在PLC后台编程工具WinCCExplorer中，可以建立PLC控制单元程序中全局变量的映射。通过读取映射即可知道全局变量的值，对映射赋值即可对全局变量进行赋值。正是通过这种方法，后台程序才得以提供人机界面让测试人员选择需要执行的测试案例。

0 引 言

    随着电力系统“大二次”的整合和变电站集中控制的推广，对变电站自动化系统的功能和性能要求越来越高。而目前变电站自动化系统测试还停留在测控装置单体测试的水平上，几乎没有检测机构在实验室中对由大量测控装置组成的变电站自动化系统进行系统级的功能和性能检测，这不能满足变电站自动化系统发展的需要，所以在实验室中构建与实际变电站同等规模的测试系统对于自动化系统合格入网、稳定运行意义重大。

1 变电站自动化测试系统构建概述

    1.1 测试系统构成说明

    整个变电站自动化测试结构如图1所示，由测试环境、自动化系统间隔层设备、自动化系统站控层设备、模拟调度主站、继电保护测试仪等组成。其中测试系统包括：测试环境、模拟调度主站、继电保护测试仪；被测试的自动化系统包括间隔层设备和站控层设备。测试环境真实地模拟了一个国网公司典设A-7规模的220 kV变电站，共有3台主变、6条220 kV线路、10条110 kV线路。测试环境是用SIEMENS公司的PLC系统来实现的，主要功能包括：模拟一次设备的控制信号、位置信号和状态信号；模拟保护装置的动作、告警信号；实现全站的防误逻辑闭锁；实现电网故障状态序列等。继电保护测试仪的作用是提供测试所需要的电流电压模拟量。模拟调度主站是基于ET-2000规约分析仪构建的，主要用于模拟通过104通道(基于以太网)和101通道(基于串口)和自动化系统的通信及数据处理装置进行通信。自动化系统间隔层设备和站控层设备都属于被测试范围，间隔层设备足指按照A-7规模变电站配置的相关测控装置(共29台)。站控层设备如图1所示，包括：操作员站和通信及数据处理装置。测试环境和自动化系统间隔设备通过电缆联系，进行遥控遥信量的交互。间隔层设备和站控层设备通过以太网进行信息交互。站控层通过通信及数据处理装置和模拟调度主站联系。

图1 变电站自动化测试系统结构框图

    1.2 测试系统功能说明

    变电站自动化系统测试包括：系统构成测试、遥测量误差测试、系统功能测试、防误操作功能测试、系统性能测试l酬。其中系统构成测试，主要是对自动化系统结构和网络结构进行检查，比较简单。测试系统主要是对遥测量误差、系统功能、防误操作功能、系统性能进行测试。其中系统测试包括正常运行时系统性能测试、电网故障时系统性能测试、雪崩故障时系统性能测试。由于测试系统的PLC模块是可编程的，所以可以根据需要通过对PLC编程来实现不同的电网故障，例如220 kV母线故障等，同样也可以实现雪崩故障，具体过程下文将作详细说明。

2 测试环境的硬件实现

    通过基于PLC模块的环境真实地再现了变电站实际运行环境，如图2所示，现作详细说明。

图2 变电站环境硬件说明

    基于PLC的变电站环境由三部分组成：PLC I／O模块、PLC控制单元、PLC后台。PLC I／O模块和PLC控制单元之间通过Profibus总线进行连接，PLC控制单元通过以太网和PLC后台连接，PLC I／O模块和测控装置之间通过光耦进行连接。

    PLC I／O模块根据功能主要分成三类：模拟变电站一次设备的遥控遥信量，例如开关、闸的控制信号、位置信号和本体信号；模拟变电站二次设备的遥控遥信量，例如保护的动作信号和告警信号；公共开入开出量模拟，用于触发GPS时间测试仪对时和触发保护测试仪的状态序列。

    PLC控制单元主要有通信接口模块和CPU模块组成。通信接口负责和PLC后台进行数据交换。CPU模块运行PLC主程序，负责对遥控量的处理、遥信量的产生、全站闭锁逻辑的实现和电网故障中断的处理

    系统采用RS485标准总线，具有速度快(大位速率为10 Mbps)，传送距离远(90 kbps速率下可传输1200 m)的特点。RS485以差分平衡方式传输信号，具有很强的抗共模干扰的能力，允许一对双绞线上一个发送器驱动多个负载设备。各节点下位PLC均带有RS485通信接口，在本系统中上位IPC通过RS232／RS485接口转换器提供上位机网络节点。在总线末端接一个匹配电阻，吸收总线上的反射信号，保证正常传输信号干净、无毛刺。

    在1∶N通信方式下，每台PLC被分配不同的地址，上位机与PLG采用统一的通信协议，上位机发出呼叫并启动通信。上位机通过RS485网络广播自己所要求的下位PLC地址，所有PLC都收听广播，记下广播地址。各PLC把收到的地址与自己的地址进行比较，地址相同的PLC为被选中的下位机，其余PLC皆为未选中的下位机，暂时从网络上隔离。网络上只剩下主机与选中的PLC，按主从式的通信过程进行通信。上位机采集PLC数据后根据新收到的数据刷新监控画面。

    上位IPC与下位PLC既相互通信构成一个完整的信息系统，又能彼此立工作，一旦上位IPC出现故障，下位PLC可脱离上位机立工作，确保现场设备、连续的运行。

    本系统所用控制变量较多，共需1500多个，因此，IPC与各PLC之间的通讯采用了北京亚控公司的组态软件组态王6.5开发。组态王把每一台下位控制器看作是外部设备，在开发过程中按照一定要求完成设备配置过程。在运行期间，组态王通过驱动程序和这些外部设备交换数据，包括采集数据和发送数据／指令。每一个驱动程序都是一个COM对象，这种方式使通讯程序和组态王构成一个完整的系统，既保证了运行系统的率，又使系统能够达到很大的规模。组态王通过串行口与PLC进行通信，访问PLC相关的寄存器地址，以获得PLC所控制设备的状态或修改相关寄存器的值。在实际编程过程不需要编写读写PLC寄存器的程序，组态王提供了一种数据定义方法，在定义了L／O变量后，可直接使用变量名用于系统控制、操作显示、数据记录和报警提示。

3 系统软件开发

    3.1 远程服务器通讯模块开发

    本地控制工控机与远程服务器端采用基于TCP／IP协议的Socket技术进行通信，由VC++6.0编程工具开发。本地控制计算机在5002端口侦听远程服务器发来的数据包，远程服务器在5003端口侦听本地控制工控机发去的数据包。通讯模块的主要功能有两个：接受总控服务器发送来的数据包并进行解析；对要发送的信息构造数据包并发送，IPC与远程服务器之间的通讯数据为二进制格式，长度不固定。数据包由发送者识别号、接收者识别号、功能代码、参数长度、参数内容等5个部分共(16+N)个字节组成。OPC(OLE for Process Control)在当今的过程控制领域是一种非常流行的数据交互技术。下位控制器与系统通讯模块的连接通过0PC接口实现。VC编程调用组态王提供的OPC动态链接库接口函数，实现了下位控制器与远程服务器的通讯。

    3.2 PLC系统控制模块开发

    下位控制器采用状态设计法编制程序梯形图。系统的运行和故障联锁全部由PLC控制，以提高系统的性；在软件设计中添加了各种联锁条件，使各动作间能够严格确保相互约束或定时关系；通过建立适合的状态标志位，实现了识别及处理故障的能力。控制程序从功能上可分成4个模块：1)开机画面设置及初始化模块；2)手动模块；3)报警、限位处理模块；4)自动模块。

    3.3 上位机软件设计

    组态软件KingView6.5由工程浏览器TouchMAK和画面运行系统TouchVew两部分组成，具有强大的图形编辑功能。运用开发环境TouchMAK设计软件，软件实现的系统功能包括：显示工艺流程图和各种参数实时测量值；实时修改下位机所需的各种参数的数值；上位机和下位机之间的通讯管理；实时显示故障报警画面；实时数据库和历史数据库管理；生成系统日志报表；将过程监控站中的各类实时数据、画面、图表等信息存入本地的网络服务器中。采用Access数据库保存历史记录，数据库中当天的操作记录在一个数据表中，数据表以用户名、年、月、日命名。TouchVEW是显示TouchMAK中建立的图形界面的运行环境。上位机监控系统运行时运行TouchVEW进控主画面，各设备的状态就以动画的形式形象的表示出来，通过主菜单或各画面的功能键，操作人员可方便地切换各画面，获得各画面具体的监控数据。

4 结 语

    本文研究的基于PLC和组态软件的光学组件自动控制系统，利用了PLC性高、抗干扰能力强的特点，又利用了组态软件强大的数据处理和图形表现能力，融合了较的自动化技术、计算机技术、通讯技术，具有性高、操作简单、维护容易等特点。该方案已成功应用于激光惯性约束核聚变靶场光路系统的设备监控，了满意的效果，其控制原理对其他分布式控制系统具有一定的借鉴作用

1 控制系统的功能和结构

    根据物理实验的要求，原型装置的靶场系统需要将12束激光从真空靶室的上方和下方以一定的角度射入真空靶室并经三倍频器、聚焦透镜引导至靶点(激光在靶场将依次经过大口径反射镜架模块、终端光学组件模块)。以此为基础，针对核聚变的性物理问题展开探索性实验研究。

    光学组件运动控制系统包括反射镜架模块与终端光学组件模块两大部分，共同调节12束激光准直至物理实验靶的位置。图1给出了控制系统的结构框图。运动控制系统的设计功能是，“本地控制”工控机(IPC)根据“远程集中控制”系统的指令完成各个光路的准直调节，状态监控，参数和重要数据记录等工作，从而为激光发射做准备。

图1 系统结构框图

    由于控制电机数量较多(48台伺服电机和48台真空步进电机)，而且空间位置分散，因此光学组件控制及监测系统采用了分布式控制技术，通过工业控制网络组成的过程控制系统和实时、的监控系统。由上位监控计算机对系统进行的监控和管理；由安装在现场的48台日本松下公司型号为FP-e的PLC控制器作为下位控制器与现场电气设备和执行机构直接连接，执行、有效、具体的分散控制。系统的上位IPC与现场的各PLC控制器距离通常较远，为保证系统的性，采用RS485标准总线网络进行，这样就构成了分布式控制网络。由于采用了网络拓扑结构，系统扩充非常方便灵活，可适用不同规模系统的控制要求。

    系统的控制器和执行机构较多，因此，在设计控制箱时采用了模块化的设计思想。每路激光的控制由8个运动轴单元构成：引导反射镜俯仰轴和侧摆轴，投射反射镜俯仰轴和侧摆轴，倍频器俯仰轴、侧摆轴和滚动轴，以及透镜移动轴。每路激光的电机控制集中在两个控制箱中，分别称作反射镜架控制箱与终端光学组件控制箱，作为分布式控制网络的终端。每一个运动轴的控制由PLC、驱动器、电机、通讯适配器等组成.各控制箱与工控机之间同RS485总线进行信息传递系统的硬件配置如图2所示。工控机将位置指令发送给PLC，经驱动器功率放大后由电机带动精密丝杠螺母副驱动反射镜及终端光学组件运动。各运动坐标的限位置由接近开关检测，以开关量信号形式输入PLC进行处理.各光路反射镜、倍频器和透镜的调整电机可同时工作。

 串口服务器的应用举例

    以某污水处理厂的控制系统为例:

    在污水处理控制系统中，控制设备较多如：潜水泵、污水泵、鼓风机等，被控参数以数字量居多，对数字量输入输出的控制正是PLC的优势所在，因此一般都采用PLC控制系统，针对污水处理厂分布区域较广，设备间位置较为分散等问题，需设计一个PLC网络控制系统对污水处理过程进行监控、分析、管理和优化。

    3．1系统工艺简介

    系统工艺如图3所示:

    图3污水处理系统工艺流程图

    主控站要对各污水处理环节进行监控、数据采集以及管理，主控站与各处理站之间距离较远，工厂已建好工业局域网，可供使用，系统设计时需考虑将来增加设备的可能性。

    3．2系统的组网设计

    本系统采用三层结构进行组网，采用工业以太网实现1个主控站与3个PLC站之间的远程传输，主控站对全场实施集中管理，控制现场由3个PLC和现场仪表对各过程进行分散控制，根据工艺要求，PLC1位于变电所，主要用于对机、泵等电气参数的监视、控制和联锁，PLC2设置在沉砂池现场，用于对成套设备监控，PLC3设置在污泥脱水间，用于对污泥脱水机的保护及监控。

    考虑到主控站与各处理站之间距离较远，而处理站共有3个PLC串口设备需连接入网，若采用基于串口通信模块方式进行组网，传输距离受限，且布线较为复杂，拓展性不够好，若再增加一台PLC，需要增加相应的串口模块，考虑到工厂已有工业局域网，而传输距离远、连接多个串口设备正是串口服务器的优势，则本系统则采用基于串口服务器的方式组网实现。

    串口服务器选用的是MOXA的NPort5430，目前，它被广泛应用于各类串口设备和以太网连接方案中，提供了4个RS422／485串口，通讯速率50～921．6 kbps，用以设备拓展。

    使用时，用RS232／485连接线将NPort5430连接至PLC的通讯口，用网线将ort5430和HUB连接，完成了硬件安装，利用NPort5430所带的软件包可以完成对串口服务器的属性设置，如IP地址，操作密码，通讯波特率等，详细内容可参见用户手册

引言

    可编程序控制器，简称PLC，是工业的控制的标准设备，PLC自生产以来，以它的操作简单、功能强大、特别是高稳定性等特点得到了广泛应用。

    目前，以软件如Wince，MCGS为上位机软件，PLC为下位机而组成的控制系统，已成为广泛应用的控制模式，它结合了计算机的界面友好，直观和PLC稳定、编程灵活的优点，主导计算机控制系统的流行趋势，因此，对PLC的数据交互，组网功能提出了高的要求，如PLC与PLC之间，PLC与计算机、PLC与智能设备等都需要进行数据交互，特别是在某些远程控制，控制点分散等场合，PLC的网络功能显得尤为重要。

1 PLC常用组网方式

    常用PLC组网方式大致可概括为基于通用串口、基于总线及基于以太网三种。

    1．1通用串口模块

    基于串口通信模块来实现网络连接，网络结构如图1所示，采用了计算机链接的形式，在上位机的组态软件中进行相应的设置，编程，即可与多台PLC进行通讯，以三菱公司的FXlS系列的PLC为例，RS232C／485转换适配器选用FX-485PC—IF，RS-485通讯板选用FXlN-485一BD即可实现，这种方法使用较为方便，性能也很好，关键是串口通信模块的成本相对较高。

    图1 基于串口通信模块的网络结构

    1．2基于总线

    目前，PLC厂商如OMRON，Siemens等，对其旗下的PLC产品都提供了的网络系统，如OMRON公司的Controller bbbb网，Device Net网络等，这种网络系统由于厂商产品的专属性，不同厂家的设备无法互通，基本上选定一个厂家的PLC，其他配套设备设备也为该厂家的，成本相对较高，所以应用时有一定的局限。

    1．3基于标准工业以太网

    基于标准工业以太网方式进行组网，系统一般分为三个层次：层为工控机组成的上位机监控站；二层为由集线器、双绞线和收发器等组成的工业以太网；三层为控制站，选择TCP／IP作为通讯协议，并采用C／S模式使控制站和监控站实现面向连接的通讯。

    采用此种方式组网，大的优点在于可以使用现有的工厂局域网，提高综合利用率，且速度快，以太网通讯速率可达100 Mbps；若采用光纤传输，则抗干扰能力大大增强，且传输距离可达数十公里，但是，以太网无法和PLC等串口设备进行直接通讯，需配以相关设备实现通讯，使用上增加了成本。在一般小中型控制系统中并不多见。

2 基于串口服务器的组网方式

    基于串口服务器是一种新兴的工业网络解决方案，串口服务器是一种协议转换模块，厂商有MOXA和ATOP等，它可以提供1，2，4，8或16口的RS232或RS422／485串口界面，以及一个10M／100M的以太网接口，将RS232／422／485串行设备接人TCP／IP网络中，主计算机采用TCP／IP协议通过以太网访问被接入的终端设备，上位机相应采用SOCKET编程。

    使用串口服务器也非常简便，安装驱动程序后，即可在PC机上产生多个由驱动程序的虚拟串口，只需要打开软件所虚拟的串口即可透明访问远端串口设备，类似于对普通串口一样进行一对一的收发和控制。

    简而言之，它是结合了串口通讯的简单方便，又利用了以太网的稳定。是一种性价比较高的组网方式，如图2所示。

    图2 基于串口服务器的组网结构

    从图2可以看出，将串口服务器的网口端连接到集线器或者交换机上，通过设置串口服务器的IP地址，就可以使它成为以太网上的一个节点，而在串口服务器的串口端，可方便与不同厂商的PLC产品或串口设备进行连接，即使不同形式的串口(如RS422／485／232)，都可方便连接到以太网上，实现异构组网，当需要再增加串口设备入网时，也可以方便按入，因为一个串口服务器可以提供多达16个串口端，可见，基于串口服务器组网具有布线简单，拓展性强，性能稳定等优势，当然，串口服务器组网还可以采用直连的方式。

2 软件系统设计

    软件系统在STEP7环境下采用梯形图编写，STEP7提供大量的组织块与用户程序接口，组织块的多少和具体的CPU型号有关，本系统运用循环处理组织块OB1，暖起动组织块OB100和中断组织块OB35，PLC采用循环执行用户程序的方式，在S7-300系列中，OB1是用于循环处理的组织块，即主程序。OB1循环执行用户定义的功能块或功能程序，并支持中断，OB100组织块在CPU暖起动时执行，且只执行一次，可用于系统的初始化，OB35为循环中断组织块，中断周期可由STEP7直接设置。中断周期由程序大小决定，若设置太小则PLC进入停止状态，所有系统组织块的属性设置和硬件组态都可由STEP7完成，用户只需要关心自己的程序功能块，在组态完毕后将程序下载至PLC即可，PLC上电后，先执行OB100组织块，初始化完成后，不断循环地执行OB1，循环时间监控模块监控PLC扫描时间是否过允许值，若过允许值，则可触发相应的组织块，执行用户设定的一系列操作，应注意的是，当程序运行时，所有对数字量输出的操作都暂时保存在数字量输出映像里，在一次扫描周期结束后才真正从输出端口输出，在编程中应特别考虑。

    根据螺旋压力机控制系统的要求，将主程序分化为多个子程序模块，系统软件结构如图4所示，各模块做到功能立，易于扩展。

    初始化模块即OB100主要完成各个输入／输出点，辅助标志位M，模拟量输出的初始化和系统相关参数的设置，程序编写时，利用辅助标志位M作为用户程序模块的运行使能位，每个程序模块对应各自的辅助标志位，若辅助标志位为“1”，则执行对应程序；若为“0”，则退出程序。

图4 控制系统软件结构

    设置定时中断组织块OB35中断周期为5ms，实时检测滑块位移和外部开关量等信号变化，控制辅助标志位的置位或复位，从而执行或退出相应的子程序，由于PLC是逐行扫描执行程序，而且每次扫描时间并不相同，因此在中断函数里进行辅助标志位的操作，保证了能尽响应外部信号的变化，增强实时性，每次的打击能量也是通过在中断函数中求出打击工件时的滑块速度后计算得出的，具体算法如图5所示，图中所有变量单位均为脉冲数。

图5 打击速度求取程序流程图

    开关信号处理模块主要处理按钮操作、指示灯的显示、润滑控制等操作，参数处理模块是在用户通过触摸屏重新设置预选能量百分比和打击行程后，根据设定参数计算出系统运行时所需的参数，如速度信号模拟量等，点动模块实现滑块的点动运行，以保以较小的速度实现的合模对零，点动运行运用ABB变频器恒速模式，只要通过触点控制便可实现恒速模式的切换，通过参数设置恒速运行的速度大小，从而方便准确地设置零点，满足工程应用的需要，故障处理模块检测外部信号状态，若出现问题则进行相应处理。

    下行打击子程序实现打击时能量的控制，输出设定能量对应的速度信号模拟量，考虑到机械制动器动作的延迟性，在开启制动器电磁阀后延时100 ms再闭合变频器运行触点，滑块加速至设定的速度后保持恒速下行。通过现场调整驱动器的PI参数获得好的动态性能，打击完毕后电机反转回程。实际工况中，滑块在打击工件后回弹，则编码器信号A，B相的相序发生改变，即高速计数器计数方向发生变化。系统组织块SFB47的数据位STS_C_UP存储高速计数口的递增计数状态，中断程序检测该数据位的状态，若检测到电平跳变，立即发回程信号，进入回程控制程序。

    图6为回程控制程序流程图，为加快生产进程，要求回程速度越快越好，但为了使滑块准确停靠地在设定位移处，回程速度又不能过大，因为电机本身的制动能力有限，若速度过快则无法停机，一般认为电机制动转矩不过额定转矩，回程时加速运行至允许的大速度，到位移后进入减速段，能耗制动回馈的机械能由制动电阻消耗，终进入恒速模式并停车，加速段的初速度指令须大于0，对实现快速正反转有较大作用，停机运行时在变频器停止操作执行后，延迟100 ms机械制动器动作，这样可减少机械制动器的摩擦损耗，延命。

1 系统结构原理

    S7-300系列PLC采用组态硬件的方式来组态CPU和扩展模块，组态操作由STEP7软件完成，本系统采用CPU本身集成的数字量和模拟量，不需要扩展模块，系统结构如图1所示。

图1 控制系统原理结构框图

    通过高速计数口HSCO检测滑块位移；模拟量接口实时输出速度或转矩指令给ACS800变频器，数字量输出控制变频器触点的闭合或断开同时驱动2个电机带动传动机构运行；其余的数字量主要处理控制按钮的操作和各类指示灯的显示；数据显示和参数设定由触摸屏TP170B完成，CPU通过DP口与触摸屏进行通信。

1.1 滑块位移检测

    系统采用同步带轮结构检测滑块位移，同步带固定于压力机机身，滑块移动时带动与同步带配合的增量型编码器运转，发出一定频率的差分信号，经过信号处理输入高速计数口HSCO处理，单位脉冲对应的位移量

    Sp=πD/P，(1)

    式中：D为同步轮节圆直径；P为编码器线数。

    只要通过HSCO不断检测当前脉冲数，再乘以单位脉冲对应位移量，就能得到滑块实时位移。系统采用2000线的编码器，输出5 V差分信号，Sp约为0.045 mm，脉冲信号大频率不过20kHz，因主机与控制柜有一定距离，采用抗干扰能力强的差分信号，但高速输入口不能识别差分信号，且小高电平要求15 V。因此需将差分的A+，A-，B+，B-信号转化为单端A和B相信号，并进行电平转换。

    系统的信号转换电路见图2，图中只画出了A相的信号转换示意图，由MC3486芯片将差分信号转化为单端信号，再通过高速光隔将5 V的脉冲信号转化为高电平为24 V的脉冲信号输入HSC0高速计数口，高速光隔工作频率应编码器信号频率的值，本系统采用PC900。

图2 电平转换示意图

1.2 双电机驱动

    系统采用ACS800变频器同时驱动2台相同规格电机，电机在变频器输出端并接，变频器整定时输入等价的单台电机参数，例如采用2台功率11 kw，转速970 r／min，电流22 A的电机，则输入电机参数时输入22 kw，转速970 r／min，电流44 A。这样，整定后驱动器实际上是将2台电机组合当作1台进行控制。

    ACS800变频器控制采用的直接转矩调速技术，直接转矩控制在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，直接把转矩作为被控量进行控制，通过转矩滞环比较器将转矩波动限制在一定的容差范围内，同时通过滞环比较器保持磁链幅值基本不变，完成对转矩的进一步控制。直接转矩控制借助于转矩、磁链的离散的两点式调节，产化的PWM开关信号，以输出恒定的设定转矩为目的，从而获得转矩的高动态性能，因为保持磁链恒定的情况下，转矩基本与电流成正比，将转矩限定在一定容差范围内，电流波动小，不会引起电机发热。

    驱动器有转矩信号和速度信号输入通道，转矩信号4～20 mA，速度信号0～10 V，可通过控制方式选择触点来选择转矩控制模式或速度控制模式，转矩控制模式下，转矩给定有效，4 mA对应设定的小转矩参数，20 mA对应设定的大转矩参数，输出转矩与输入信号成线性关系，并保持定值；速度模式下，速度给定有效，0 V对应设定的小速度参数，10 V对应设定的大速度参数，速度模式控制电机速度保持恒值，并与输入信号保持线性比例关系，电动螺旋压力机的优势之一就是能量可调，因此采用速度控制方式，在能量设定后，保持电机转速恒定，即保持飞轮转速恒定，从而保每次打击工件时的能量一致，转矩模式用于特殊场合，打击完毕回程时进行电机制动，通过制动电阻将回馈的能量释放。

图3 控制主体算法示意图

    如图3所示，PLC根据用户设定的能量预选参数，计算出对应的电机转速，并求出速度信号模拟量AQW0。打击时，PLC输出AQWO至变频器速度指令输入端子，通过运行触点的闭合或断开来控制电机带动滑块往复运动，完成打击工序。位移检测装置实时检测滑块位移，调整电机的运行模式，实现各种功能。当出现意外故障时，能采取措施保护主机，变频器采用开环控制方法控制电机，减少了故障环节，提高了系统稳定性。