【文章內容簡介】 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 ， 傳輸速率較低。 1998 年開發(fā)了 樣機 ， 1999 年在現場進行試運行 ， 獲得了產品登記許可。 1999 年 5 月開始進行高速PLC 系統的研究開發(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 PLC產品 ， 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PLC 聯網設備。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。 在中國的重慶 ， PLC 成了最經濟的上網方式。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 的速度實現網上觀看 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、內容及意義 本課題以電梯遠程監(jiān)控系統為例，通過對上位機 PC 與下位機 PLC 進行通信系統設計，以提高畢業(yè) 生的綜合設計能力。本文設計的主要內容有：上位鏈接通信系統設計、四層電梯程序設計、系統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。 人們在計算機前就可以實現遠程監(jiān)測，通過上位計算機對 PLC 數據的讀寫來控制生產現場數據的自動采集、傳送以及生產調度的自動化和信息化 ， 這樣既可即時發(fā)現故障，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 上位鏈接通信系統設計 上位鏈接通信系統結構 PCPLC 上位鏈接通信系統在系統結構上有 PLC、輸入輸出模塊、 PC、編程器、獨立電源模塊、 PCPLC 聯接、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 字 輸 入口數 字 輸 出 口數 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 字 負載模 擬 負載電 源P L C 圖 系統結構框圖 系統框圖中，虛線框內為 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 PC 與 PLC 之間的通信協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 上位機鏈接系統 (Host Link 網絡 )是由上位計算機通過安裝在各臺 PLC 上的 Host Link 單元聯接多臺 PLC 而構成的網絡。上位機對系統中的 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，實現自動化系統的集散控制。是對于 FA (Factory Automation)系統一種既優(yōu)化又經濟的通信方式，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 的數據區(qū)，以及 控制 PLC 的工作情況。 Host Link 網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 串行聯接電纜和適配器通過 PLC 的 Host Link 單元與上位機鏈接實現 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、數據采集及狀態(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，實現對被控制系統的實時監(jiān)控。本文開發(fā)的系統將 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 [21]。 輸入 /輸出模塊 PLC 是一種工業(yè)控制計算機系統，它的控制對象是工業(yè)生產設備或工業(yè)生產過程，它的工作環(huán)境是工業(yè)生產現場，它與工業(yè)生產過程的聯系是通過 I/O 接口實現的。 CQM1 型 PLC 輸入通道排列從 CH000 到 CH015，一個模塊占一個通道，點數不滿16 的模塊也是如此。靠近 CPU 的通道號最?。?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 統面板上，利用這些插接孔和配套插接聯接線可以靈活地進行輸入 /輸出聯線。另外，在系統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。故系統試驗或系統開發(fā)均很方便，直接通過面板上的聯接線就可以組成一個小型機電控制系統。本文電梯控制系統中，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。在配置系統時，應根據系統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 系統可靠性設計主要從兩方面考慮 ： (1)系統設計與使用的科學性及合理性 ； (2)系統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的保護以及抗干擾等，以提高系統的可靠性。 從系統保護方面來說，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，位于系統的左側面。保險管的工作電流不應大于2A。另 外，根據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 相聯接的外部設施或靠近 PLC 機體附近的強電設備侵入 PLC 機內產生干擾，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。 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。可有效抑制電磁干擾。 （ 4）信號等級不同的電纜分開布線。 （ 5） PLC 模塊系統地端子 (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）設計系統開機自檢程序。系統一開機，由系統 根據自檢控制開關執(zhí)行相應自檢程序，根據相應指示燈判斷系統是否正常。 （ 2）設計軟件輸入去抖動程序。因為當按鈕作為輸入信號時，將不可避免產生抖動信號。 （ 3）編制首發(fā)故障判斷程序。因為現場中，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）編制系統狀態(tài)監(jiān)測程序。根據系統具體控制邏輯，編制軟件監(jiān)視系統狀態(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