产品描述
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1 引言
目前,可编程序控制器(简称PLC)由于具有功能强、可编程、智能化等特点,已成为工业控制领域中主要的自动化装置之一,它是当前电气程控技术的主要实现手段。用PLC控制系统取代传统的继电器控制方式,可简化接线,方便调试,提高系统性。
触摸屏是专为PLC应用而设计的一种高科技人机界面产品,由于操作简便、界面美观、节省控制面板空间、和人机交互性好等优点,近年来已越来越多地被应用于工业控制等领域。
本文利用PLC和触摸屏技术研制了水位传感器测试系统,该系统主要用于进行洗衣机用水位传感器的质量检测,整个系统实现简单、稳定性好、自动化程度高,代替了以前的纯手动操作,较好地满足实际生产的要求,提高了生产效率。
2 系统控制原理及要求
洗衣机用水位传感器的工作原理是将水位高度的变化转换成传感器内部膜片上压力的变化,从而导致传感器输出电感L的变化,将水位传感器输出电感与外部电路组成LC振荡电路,就可将电感的变化转换成振荡频率的变化,不同的水位高度通过水位传感器可以产生不同的振荡频率,后通过检测振荡频率与水位高度的对应关系,就可实现水位传感器的质量检测。
图1为控制系统原理框图。测试系统要求能在不同的水位高度时,准确测量出由水位传感器组成的振荡电路的振荡频率,水位高度和振荡频率的测量精度要求较高,因此,对测试系统的要求较高。
作为主电机的直流电动机由PLC进行控制,电机实现PID调速,电机的输出通过减速机构与执行机构相连,后带动细钢管在水箱中上下移动来按检测要求控制管内水位高度的准确变化,通过编码器实现水位高度变化的实时检测,频率的实时由PLC的高速计数器来完成。控制命令的输入接PLC的输入端,PLC的输出端接执行继电器和工作状态指示灯等。
系统中采用触摸屏作为人机界面,显示操作画面,进行参数修改和指令输入。通过触摸屏可实现水位上升、下降高度等参数的设定和修改,实现实际水位高度变化、输出振荡频率和总产量等的实时显示等,并可对工作进程进行实时监控。
3 控制系统硬件组成
根据水位传感器测试系统的工艺特点和控制要求,本系统选用三菱公司的FX1N-24MR基本型PLC,共有24点输入输出,其中14个输入点,10个继电器输出点,其环境温度、抗冲击、抗噪声等性能指标均能满足要求。
图2为PLC控制系统硬件接线图。输入X0~X1为编码器的A、B相输出脉冲信号,X3为振荡频率信号,X4~X14为按钮、选择开关、限位开关和计数开始等信号,输出Y0~Y7分别控制继电器、信号指示灯等。
水位高度的测量主要是通过编码器来完成,编码器的A、B相可向可编程序控制器的高速计数端发出脉冲,并通过高速计数器C251获得该脉冲的计数值。当电动机转动时,高速计数器的计数值就会不断累加。通过传动机构的合理设置,每个脉冲对应0.25mm的水位高度变化,通过编程计算,可以算出实际水位高度的变化。
振荡信号频率的测量可利用PLC的高速计数器C253完成,通过编程,可以利用高速计数器C253在规定的时间内(如3s)对振荡信号的脉冲数进行计数,并将计数值取出并放在数据存储器D0中,那么将D0中的值除以3所得的值就是所要测量的振荡频率的大小。
触摸屏选用闽台生产的性价比较高的PWS6600S,配备有5.7˝高清晰度液晶显示屏,分辨率为320×240,通过一个RS232串口与PLC实现串行通讯。支持静态文字控件,支持on/off按钮、数值输入、画面按钮、数值显示、状态指示灯控件等动态对象,支持中文显示。
当在静态文字控件中变量时,触摸屏能够在屏幕上实时显示与之相连的PLC中的变量值,这给工作人员实现系统监控和状态提供了较大的方便。
当操作人员触摸数值输入控件时,PWS6600S自动弹出虚拟数字键盘,包括0~9等数字和清空、取消、删除和确定等。输入数字后按取消键取消可输入值,按确定键确定输入,虚拟数字键盘消失后,控件中的数字也就成为输入值,相应的PLC中对应变量也随之改变。
当操作人员触摸on/off按钮、画面按钮、状态指示灯和数值显示等控件时,PWS6600S可以触发按钮按下、按钮弹起、画面切换、状态显示和数值显示等事件,操作人员可以进行数据、改变工作模式、选择屏幕画面等工作。
4 系统软件设计
系统软件包括PLC控制软件和触摸屏软件两部分。
PLC具有丰富的编程指令,软件设计环境良好,可采用梯形图(LD)、顺序功能图(SFC)和指令表(IL)等基本的编程语言。本系统采用梯形图编程,编程软件为FXGP,先利用
计算机(PC)进行编程和调试,调试成功后通过接口电缆将控制程序下载到PLC中。
PLC程序主要包括主程序和分段上升、分段下降子程序等,其中分段上升、分段下降子程序主要是使细钢管按测试要求分七段进行上升和下降,以便测试不同水位高度时传感器输出的频率大小,从而判断水位传感器的质量好坏。图3为PLC程序控制流程图。
PWS6600S触摸屏画面由支持软件ADP6.0进行设计组态,先在个人计算机上用该软件设计窗口、菜单、按钮等界面,设计完成后通过 RS232串行口将程序下载至PWS6600S触摸屏内存中,由PLC对触摸屏状态控制区和通知区进行读写达到两者之间的信息交互。PLC读触摸屏状态通知区中的数据,得到当前画面号,而通过写触摸屏状态控制区的数据,强制切换画面。触摸屏加电后就进入设计画面,通过触摸屏按钮可显示和修改PLC数据存储器的数据,实现与PLC的通讯。
整个画面由两部分组成:一部分为显示画面,主要包括系统画面、测试系统的运行状态、水位高度显示、振荡频率输出、显示每天的总产量等画面,如图4所示;另一部分为参数设定画面,主要用来设定工作模式、水位分段上升、下降的数值等,如图5所示。
由于PWS6600S触摸屏具有较强的人机交互功能,以及简便的操作特性,简洁的界面和高性,因此得到了较好的使用效果。
5 结束语
将PLC和触摸屏技术应用于水位传感器检测系统,使操作加简便,速度、水位高度可按测试要求进行控制,大地提高了系统的性和工作效率,控制精度高,操作性强,并可通过触摸屏观察PLC内部的工作情况和现场工况,核定相关参数,操作灵活、方便。
本系统成功开发以来,已先后在多家为洗衣机生产厂家配套的水位传感器生产厂家投入使用,系统稳定,经济效益十分明显,同时,因其操作简单、实用性强,数据可实时监控等特点,受到用户的普遍。
1 PLC 、IPC、PC-Based PLC
随着PC技术的飞速发展,使得IPC(工业控制计算机)以及基于IPC的应用技术同样也得到了突飞猛进的发展。同时,随着Internet技术的应用和所有生产信息过程和控制信息过程的集成与发展,并可通过Internet/Intranet浏览生产过程信息流中的制造过程、操作和监控现场智能设备等,IPC越来越多地承担着SA的人机交互控制任务和协同下级小型控制器或智能现场设备的控制任务。总体而言,IPC还是适合应用于自动化控制平台的。但作为传统主流控制器的PLC,它拥有稳定性好、性高、逻辑顺序控制能力强等优点,在自动化控制领域具有的优势。但有一大遗憾:其封闭式架构、封闭式系统(研发具备自己或OEM的CPU、芯片组、BIOS、操作系统、梯形图编程软件)、较差的开放性势必会造成其应用上的壁垒,也增加了用户维修的难度和集成的成本。有人断言,在不久的将来,基于PC的控制器将会逐步取代PLC而成为主流控制设备。为了改善这种局面,传统PLC生产厂家正在逐步将PLC的功能PC化(如Siemens的Wi)、而IPC厂家也逐步将IPC的逻辑控制功能PLC化,使PLC和IPC在功能和规格方面越来越接近,由此就出现了基于PLC和IPC技术的中间控制器:PC-Based PLC。
PC-Based PLC也称嵌入式控制器,它不再像IPC那样以机箱加主板为主体结构,再搭配诸如A/D、D/A、DI/DO等功能I/O板卡的组合产品,而是一个立的基于嵌入式PC技术的系统,适合应用于小型的SA系统。如泓格的I-8000系列, 其主机内部是40MHz主频的 80188 CPU,操作系统为兼容DOS的MiniOS7,其编程环境是基于PC的标准C语言程序,程序开发过程与PLC其相似:在PC上编写常驻任务程序,并将其编译好后传送到主机内的Flash上、再让其脱机运行。另外为了使其具备PLC的优势特性,PC-Based PLC也可使用梯形图编程,如泓格的ISaGRAF(配合I-8417/8817主机),相对于PLC而言,PC-Based PLC的优势在于拥有IPC强大的 Computing、Data Processing和Communication功能,在软件方面,PC-Based PLC支持IEC- 61131-3(LD、SFC、FBD、IL、ST)的五种标准语言和软逻辑。由于以上特点,PC-Based PLC将会加开放和标准化,能适应加复杂的控制和管控一体化信息的需求。
总的来说,IPC是开放式架构、开放式系统,PLC则是封闭式架构、封闭式系统,而PC-Based PLC介于二者之间,是开放式架构、封闭式系统。严格地说,IPC一般承担着管理控制任务和协同下级小型控制器或智能现场设备的控制任务,而PLC一般用作现地控制器。由于PC技术、信息技术、通信技术的交替发展,使得研发PC-Based PLC的投资相对减少,会有多的厂家来共同推进PC-Based PLC的发展。因此,PC- Based PLC会有非常好的发展前景,但这并不意味着在短时间内PC-Based PLC会取代PLC,PLC和PC-Based PLC将会在竞争的发展中逐渐走向融合[1 、2]。
2 基于PC-Based PLC架构系统的应用技巧
2.1 AI模块
AI(Analog bbbbbs)的多寡对系统的运行的实时性和稳定性有较大的影响,尤其是当AI模块较多时其影响大。主要原因为:I- 8000模块的CPU仅仅是一款主频只有40MHz的80188的控制器,其数据处理能力、存储空间有限,导致其运算、逻辑处理以及事件响应的快速性就没有IPC那么强大,由于CPU要完成一次A/D的整个过程要进行采样、保持、同步、转换、存储、处理以及运算等一系列的过程方可完成,比较费时,因此,当要完成的AI通道数较多时,必然会影响采样的实时性和系统的稳定性。通常而言,在一个I-8000模块中,一般不要过两块如I-8017H系列的 AI模块为佳。
2.2 继电器输出模块
继电器输出模块对整个系统的影响大,处理不好,将会导致整个系统崩溃和经常出现当机、主机板烧坏等现象,由于I-8000模块的供电一般为 10~30VDC,总的输入功率为20W,不像IPC的输入功率为250W那么大,如继电器输出模块尤其是大功率继电器模块插放的太多,由于系统供电能量不足,将会导致其输出不正常,控制系统经常误动作,导致系统崩溃、当机,甚至会导致主控板烧坏,使系统的稳定性、性以及性存在许多隐患因素。一般而言,像I-8060、I-8058、I-8063、I-8064、I-8065、I-8066、I-8068、I-8069等不要过两块,尤其是 I-8060、I-8063、I-8064、I-8065、I-8069这些功率模块为一块。如系统要控制的功率继电器较多,可以采用普通光隔开关量输入/输出模块如I-8042利用多级放大的原理连接。
2.3 通信处理
在由PC-Based PLC架构的控制系统为重要的一个环节便是与上位机进行的实时数据通信过程,而这一环节往往是制约系统实时性和稳定性的因素,它容易出现数据瓶颈。因为上位机通常为bbbbbbs操作系统,应用程序一般有人机交互界面和实时显示界面,而往往将人机交互界面和实时显示界面设计为前台窗口,数据通信、分析以及存储设计为后台运行,但bbbbbbs 并不是作为实时操作系统设计的,是抢先式、多任务、基于消息传递机制的操作系统,但仅凭消息调度机制,显然不能满足实时系统的要求,难以保证准确实时地完成前后台控制任务。因此在bbbbbbs环境中,采用多线程技术,可以有效地利用bbbbbbs等待时间,加快程序的反应速度,提高执行效率。用一个线程管理计算机数据通信,另一个线程进行数据处理、分析与存储,这样在满足数据连续采集的同时,增强了系统事件响应和通信控制的实时性。
PC-Based PLC与上位机一般采用RS-485、CAN、ModBus或者Ethernet,如采用RS-485、CAN、 ModBus时,则要合理分配通信口,一般RS-485、CAN、ModBus的通信适配器卡有两个口,因此如控制系统有两个I-8000模块,上位机可以采用一个通信口与两个下级控制器通信,但是如有四、六个……,将其分成两组,上位机则采用两个通信口分别与其通信,上位机采用两个线程编写通信程序,配置图见图1所示。
PC-Based PLC的发展得益于嵌入式CPU、嵌入式操作系统和IEC-61131-3(LD、SFC、FBD、IL、ST)标准化编程语言的发展,PC-Based PLC具有IPC和PLC的两重特性,具有PLC的系统结构,又具有IPC的开放式架构,目前在工控界是IPC、PLC以及 PC-Based PLC共存的时代,又是三者逐渐走向融合的时代,随着嵌入式CPU、嵌入式操作系统以及符合IEC-61131-3标准语言开发工具的发展,PC-Based PLC或嵌入式控制器将加开放和标准化,功能将会加强大、数据通信能力将会强、数据处理能力快。能适应加复杂的工业控制需求。
0 引言
水电站溢洪门监控系统采用计算机监控的模式,实现闸门监控系统与电站计算机监控系统、水情测报系统、水务管理系统进行通信,上传电站闸门系统的详细监控信息并接受电站计算机监控系统、水情测报系统、水务管理系统对闸门的远控指令。
为保证电站运行过程的性,性,提高电站的自动化水平,控制系统采用目前广泛应用并良好效果的基于可编程逻辑控制器(PLC)的控制系统。其中PLC选用的是某公司的S7-400H及S7-300系列产品,以实现对弧形闸门以及其相关辅助设备的控制。
1 系统综述
溢洪门监控系统采用开放性的分层分布式系统结构,当系统中任何一部分设备发生故障时,系统整体以及系统内的其他设备仍能继续正常工作且功能不会额外减少。溢洪门监控系统在满足性和实用性的前提下体现性,采用成熟、、标准化的硬件、软件设备,满足响应速度快、性和可用率高、可维护性好以及、经济、灵活和便于扩充等要求。具有逐步向无人值班阶段过渡的良好基础和平台。
系统有以下特点:1)本系统高度、冗余,其本身的局部故障不影响现场设备的正常运行。2)系统为全分布、全开放系统,既便与功能和硬件的扩充,又能充分保护应用资源和投资,分布式数据库及软件模块化、结构化设计,使系统能适应功能的增加和规模的扩充,并能自诊断。3)实时性好、抗干扰能力强。4)人机接口界面友好,操作方便。5)监控系统自动或根据运行人员的命令,通过屏幕显示器实时显示电站主要系统的运行状态,有关运行水力参数,主要设备的操作流程,事故、故障报警信号及有关参数和画面。
2 系统组成
电站溢洪门监控系统设备由溢洪门主控级和现地控制设备层二部分组成。其网络结构如图1所示。
2.1闸门自动监控系统主控级
闸门主控级设备主要负责集中监视、集中控制、运行记录和指导、自诊断、培训及开发、通信等方面的功能实现。通过主控级这些功能达到集中控制溢洪门的各现地设备的目的。
主控级设备配置如下:溢洪门主控级计算机及外围设备;报置;网络设备;隔离装置;UPS电源;黑白喷墨式打印机;彩色激光打印机;监控系统所有设备之间所需的连接屏蔽电缆、光缆、适配器、光电转换器以及其他附件。主控制级上位机设备均采用。主控级计算机采用DELL工作站。网络交换机采用某INS-801以太网交换机,用于连接溢洪门LCU和主控级计算机。
主控级功能:自动监控系统能、准确有效地完成对被控对象的监控。主控级具有数据采集与处理,实时控制、参数设定、监视、记录、报表、运行参数计算、通信控制、系统诊断、软件开发和画面生成、系统扩充(包括硬件、软件)、运行管理和操作指导等功能。
2.2现地控制设备层
系统配置溢洪门LCU单元,LCU单元与溢洪门现地控制设备连接,将各现地控制柜采集的电机运行状态、故障报警、机械限位和闸门开度值等数据上送至上位机,进行监视。并下发上位机的集中控制命令,对闸门进行开启/关闭/停止控制。
溢洪门LCU单元PLC采用某S7-412H系列PLC和7.5″TFT彩色液晶触摸屏作为系统的控制器件,PLC含冗余电源、冗余 CPU,高度的系统稳定运行。溢洪门LCU单元功能有数据;自动采集各现地控制设备的实时数据。自动接收来自主控级的命令信息和数据。数据处理;控制和监视。操作人员可以通过LCU控制单元配置的触摸屏对监控对象进行控制。
2.3系统结构
闸门监控系统采用分层、分布开放式系统结构,数据库实行分布管理方式。分层控制系统具有以下的优点:1)是适合于电力系统结构的系统;2)易于保证自动化系统的性;3)可灵活地适应系统的扩大和变;4)可提高投资效率;5)能好地适应现代技术水平的发展[1]。系统结构按功能分布要求可分为两层:集中控制层和现地控制层。系统结构按主要设备配置状况可分为两级:集中控制级设备和现地控制级设备。
2.3.1系统设备层次
整个闸门计算机监控系统设备分现地控制级、集中控制级二层:现地控制级由各有关设备的现地控制柜和现地控制箱构成,完成设备的现地监控任务;集中控制级完成全厂闸门设备的实时信息处理、监视与控制任务,由主控级计算机、溢洪门LCU等构成;二个层次功能各有侧重,相互协调配合,完成电站闸门计算机监控系统的全部功能。
2.3.2网络层次
网络分电站控制网和外部通信网两层。电站控制网:主要连接现地控制层和集中控制层有关设备。与现场实时监控有关的信息主要由电站控制网传输,如LCU上行信息和控制命令等;外部通信网:主要连接外部系统;闸门监控系统采用星形以太网,集中控制级和现地控制级中的各计算机智能设备通过交换机进行相互连接实现数据通信,采用TCP/IP协议,传输介质光纤。
采用上述分层结构,使不同性质的信息分类在不同的网络通道上传输,避免相互之间的干扰,确保系统控制的实时性、性和性。对于溢洪门LCU与其它智能装置通信,则可根据具体需要和选择的设备情况,采用串行通信接口。
3系统功能
整个闸门监控系统的功能分布在不同层次的不同设备之中,各设备的协调配合,完成全厂闸门监控功能。具体功能分布情况如下:
1)主控级计算机
系统主机主要负责运行档案管理、事故故障信号的分析处理、测点定义及限值存储、各类运行报表生成和储存、历史数据库的生成、转储、系统时钟管理等。作为操作员人机接口工作站则负责监视、控制及调节命令发出、报表打印等人机界面(MMI)功能。并兼备通讯计算机的功能,用于处理闸门监控系统与电站计算机监控系统、水情测报系统、水务管理系统等其它系统进行信息交换。
2)溢洪门LCU单元
主要负责各闸门的集中运行监视、数据采集、控制和调节等任务,通过计算机网络向集中控制设备上送各种信息和数据,接受集中控制设备下发的各种控制和调节指令并执行,并能单对闸门进行集中控制。
3)溢洪门现地控制箱
现地控制箱的操作立于PLC,可直接对闸门进行操作。闸门的现地控制箱内设有“现地/远方”选择开关,在“现地”位置时可进行一对一操作,且远方命令不起作用。通过功能的合理分布,确保系统各节点的负荷率满足设计的要求,当局部设备的故障时,不影响系统其余部分功能正常运行。
4方案特点
本方案充分考虑设计的性、性和型,其主要器件均选择西门子进口产品,系统的使用寿命长将大大延长。
4.1冗余
溢洪门LCU单元选用某S7-400H系列PLC,PLC具备冗余电源、冗余CPU、冗余通讯模块,从而保证系统的性和程度[2]。
为了确保监控系统运行,监控系统主要环节采用各种有效的冗余措施,提高系统的性。主要冗余措施包括:1)溢洪门LCU单元PLC 采用某系列的S7-400H,PLC含双CPU、双电源模块、双通讯模块的冗余配置,冗余模件的工作方式为在线热备用,切换无扰动。两个CPU以热备用方式运行,确保系统的不间断运行。2)系统设备双网络(互为冗余),保网络系统的程度。3)现地控制柜配置冗余开关电源,在一块故障时另一块仍能够提供全部负载电源,提高供电性,确保系统地运行[3]。
4.2高性
系统器件、部件性能优越、通用性强;系统具备远方和现地操作、监控等功能:能对整个电站的启闭机进行单机操作、成组操作、选孔操作等;能接收电站监控系统、调度下发的开启、关闭闸门命令;能在电站监控系统、溢洪门监控系统、调度对整个溢洪门进行监视,能实是观察到各启闭机的运行状态及开度位置;系统运行参数设有出厂默认设定值,可根据现场的具体情况通过显示面板或远方通讯方式进行调整和设定;若系统出现故障,系统能发出声光报警信号,并通过现地显示面板显示和远方报警,以提示运行及维护人员;系统设有足裕量的I/O接口,用户可根据需要进行扩展,不需修改任何硬件;柜体采用全框架结构,内部结构可以根据要求随意进行组合;具械强度高、电气防护等级高、抗电磁干扰能力强。
5结束语
溢洪门自动监控系统遵循、、成熟、适用的原则进行设计,满足电站“无人值班”(少人值守)的设计要求。对于任何一个技术、功能完善、监控的自动化控制系统,本项目方案都具有广泛的参考。
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