【文章內(nèi)容簡介】 研究院自 1998 年開始研究 PLC 技術 ， 主要考慮 PLC 技術用于低壓抄表系統(tǒng) ， 傳輸速率較低。 1998 年開發(fā)了 樣機 ， 1999 年在現(xiàn)場進行試運行 ， 獲得了產(chǎn)品登記許可。 1999 年 5 月開始進行高速PLC 系統(tǒng)的研究開發(fā)工作。 2021 年開始引進國外的 PLC 芯片 ， 研制了 2Mbps 的樣機 ， 2021 年下半年進行了小規(guī)模試驗 ， 效果良好。 深圳國電科技有限公司是國家電力公司直屬企業(yè) ， 2021 年初就開始研制戶內(nèi) PLC產(chǎn)品 ， 目前 ， 采用美國 Intellon 公司的芯片 ， 已成功地研制輸速率達到 200Mbps 的戶內(nèi)PLC 聯(lián)網(wǎng)設備。福建省電力公司、清華大學、華北電力大學等高校和科研單位也對此進行研究 ， 主要是對我國配電網(wǎng)信道特性等進行深入的研究 ， 有的完成了自己的樣機并進行了小范圍試驗測試。華旗公司更是完成了 PLC 設備的商品化生產(chǎn)。 在中國的重慶 ， PLC 成了最經(jīng)濟的上網(wǎng)方式。南通國際大酒店采用 PLC 接入 ， 成為中國第一家在新建筑中采用此技術的智能大廈。為不改變大樓裝修風格 ， 降低成本 ，南京國際會議中心的智能化改造采用了 PLC 方案 ， 能以穩(wěn)定的 14Mbps 的速度實現(xiàn)網(wǎng)上觀看 DVD。這些都是 PLC 走出試驗室 ， 投入商業(yè)應用的典型代表 [16]。 本文研究目的、內(nèi)容及意義 本課題以電梯遠程監(jiān)控系統(tǒng)為例，通過對上位機 PC 與下位機 PLC 進行通信系統(tǒng)設計，以提高畢業(yè) 生的綜合設計能力。本文設計的主要內(nèi)容有：上位鏈接通信系統(tǒng)設計、四層電梯程序設計、系統(tǒng)抗干擾及可靠性設計、組態(tài)監(jiān)控程序及人機界面。本文自主開發(fā)了下位機 (PLC)控制程序 ， 并用組態(tài)軟件，在上位機 (PC)開發(fā)出實時監(jiān)控程序及人機界面，構成了一個完整的 PCPLC 遠程監(jiān)控系統(tǒng)。 人們在計算機前就可以實現(xiàn)遠程監(jiān)測，通過上位計算機對 PLC 數(shù)據(jù)的讀寫來控制生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的自動采集、傳送以及生產(chǎn)調度的自動化和信息化 ， 這樣既可即時發(fā)現(xiàn)故障，減少了維修服務的成本和時間，還可提高運行效率 ， 其應用前景十分廣闊 [22]。 北華大學畢業(yè)設計（論文） 4 2 PCPLC 上位鏈接通信系統(tǒng)設計 上位鏈接通信系統(tǒng)結構 PCPLC 上位鏈接通信系統(tǒng)在系統(tǒng)結構上有 PLC、輸入輸出模塊、 PC、編程器、獨立電源模塊、 PCPLC 聯(lián)接、編程軟件等幾部分組成，如圖 所示。 P C ( 上 位 機 ) 編 程 軟 件R S 2 3 2 / 4 2 2R S 2 3 2 / 4 2 2 口編 程 器編 程 器口C P U數(shù) 字 輸 入口數(shù) 字 輸 出 口數(shù) 字輸 入模 擬 輸 入 口擴 展 輸 入 口模 擬 輸 出 口擴 展 輸 出 口模 擬輸 入數(shù) 字 負載模 擬 負載電 源P L C 圖 系統(tǒng)結構框圖 系統(tǒng)框圖中，虛線框內(nèi)為 PLC 部分，上位機為個人計算機，通過串行連接線將計算機的串口和 PLC 的串口相連，它們之間的通信可以根據(jù) PC 與 PLC 之間的通信協(xié)議由編程語言編制軟件來進行通信控制，也可由相應的編程軟件 (CXP)來進行用戶程 序的下載和上傳控制 [24]。 上位機鏈接系統(tǒng) 上位機鏈接系統(tǒng) (Host Link 網(wǎng)絡 )是由上位計算機通過安裝在各臺 PLC 上的 Host Link 單元聯(lián)接多臺 PLC 而構成的網(wǎng)絡。上位機對系統(tǒng)中的 PLC 進行集中管理與監(jiān)控，通過與 Host Link 單元的通信，它可以編輯或修改各臺 PLC 的程序，實時監(jiān)控其運行過程，實現(xiàn)自動化系統(tǒng)的集散控制。是對于 FA (Factory Automation)系統(tǒng)一種既優(yōu)化又經(jīng)濟的通信方式，它適合一臺上位機與一臺或多臺 PLC 進行鏈接。上位機可對 PLC 傳送程序，并監(jiān)控 PLC 的數(shù)據(jù)區(qū)，以及 控制 PLC 的工作情況。 Host Link 網(wǎng)絡允許上位機通北華大學畢業(yè)設計（論文） 5 過鏈接命令向 Host Link 網(wǎng)絡的 PLC 發(fā)送命令， PLC 處理來自上位機的每條命令，并把結果傳回上位機。 通信既可采用 RS232C 方式，又可采用 RS422 方式。 RS232C 方式是基于 1： 1的通信，即上位機與一臺 PLC 進行通信，距離為 15m。示意圖如圖 所示。 RS422方式是采用 RS422 串行聯(lián)接電纜和適配器通過 PLC 的 Host Link 單元與上位機鏈接實現(xiàn) 1： N 的通信，即上位機與多臺 PLC 進行通信，最多可有 32 臺 PLC 聯(lián)接到上位機，通信距 離最大可達 500m。上位機可對 PLC 的程序進行傳送或讀取，并可對 PLC 資料區(qū)進行讀寫操作。所有通信都將作奇偶校驗和幀校驗，從而能估計出通信中的錯誤。 上 位 機 （ P C ）帶 H O S T L i n k 單 元的 P L CR S 2 3 2 C 電 纜 圖 PCPLC RS232C通信示意圖 需要注意的是，當使用 RS232C 電纜聯(lián)接時，若 PLC 自帶 RS232C 通信口，則PLC 不需要 Host Link 單元，只需用專用電纜將對應口聯(lián)接起來即可，但此時最大距離不能超過 15m。若 PLC 沒有自帶 RS232C 口，而只有外設口時則需要用適配器將上 位機和 PLC 聯(lián)接起來。 本文選用 OMRON 公司的 CQM1 系列 PLC 作為下位機，用來完成輸出控制、數(shù)據(jù)采集及狀態(tài)判斷等工作。采用 256 點 CQM1CPU42E 型 CPU，其本身帶有 RS232C 接口，可以不配備專用通訊模塊，利用 RS232C 電纜直接與計算機聯(lián)接。在 PC 上運行專用的編程軟件，達到 PLC 與 PC 通信的目的。采用個人計算機為上位機，完成軟件編制、調試、監(jiān)控、上傳與下載，以及資料分析、計算、信息存儲、狀態(tài)顯示等，實現(xiàn)對被控制系統(tǒng)的實時監(jiān)控。本文開發(fā)的系統(tǒng)將 PC 與 PLC 結合起來，使兩者優(yōu)勢互補，且充分利 用個人計算機人機接口功能、豐富的應用軟件、低廉的價格，組成高性能價格比的控制系統(tǒng) [21]。 輸入 /輸出模塊 PLC 是一種工業(yè)控制計算機系統(tǒng)，它的控制對象是工業(yè)生產(chǎn)設備或工業(yè)生產(chǎn)過程，它的工作環(huán)境是工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場，它與工業(yè)生產(chǎn)過程的聯(lián)系是通過 I/O 接口實現(xiàn)的。 CQM1 型 PLC 輸入通道排列從 CH000 到 CH015，一個模塊占一個通道，點數(shù)不滿16 的模塊也是如此?？拷?CPU 的通道號最小（ CPU 自帶一個 16 點的輸入通道），以后依次遞增。輸出通道從 CH100 到 CH115，靠近 CPU 的通道號最小，以后依次遞增。 北華大學畢業(yè)設計（論文） 6 輸入模 塊在線時，外部觸點與電源串聯(lián)后接在 IN 和 COM 端。本文的開關量普通輸入端子為 16 點，另外，還需一個重量傳感模擬量單元輸入模塊。由于 CPU 自帶一個16 點的輸入通道，故只需擴展模擬量單元輸入模塊?？蛇x擇 CQM1AD041 和 CQM1AD042 型 模入單元，其技術規(guī)格完全相同，只是前者須和供電單元一起使用。模擬量單元用電源單元可選擇 CQM1ISP01（連接一塊模擬量單元，內(nèi)部電流消耗最大 420mA DC5V）。 此重量保護也可采用普通輸入端子，當超重時，用一個壓力限位開關將超重信號輸入給 PLC。本文采用此方案，需 擴展 I/O 模塊，可選用 CQM1ID211 型 輸入 模塊（ 8 點 DC12— 24V） 。 輸出模塊分為繼電器輸出、晶體管輸出和雙向硅輸出三種形式。 PLC 輸出驅動電流最大可以達到 2A，可滿足一般的輸出驅動要求。如果需要驅動更大的負載，可以通過由 PLC 輸出控制中間繼電器，再由中間繼電器去驅動控制實際負載。 本文直接將 PC 和 PLC 通過串行線 RS232C 聯(lián)接，在 PC 上利用專用編程軟件編制用戶程序并下載到 PLC，同時把 PLC 的輸入 /輸出端子通過彩排線引到系統(tǒng)面板上，每個端子對應一個臺階座插接孔，并用螺絲將臺階座插接孔固定在系 統(tǒng)面板上，利用這些插接孔和配套插接聯(lián)接線可以靈活地進行輸入 /輸出聯(lián)線。另外，在系統(tǒng)面板上還設置有接線柱，可與發(fā)光二極管連接作為假想的負載，來驗證用戶設計的程序，模擬其控制邏輯是否正確。也可利用它們外接繼電器或接觸器，以驅動更大的負載。故系統(tǒng)試驗或系統(tǒng)開發(fā)均很方便，直接通過面板上的聯(lián)接線就可以組成一個小型機電控制系統(tǒng)。本文電梯控制系統(tǒng)中，共 19 點輸出，故可選擇 CQM1OD213 晶體管型輸出模塊（ 32點）。 考慮到現(xiàn)場情況，由于電梯的輸入、輸出終端距離教遠，需進行遠程擴展配置。CQM1 的遠程系統(tǒng)有兩種配置方案 ：一種是通過 B7 接口單元與輸入或輸出終端相連，最大距離可達 500m，此方案稱為接終端；另一種方案是通過 G730 接口單元分別在主機上和遠程配置主控單元和遠程 I/O 單元，距離可達 200m， 此方案稱為接模塊。接終端在 CQM1 主機部分接 B7A 接口單元，而在遠程接相應終端，終端與接口間由雙絞線連接。接模塊在 CQM1 主機部分安裝 G730 主控單元，其上裝有 RS485 接口。而在遠程，各模塊依次連接，然后再通過雙絞線與主控單元相連 [21]。 電源 CQM1 有兩個交流電源單元 CQM1PA203 和 CQM1PA206 和一個直 流電源單元CQM1PD026，可選擇。在配置系統(tǒng)時，應根據(jù)系統(tǒng)中的各單元所需要的全部 DC5V 電流消耗和 DC24V（僅 206）來選擇相應的電源單元。 北華大學畢業(yè)設計（論文） 7 可靠性設計 系統(tǒng)可靠性設計主要從兩方面考慮 ： (1)系統(tǒng)設計與使用的科學性及合理性 ； (2)系統(tǒng)軟硬件的保護措施以及抗干擾能力是否完備。本文從硬件和軟件兩個方面考慮了系統(tǒng)的保護以及抗干擾等，以提高系統(tǒng)的可靠性。 從系統(tǒng)保護方面來說，硬件上總共設計了兩個保險，一個安裝于控制面板的右上角，另一個安裝于交流電源的插座處，位于系統(tǒng)的左側面。保險管的工作電流不應大于2A。另 外，根據(jù)不同的干擾源也采取了相應的措施。 PLC 的干擾從形式上講，分為兩大類 ： （ 1） 內(nèi)部干擾，主要是由于 PLC 本身的設計配置方式及元器件本身的質量不過關，使 PLC 不能長期正常運行。這種干擾一般都為硬故障 ： （ 2） 外部干擾，通過和 PLC 相聯(lián)接的外部設施或靠近 PLC 機體附近的強電設備侵入 PLC 機內(nèi)產(chǎn)生干擾，這種干擾比較復雜，分析處理時比較麻煩。 具體應用時，要根據(jù)干擾的主要來源，采取針對性的抗干擾措施。 首先最關鍵的是采用穩(wěn)定可靠的供電電源： （ 1）在輸入端配置 1： 1 隔離變壓器，且應有獨立使用 的斷路器。采用隔離變壓器分離供電， PLC 與 I/O 裝置分別由各自的具有隔離功能的變壓器供電，并與主回路電源分開。 （ 2）采用 UPS 供電系統(tǒng)。 其次采取了以下硬件措施： （ 1）針對不同的外圍信號選擇適配的 I/O 模塊模板，如近距離開關信號選用 24V DC 輸入模塊；遠距離開關信號選用 220V AC 輸入模塊；指示燈等阻性負載選擇晶體管型輸出模塊；電磁閥等感性負載選擇繼電器型輸出模塊；交流接觸器負載選 200V240V AC 輸出模塊 ； 這樣減少了 PLC 與外圍設備聯(lián)接上的中間環(huán)節(jié)，可有效減少電氣干擾。 （ 2）對于 PLC 所控制的個別大功率 (大于等于 110KW)電機，輸出點接一個屏蔽型中間繼電器，進行電機主回路通斷電弧的隔離，這樣可減少大電機起停時的電磁干擾。 （ 3）模擬量輸入信號電纜用屏蔽電纜加信號隔離器?？捎行б种齐姶鸥蓴_。 （ 4）信號等級不同的電纜分開布線。 （ 5） PLC 模塊系統(tǒng)地端子 (SG)是一個抗干擾的中性端子，不要接地。模塊機架地端子 (LG)一般也不需接地，當 PLC 所受電磁干擾比較嚴重時，可把它接在 PLC 系統(tǒng)控制柜上 (相當于專用接地 )[21]。 采取的軟件措施： 北華大學畢業(yè)設計（論文） 8 （ 1）設計系統(tǒng)開機自檢程序。系統(tǒng)一開機，由系統(tǒng) 根據(jù)自檢控制開關執(zhí)行相應自檢程序，根據(jù)相應指示燈判斷系統(tǒng)是否正常。 （ 2）設計軟件輸入去抖動程序。因為當按鈕作為輸入信號時，將不可避免產(chǎn)生抖動信號。 （ 3）編制首發(fā)故障判斷程序。因為現(xiàn)場中，往往有連續(xù)的故障發(fā)生，如果能知道第一個故障的信息，那么對分析故障原因將會很有幫助。 （ 4）編制系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測程序。根據(jù)系統(tǒng)具體控制邏輯，編制軟件監(jiān)視系統(tǒng)狀態(tài)。 通信硬件介紹 CQM 1 型機器屬于小型機，設置了三個異步通信端口。一個內(nèi)置 RS232C 端口，此端口設置在 CPU 模塊上 ； 另外二個端口設置在通訊板上 (另行購買 )，板上有端口 A和端口 B，通過對這些端口的參數(shù)進行設置，使之具有如下的功能 ： (1)與編程設備 (如編程器、 CXP)進行編程通信。 (2)與個人計算機或其他外部設備進行 RS232C 通信 (無協(xié)議通信 )。 (3)與個人計算機或其他外部設備進行上位機鏈接通信 (有協(xié)議通信 )。 它們的端口為一個 9 針的 D 型插座，圖 為 RS232C 口與個人計算機之間的連線圖 [18][21][24]。 F G1S D2R D3R SC