贵阳西门子中国代理商触摸屏供应商

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紧水滩水电厂共有9台机组，其中紧水滩站6台50 MW混流式机组，石塘站3台26 MW轴流转浆式机组。紧、石两站均采用PLC调速器，紧水滩站为单调，石塘站为双调。调速器电控柜内PLC为OMROM公司产品，A/D转换器采用逐次逼近式。

石塘站一机组PLC调速器投运后，水位差模拟信号量因故暂未接入。水位差值人为设定在20 m(可变范围为18～22 m)，协联曲线为18 m，20 m，22 m各一条。投运后不久，发现原设定的水位已由20 m下降到18 m，多次调设原位后，又自行下降。水位设定降至后，对水轮机导叶和浆叶的协联配合影响较大，特别是在库区水位较高时，会加速导叶端面汽蚀的形成，　同时影响水轮机的出力和效率。

1 原因分析

PLC调速器的水位设定值自行改变，有2种可能的原因：一是输入的模拟量信号异常；二是PLC内部的模拟量模块工作异常。

在排除PLC模块故障这一原因后，检查PLC调速器水位信号输入回路。发现在水位差信号输入端挂着一对约90 m的空长电缆线，该电缆由调速器经电缆夹层至不同高程的继保室，为未加屏蔽的普通电缆。正是这一对空长线将干扰信号引到PLC调速器内，使水位差信号发生变化。

众所周知，相邻信号线上的串扰信号会在被串线路上产生噪声或在被串线路对上产生耦号，即在被串线路上有串扰信号存在。当空二传输线的长度与它耦合传输的被串信号波长很接近时，因传输线分布电容和自耦电感的影响，即传输线波阻抗和负载输入阻抗的不匹配，会使耦合的串扰信号在输入端表现为按指数规律充电到某一渐进电压值。

据计算分析可知，空二线在耦合到频率为1kHz～1MHz的串扰信号时，A/D转换器受到的干扰影响大。

由于引入到PLC调速器水位差信号端的空二线经过电磁环境复杂的电缆层，　主串扰信号必定存在，空二传输线也会因此耦合到串扰信号。当串扰信号在输入端小于12 mA电流信号时，会引起PLC调速器原设定为20 m的水位值下降，小于4 mA时，水位降至18 m。

2 解决措施

串扰信号随相邻线长度的增加而增加，而随两 线间的间隔增大而减少，并跟串扰频率有关。

解决串扰的基本途径是减少主被串线间的互感和分布电容，而减小被串线路的输入阻抗则能有效减弱干扰的效果。

对本例来讲，解决问题的简洁方法是将暂不使用的空二线解除。实际上在空二线解除后，水位设定一直正常。

逐次逼近式A/D转换器的抗干扰能力较差，若在直流信号上耦合有一交流干扰信号，因每次采样都采一瞬时值，所以每次采样的数值都会发生变化，水位差信号的检测就会有误差。因此，在接入实际水位差信号工作时，应注意接地的正确性。

空二线传输系统引入干扰量的大小同其所处物理空间的电磁环境有关。同样是在PLC调速器水位模拟量端悬挂空二线传输系统，不同的机组引起水位变化情况并不相同。在现场运用设备中应尽量避免这种挂空线情况的出现，以提高设备运行性。

   日常的生活用水量随季节、昼夜、上下班的时间不同而有较大变化，因而经常出现供水用水的不平衡，主要表现在水压上，用水多而供水少则水压低，用水少而供水多则水压高。某公司住宅区由于自来水管网的水压较低，自来水通常不能到达住宅的较高楼层。要用水泵再次将水送至楼的高位水箱，再供应给用户。但是，这种二次供水方式不可避免造成污染，影响居民的身体健康。为保证小区的供水正常，我们利用PLC，配以不同功能的传感器，根据网管的压力，通过变频器控制水泵的转速，使水管中的压力始终保持在合适的范围。这种变频恒压供水系统直接取代水塔、高位水箱及传统的气压罐供水装置。另外水泵耗电功率与电机转速的三次方成正比关系，所以水泵调速运行的节能效果非常明显，平均耗电量较通常供水方式节省40％。结合使用可编程控制器，可实现循环变频，电机软启动，具有短路保护、过流保护功能，工作稳定，大大延长了设备的使用寿命。

1　系统设计
    (1)原理
系统采用3台水泵并联运行方式，压力传感器将主水管网水压变换为电信号，经模拟量输入模块，输入PLC，PLC根据给定的压力设定值与实际检测值进行PID运算，输出控制信号经模拟量输出模块至变频器，调节水泵电机的供电电压和频率。当用水量较小时，一台泵在变频器的控制下稳定运行，当用水量大到水泵全速运行也不能保管网的压力稳定时，PLC给定的压力下限信号与变频器的高速信号同时被PLC检测到，PLC自动将原工作在变频状态下的泵投入到工频运行，以保持压力的连续性，同时将下一台备用泵用变频器起动后投入运行，以加大管网的供水量保证压力稳定。若2台泵运转仍不能满足压力的要求，则依次将变频工作状态下的泵投入到工频运行，再将一台备用泵投入变频运行。当用水量减少时，表现为变频器已工作在速信号有效，这时压力上限信号如仍出现，PLC将工频运行的泵停掉，以减少供水量。当上述2个信号仍存在时，PLC再停掉2台工频运行的电机，直到后一台泵用变频器恒压供水。
所有水泵电机从停止到启动及从启动到停止都由变频器来控制，实现带载软启动，避免了启动大电流给水泵电机带来冲击，相对延长了电机的使用寿命。同时，系统供水采用变频泵循环方式，以“先开先关”的顺序关泵，工作泵与备用泵不固定死，这样，既保证供水系统有备用泵，又保证系统泵有相同的运行时间，有效地防止因为备用泵长期不用发生锈死现象，提高了设备的综合利用率，降低了维护费用。
    (2)系统硬件
系统选用了西门子公司的S7-214PLC，辅以输入/输出扩展模块组成，主要检测元件有光电开关、压力检测开关，共计12个输入信号。执行部件有电机、变频调速器、声光报警器等，共3个输出点。PLC主要完成现场的数据采集、转换、存储、报警、控制变频器完成压力调节等功能。3台水泵由变频器直接驱动，进行恒压控制，变频器的起动、停止分为手动和PLC控制。控制面板上设有一个手动/自动转换开关，PLC对该开关的状态实时检测，当选择手动功能时，PLC只进行检测报警，由人工通过面板上的按钮和开关进行水泵的起、停和切换。当选择自动功能时，所有控制、报警均由PLC完成。控制系统原理图如图1所示。

2　系统软件
为方便调试和编程，系统控制器采用模块化编程，主要由手动运行模块、自动运行模块和故障诊断与报警模块组成。
    (1)手动运行模块
当系统处于手动运行时，PLC只接收各电路保护信号和各传感器信号，并由此判断各工作水泵的运行状态，在出现故障的情况下，输出报警信号。水泵的起、停和切换由人工通过面板上的按钮和开关来实现。
    (2)自动运行模块
自动运行模块包括系统的初始化、开机命令的检测、数据采集子程序、控制量运算子程序、置初值子程序、电机控制子程序等。模块流程图如图2所示。其中：数据采集子程序完成对主水管压力的数据采集。

控制量运算子程序完成变频器控制量的计算和控制量的输出，其中控制量的计算按PID控制规律进行。
电机控制子程序完成对3台水泵的运行和停止控制。由于变频器的输出频率与水泵的运转速度直接相关，用水量大时，变频器输出频率升高，水泵的运转速度大；用水量小时，频率降低，水泵的运转速度小。因此程序根据变频器的输出频率的大小就可以判断和控制水泵的工作状态。当频率上升到50 Hz(即水泵全速运转时)仍不能满足供水需要时，则PLC自动将台泵切换到工频运行；2台泵由变频器供入运行，如果2台泵电机达到满转速时仍不能满足供水要求，则PLC自动将2台泵切换到工频运行，3台泵由变频器供入运行，依此规律逐个投入运行；当2台泵都处于工频全速运行方式，3台泵处于变频运行工作方式时，如果此时用水量减小，变频器输出频率下降，当频率到达一定的下限Fmin时，供水量仍大于用水量，则系统自动将三台泵停止运行。同样，三台泵停机后，如果此时供水量还大于用水量，则系统自动将二台泵停止运行，依此类推。程序功能图如图3所示。

① 三菱PLC：FX2N + FX2N-485-BD ② 三菱变频器：A500系列、E500系列、F500系列、F700系列、S500系列两者之间通过网线连接（网线的RJ45插头和变频器的PU插座接），使用两对导线连接，即将变频器的SDA与PLC通讯板（FX2N-485-BD）的RDA接，变频器的SDB与PLC通讯板（FX2N-485-BD）的RDB接，变频器的RDA与PLC通讯板（FX2N-485-BD）的SDA接，变频器的RDB与PLC通讯板（FX2N-485-BD）的SDB接，变频器的SG与PLC通讯板（FX2N-485-BD）的SG接。 A500、F500、F700系列变频器PU端口： E500、S500系列变频器PU端口： 一．三菱变频器的设置 PLC和变频器之间进行通讯，通讯规格在变频器的初始化中设定，如果没有进行初始设定或有一个错误的设定，数据将不能进行传输。注：每次参数初始化设定完以后，需要复位变频器。如果改变与通讯相关的参数后，变频器没有复位，通讯将不能进行。参数号 名称 设定值 说明 Pr.117 站号 0 设定变频器站号为0 Pr.118 通讯速率 96 设定波特率为9600bps Pr.119 停止位长/数据位长 11 设定停止位2位，数据位7位 Pr.120 奇偶校验有/无 2 设定为偶校验 Pr.121 通讯再试次数 9999 即使发生通讯错误，变频器也不停止 Pr.122 通讯校验时间间隔 9999 通讯校验终止 Pr.123 等待时间设定 9999 用通讯数据设定 Pr.124 CR，LF有/无选择 0 选择无CR，LF 对于122号参数一定要设成9999，否则当通讯结束以后且通讯校验互锁时间到时变频器会产生报警并且停止（E.PUE）。对于79号参数要设成1，即PU操作模式。注：以上的参数设置适用于A500、E500、F500、F700系列变频器。当在F500、F700系列变频器上要设定上述通讯参数，要将Pr.160设成0。对于S500系列变频器(带R)的相关参数设置如下：参数号 名称 设定值 说明 n1 站号 0 设定变频器站号为0 n2 通讯速率 96 设定波特率为9600bps n3 停止位长/数据位长 11 设定停止位2位，数据位7位 n4 奇偶校验有/无 2 设定为偶校验 n5 通讯再试次数 - - - 即使发生通讯错误，变频器也不停止 n6 通讯校验时间间隔 - - - 通讯校验终止 n7 等待时间设定 - - - 用通讯数据设定 n8 运行指令权 0 指令权在计算机 n9 速度指令权 0 指令权在计算机 n10 联网启动模式选择 1 用计算机联网运行模式启动 n11 CR，LF有/无选择 0 选择无CR，LF 对于79号参数设成0即可。注：当在S500系列变频器上要设定上述通讯参数，要将Pr.30设成1。二．三菱PLC的设置三菱FX系列PLC在进行计算机链接（协议）和无协议通讯（RS指令）时均需对通讯格式（D8120）进行设定。其中包含有波特率、数据长度、奇偶校验、停止位和协议格式等。在修改了D8120的设置后，确保关掉PLC的电源，然后再打开。在这里对D8120设置如下： RS485 b15 b0 0000 1100 1000 1110 0 C 8 E 即数据长度为7位，偶校验，2位停止位，波特率为9600bps，无标题符和终结符，没有添加和校验码，采用无协议通讯（RS485）。有关利用三菱变频器协议与变频器进行通讯的PLC程序如下： 关于上述程序的说明： ① 当M10接通一次以后变频器进入正转状态。 ② 当M11接通一次以后变频器进入停止状态。 ③ 当M12接通一次以后变频器进入反转状态。 ④ 当M13接通一次以后读取变频器的运行频率（D700）。 ⑤ 当M14接通一次以后写入变频器的运行频率（D400）。

为了保护机床和维修方便，PLC有显示和检测机床故障的能力。一旦发生故障，维修人员就能根据机床的故障显示号去确定故障类别，予以排除。但在实际加工过程中，我们发现有时PLC同时显示几个故障，它们是由某一个故障引起的连锁故障，排除了初始的引发故障，其它故障报警就消失了。可是从机床PLC显示的所有报警故障中，维修人员并不知道哪个故障是初始引发故障，维修人员只能逐个故障去查，这就增加了维修难度，造成人力物力的浪费。几个故障同时显示时，处理问题的关键是解决初始故障，所以准确判断并检测到初始故障对机床维修工作是非常重要的。我们设计了一种机床PLC初始故障诊断功能，通过PLC程序，准确判断出初始故障的报。维修中，排除初始故障，其它引发故障自行消失，这样就大地方便了机床的维修，提高了机床维修的快速性和准确性。
    初始故障诊断原理 
    我们设计的PLC程序不单单是把各个故障都能和显示出来，还能把关键的初始故障自动判断出来，PLC初始故障判断程序如附图所示。
    下面举例说明初始故障诊断原理。以3个故障为例，其中设置了3个故障检测位，分别为R500.0、R510.0、R520.0；3个初始故障检测位为R500.2、R510.2、R520.2；F149.1为系统复位信号。初始状态时，无报警出现，故障位都为“0”，初始故障检测位也都为“0”，复位信号F149.1为“0”。在3个故障中设发生二个故障。在程序扫描的个周期内，其对应的故障检测位R510.0变为“1”，R500.2、R520.2、F149.1初始值为“0”，初始故障检测位R510.2变为“1”，通过自锁保持为“1”，直到故障被排除，系统复位信号发出后“1”状态才被解除。在程序扫描的二个周期内，R510.2保持为“1”，实现了对R500.1、R520.1的，即使此时另外某一个故障检测位为“1”，也不能导致其初始故障检测位变为“1”。通过此PLC程序的控制，就能从同时发生的众多故障里准确地判断出初始故障。 
    应用实例 
    实例1我们在维修北京机床研究所生产的JCS018数控机床时，遇到了多个故障同时发生的问题，如换报警和液压报警同时出现。维修时，我们一般从故障根源查起，先检查液压控制部分，然后才能确认故障出在换过程中。检查后我们才知道换的动力由液压驱动来提供。PLC控制程序设计中，当遇到换故障时，为防止大的意外发生，在报警的同时也断开了液压控制，因此换故障发生时出现了两个报警信息。为遵循原机床的设计思路，而又能准确地发出报警信息，我们给JCS018数控机床增加了对初始故障的检查功能。按照的程序分析，换和液压故障检测位分别为R500.0和R510.0，初始故障可从初始故障检测位R500.2和R510.2读出。当该机床再发生类似故障时，就能很快地判断出初始故障。 
    实例2我们在维修一台钻铣加工时，也遇到类似现象。该机床配有一个容量为40把的库，可以自动完成多道工序的钻铣操作。机床主轴电动机为三相异步电动机，主轴电动机只有一种转速，而主轴通过齿轮变速实现12级有级变速。在自动执行某段程序时，程序中的辅助功能既有换档功能S代码，又有找功能T代码，只要有一个代码指令没有执行完，辅助功能完了信号则不能发出，即认为此段程序中的辅助功能没有完成，不能继续执行下一个程序段。如换档功能出现故障时，发出换档报警信号，辅助功能完了信号不能发出，过一定时间后，又发出找报警信号，则会认为找动作也未完成。如果加上初始故障判断功能，就会使维修人员准确地检查出故障原因，及时解决问题。

1 系统结构组成

      基金项目：交通部伽利略计划专项基金（编号：200436422510）；交通部科技教育司资助

1.1 系统工作原理

     PLC远程实时遥控系统在物理分布上由GPRS终端设备务软件组成，系统通过配置可以对多个设备进行状态和数据监控，也可以通过服务软件仅对单个终端设备进行远程调试和通信数据的应答和转发。

     GPRS终端设备将的各种信息数据按照设定的协议发送到系统服务软件或用户监控上，系统服务软件判断收到的数据是监控数据还是调试转发数据，按照不同的要求将数据进行相应的处理，并根据设定的要求进行接收确认。同时，系统服务软件也可以按照操作人员的要求配置参数，有选择的查询必要的终端设备信息。

     当系统进行远程调试应用时，系统服务软件可以对PLC已知的应答软件进行自动在线保持，仅将关键数据进行远程传输到GPRS终端设备进行数据请求，同时GPRS终端设备对已经请求到的设备指令发送到系统服务软件，系统服务软件再通过串口转发给系统远程调试软件。其中，关键数据指令的交互周期和等待周期可以由系统软件配置。这既可以有效地节省数据通信的流量，又可以保证调试软件的稳定性。

1.2 系统结构组成

     PLC实时遥控系统由系统用户监控、通信网络和终端设备组成，其系统结构拓扑图如图1所示。

图1 PLC实时遥控系统结构图

     GPRS 终端设备通过通信接口与现场PLC设备连接，它负责采集现场PLC设备的各种信息数据，并通过IP链路方式或GSM短信方式发送至系统监控或控制。另外，将控制手机或系统服务软件发送过来的各种有效的控制指令和PLC远程调试关键数据发送给现场PLC设备。其组成包括GPRS通信模块、MCU处理模块及其他附属部件。

     系统服务软件是整个系统的，其将来自GPRS终端设备的各种指令信息、数据转发给终端状态软件，接收来自终端状态软件的查询指令并发送给远程的GPRS终端设备。同时，系统服务软件还可以按照预设的指令格式自动应答PLC远程调试软件的指令信息，也可以将PLC远程调试软件的关键请求指令按照预设的格式和频率发送给远程GPRS终端设备并将返回来的指令实时发送给PLC调试软件。

     通信网络是GPRS网络和传统IP网络的融合，主要负责监控和系统服务软件与GPRS终端设备之间的数据交换工作。

2 GPRS终端设备设计

     GPRS终端设备是与监控服务器进行业务、数据交互的接口，是系统数据采集和指令执行部分，完成将PLC工作状态的实时上传和接收来自监控的各种命令的执行工作。

2.1 系统终端硬件设计

     GPRS终端硬件模块主要包括电源变换模块、GPRS通信模块、MCU微处理器模块、PLC控制模块和现场显示控制触摸屏。硬件结构图如图2所示。

图2 终端设备硬件结构组成

     GPRS数据通信模块将从监控接收的数据送给MCU微处理器，MCU微处理器根据数据的类型进行相应的处理，对于需要转发给PLC的给PLC控制模块。同时，MCU微处理器将从PLC控制模块中得到的数据进行相应的处理并由GPRS模块发送给监控。触摸屏实时监视系统和设备的运行状态，并可以进行现场设定设备运行的参数。由于GPRS终端设备不同的模块所需要的电源参数不同，因此，需要利用电源变换模块将输入电源变换为不同的电压输入给相应的处理模块以满足其正常的工作。

2.2系统终端软件设计

     在GPRS终端设备的软件设计中，主要是基于MCU微处理器的数据处理部分软件设计。

      MCU微处理器主要完成接收来自监控的数据，并及时转发给PLC控制模块，同时，将从PLC控制模块中返回的数据通过GPRS通信模块发送给监控。由于GPRS模块内部没有TCP/IP协议 和PPP协议，所以，GPRS终端设备在软件设计中嵌入了TCP/IP协议和PPP协议。在MCU处理器与PLC之间，采用的是HOSTbbbb通信协议 ， MCU处理器作为主控制器， PLC作为从控制器。

MCU微处理器的软件结构模块如图3所示。

图3 MCU微处理器软件流程图

3 系统设计特点

3.1 应用配置简单方便

     系统服务软件可以对每一种需要处理的语句只通过定义相应的参数（包括起始头，结束尾，转发时间）等都可以进行配置。同时对本地发送给该软件的语句也可以通过配置自适应进行应答。在GPRS终端设备上，用户同样可以控制对设备的访问，通信方式的自适应检测、切换和短信号码管理等功能。使用起来方便简单，一套系统完成多种系统的应用工作。

3.2 系统具有良好的扩展性。

     基于GPRS网络的PLC实时遥控系统对用户来说具有强的扩展性，可以仅通过参数的配置就可以实现多种应用系统的开发工作。

     同时，本系统在软件设计中还采用了软件设计中三层软件设计模式，其灵活的组件式配置和管理对未来系统业务功能的扩展和升级提供了方便，系统开发人员可以通过换组件或扩展组件功能的方式得以实现，而对其他部分则没有任何的影响，有利于系统扩展应用。

3.3 系统

     在软件和终端设备上都进行操作权限、身份的鉴权和识别；对短信收发列表也采用了权限设置，同时，对每一个号码都可以设置密码。在系统服务软件和GPRS终端设备之间系统封装了认证和通信指令协议，但对于用户来说是透明的链路传输，这可以有效的的性。

3.4 短数据包通信

     本系统中设计的数据通信包为500字节，当监控远程调试软件与PLC之间数据交换大于500字节时，需要分包发送。这样虽然增加了监控与GPRS终端设备之间的信息交换次数，但保证了数据通信的性。使用普通的MCU微处理器就可以运行一个精简的TCP/IP协议栈，节省了大量的系统资源。

3.5 自适应切换GPRS通信和GSM通信方式

     GPRS终端设备可以通过短信或电话唤醒转入基于IP连接的工作模式，也可以在设定时间内无法连接到服务软件时自动转入短信工作状态。

4 系统运行结果

     当GPRS终端设备与监控的系统服务软件连接后，就可以利用远程调试软件和终端状态软件实时查看和调试现场PLC设备的运行状态和结果了，十分方便，简单易行。图4显示了现场PLC设备与远程调试软件之间通过GPRS终端设备和系统服务软件之间进行数据交换的数据流。

图4 系统服务软件显示的现场PLC设备与远程调试软件之间的交换数据

5结论

     本文详细讨论了基于GPRS网络技术的PLC远程调试技术应用于海上灯塔遥控系统硬件和软件的设计方案，并给出了实时性和性关键问题的解决方法，通过应用GPRS无线通信技术，实现了PLC远程实时监控和调试。给工作人员对观察灯塔设备运行的工作状态带来了大的方便，也十分有利于对灯塔设备的异地控制和维护。同时，本文对远程以及其它无人值守的系统均有一定的实用和指导意义。

观点

（1）本文提出了在监控和终端系统之间的采用一种协议可控的透明传输的思想，提高了系统工作的效率和性。

（2）移动终端中的通信模块内部嵌入了自己开发的TCP/IP网络通信协议，提高了通信性、降低了TCP/IP连接时间。