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一种基于可编程控制器（PLC）构成的控制系统，实现设备信号的采集与自动控制。本文以八盘峡水电厂低压空压机技术改造为例，介绍设计及实现的主要内容。

关键词：

PLC 低压机 系统集成 程序设计


1. 八盘峡水电厂概况：

　　八盘峡水电厂是黄河兰州段刘、盐、八梯级水电厂的后一级，是径流河床式调峰电站。全厂共6台机组，单机容量36MW，是一个生产运行了30年的老厂。

2. 原设备概况：

　　我厂低压风系统的两台2V-6/8型低压机，是全厂辅助系统中的主要设备，由其提供的0.8MPa风压，主要供给发电机制动风闸、顶盖围带密封等处。由于该风压是全厂发电机组开机条件之一，因此是不允许间断的。

　　原控制回路主要由老式继电器构成，结构复杂，老化严重，给运行及检修人员带来极大不便。气压信号由电接点压力表采集，由三相交流接触器启停电机，故障报警及电机（40KW）保护装置十分简单，控制回路故障频繁发生，难以保证全厂低压技术用风的正常供给。

3． 改造方案：

　　经过具体研究和分析后，决定采用的PLC集中控制模式，更换原有的控制盘，将交流接触器更换为无触点的固态开关，用压力变送器取代电接点压力表。预备用PLCRS-485串行通讯接口，通过双绞线与发电机组监控上位机连接，实现远方监控（见图1）。为了便于运行人员掌握，系统操作方式完全移植原有的运行操作方式。方案确立后，根据现场需要选定了所需设备型号。

4. 控制系统的结构：

5．控制系统组成及主要设备技术指标：

　　采用标准控制盘柜，选用日本三菱公司PLC及串行通讯设备，恩威电子公司的两台型固态开关，北京三吉利佳兆公司的气压变送器。选用相应的操作把手、电源开关、按钮、光字牌、信号指示灯、电源隔离变压器及电源监视继电器。

PLC：

固态开关(SWK)：

压力变送器:

　　
6．流程的设计：

　　控制流程（见图2）切合实际进行设计，通过在现场多方面的调试,完全满足现场各方面的需要。

程序设计技术指标

7．控制系统运行方式：

7.1 切换运行方式

　　两台低压机分别由两个操作把手控制，可任意切换四种运行方式——自动、备用、手动、切除。

7.2电源运行方式

　　控制系统分别由厂用一段、厂用二段电源供电，互为备用。控制系统盘柜上的电源切换把手，任意切换三种供电方式——厂用一段电源投入、厂用二段电源投入、电源切除。

7.3 PLC运行方式

　　PLC有两种工作方式——运行及调试，由一控制按键切换。运行态时PLC正常开入，运算，控制开出。调试态时PLC正常开入，但禁止所有开出控制。

8．实现功能:

8.1对两台低压机实现可靠的自动控制。

8.2对两台低压机及控制系统本身实现全面可靠的自动保护

l 对低压机的保护
低压机两级气缸温度过高的保护
低压机两级气缸压力过高的保护
l 对40KW电动机的保护
过流、过载、欠压、缺相、三相不平衡
l 对PLC的保护
PLC的工作电源用隔离变压器隔离，减少尖峰波形电压对PLC的冲击。

8.3完善的报警系统及显示光字

　　现场报警系统共有10个显示光字，远方中控室有2个显示光字，组合起来共反映24种不同故障。

8.4压力变送器可对气压信号进行模拟量的采集,便于监视。

8.5 随时根据需要与上位机通讯，实现远方监控。

9．新系统在运行中体现的优点

9.1 PLC工作性能可靠，免去了对原设备继电器的校验与清扫工作。

9.2 固态开关优良的性能以及对电机全方位的保护

　　固态开关，控制低压机三相交流电动机的启停，主回路采用电力晶闸管为开关元件，并采用先进的电子技术进行全方位的检测与控制。启动电流与运行电流的调整完全数字化，整定方便。固态开关无触点损耗，不存在主接触头接触不良、三相拉弧等现象，能够频繁启动大型电机，可免维护使用。

　　固态开关能对负载的短路、电机的过流、三相不平衡、电源欠压进行综合保护。操作简单，状态显示直观，保护迅速可靠。

9.3 气压变送器的使用

　　用数字式压力变控器采集气压信号，压力值显示直观，动作值准确，校验调整方便。

9.4 PLC操作简单

　　PLC人机接口简单方便，逻辑控制回路完全由软件实现，随时可按运行人员要求改变控制流程，满足现场运行需要。

9.5 报警系统的完善：

　　低压机监控系统报警显示明确，运行人员通过光字显示，可直接了解故障点，从而迅速处理。保护范围全面。

9.6 工作环境的改善

　　PLC控制柜布局紧凑，结构合理，盘面美观大方，运行显示一目了然，控制操作方便。

9.7 远方监控

　　PLC可随时建立与上位机的通讯，将采集的开关量数据及模拟量数据上传远方ALP工作站，便于远方监测。上位机还可下传控制指令，实现低压机的远方控制。

10．新系统的运行效果：

10.1 PLC的使用消除了原控制系统多发故障的因素, 大大提高了我厂辅助设备的自动化控制水平。自99年6月投运以来，在运行缺陷记录本上，再未出现低压机控制系统故障的记录。

10.2 多次及时的反应了低压机的机械故障，准确保护了运行中的主要机械设备。

10.3 控制系统已达到了性能。自投运以来从未进行检修维护，大大降低了检修工作量，节约了大量的检修费用。

10.4 本系统操作方式完全移殖原系统操作方式，运行人员不需培训便可直接进行操作。

总结：

　　低压机监控系统采用先进的PLC控制，设计合理，使整个系统性能优于原控制系统，这一点在实际运行中得到了充分的证实与考验，并获得显著的经济效益，为我厂安全生产，发挥了实际作用，对其它设备的独立改造具有一定的参考价值

1  引言

       在工业控制系统中，PLC作为一种稳定可靠的控制器已经得到了广泛的应用。但是由于中小型PLC的人机接口功能不很完善，不能提供给用户一个友好的交互界面，因此妨碍了对现场运行过程的跟踪与监控。
       PLC实际工作中，通常人们采用4种装置为PLC配置人机界面：编程终端、显示终端、工作站及个人计算机。编程终端主要用于编程与调试，其监控功能相对较弱。显示终端的功能比较单一，主要用作现场显示。工作站系统很受用户欢迎，它功能全面、使用简单，但由于要配置组态软件，因而价格比较昂贵。个人计算机可配备多种语言，提供优良的软件平台，开发各种应用系统，特别是动态画面显示等，与PLC相结合组成一套PC-PLC监控管理系统，能够充分发挥它们各自的优点。但是在该系统中，关键的问题就是通信，用户对此须做较多的开发工作。
       本文详细阐述了PC与PLC互连通信的一般方法，并以永宏公司的FATEK-FBS PLC为对象，以实际四层电梯模型监控系统为例，介绍了利用大家都熟悉的编程语言Visual Basic 和Step7，实现PLC与上位计算机实时通信的通信过程。 

2  通信方式
       面对众多生产厂家的各种类型PLC，它们各有优缺点，能够满足用户的各种需求，但在形态、组成、功 能、编程等方面各不相同，没有一个统一的标准，各厂家制订的通信协议也千差万别。目前，人们主要采用以下三种方式实现PLC与PC的互联通信：
(1) 通过使用PLC开发商提供的系统协议和网络适配器，来实现PLC与PC机的互联通信。但是由于其通信协议是不公开的，因此互联通信必须使用PLC开发商提供的上位机组态软件，并采用支持相应协议的外设。可以说这种方式是PLC开发商为自己的产品量身定作的，因此难以满足不同用户的需求。
(2) 使用目前通用的上位机组态软件，如组态王、InTouch、WinCC、力控等，来实现PLC与PC机的互连通信。组态软件以其功能强大、界面友好、开发简洁等优点目前在PC监控领域已经得到了广泛的应用，但是一般价格比较昂贵。组态软件本身并不具备直接访问PLC寄存器或其它智能仪表的能力,必须借助I/O驱动程序来实现。也就是说，I/O驱动程序是组态软件与PLC或其它智能仪表等设备交互信息的桥梁，负责从设备采集实时数据并将操作命令下达给设备，它的可靠性将直接影响组态软件的性能。但是在大多数情况下，I/O驱动程序是与设备相关的，即针对某种PLC的驱动程序不能驱动其它种类的PLC，因此组态软件的灵活性也受到了一定的限制。
(3) 利用PLC厂商所提供的标准通信端口和由用户自定义的自由口通信方式来实现PLC与PC机的互连通信。这种方式由用户定义通信协议，不需要增加投资，灵活性好，特别适合于小规模的控制系统。
通过上述分析不难得出，掌握如何利用PLC厂商提供的标准通信端口和自由口通信方式以及大家所熟悉的编程语言来实现PC与PLC之间的实时通信是非常必要的。

3  FATEK-FBS PLC通信方式及原理
       FATEK-FBS PLC内部集成的PPI接口为用户提供了强大的通信功能，可在多种模式下工作：PPI、Profibus-DP、自由口方式等。其中自由口通信方式具有特色，通信协议可完全由梯形图程序控制，通过它可以实现PLC与任何具有通信能力的设备进行互连，因而在本系统中选用自由口通信方式。
        目前PLC与PC机的链接通信有两种方式，一种是PC机始终处于主导地位，数据的传送都由PC机定时发出命令，另外一种是PLC始终具有优先权。在本电梯模型监控系统中所有的控制信号均为开关量信号，考虑到上位PC机仅实时显示电梯的运行状态，不需向PLC发送控制指令，采用第二种通信方式。利用PLC循环扫描的特点，设备状态一旦改变，PLC立即检测到，并将反映系统状态变化的数据存入指定的数据缓冲区，通过XMT发送指令，将数据通过COM口发至上位机。每个系统的状态对应于数据缓冲区中的一个指定字节，所存储数据均为16进制数据，为保证通信过程的可靠性，上位机对所接受到的数据进行首尾字符校验，如果校验成功，则说明接收到的首末字节之间的数据是正确的，从而进行处理，否则，放弃这批数据，要求对方重发。 
 

4  应用实例与程序设计
(1) 系统构成
       FATEK-FBS PLC内部集成的PPI接口物理特性为RS485，而上位机的标准串口为RS232，为了实现两者的通信必须进行协议转换，永宏公司提供的PC/PPI电缆带有RS232/RS485电平转换器，因此再不增加任何硬件的情况下，可以方便的实现二者的互联和协议转换。
作为控制器的FATEK-FBS PLC利用电梯模型自带的电源线实现与四层电梯模型的互连，该电梯模型为教学试验装置，具备一般电梯的基本功能。
(2) PLC部分编程
① 自由端口的初始化 
  在自由口通信模式下，通过设置特殊存储器SMB30（端口0），来为自由端口通信选择波特率、奇偶校验和数据位。这些设定必须与PC机设定值相一致。其格式如下：
SMB30
pp为奇偶校验选择，d为数据位选择，bbb为波特率选择。
 00为无校验，0为每个字符8位，000为38 400
baud，001为19 200baud；
 01为偶校验，1为每个字符7位，010为9 600 baud，011为4 800baud；
 10为无校验，100为2 400baud，101为1 200baud；
 11为奇校验，110为600baud，111为300baud；
mm为协议选择：00为PPI协议，01为自由口协议，10为PPI/主站模式，11默认为PPI/从站模式。

② FATEK-FBS PLC实时向上位PC机传送数据 
        在对电梯模型控制中，所有的控制信号均为开关量，基于这一特点，系统状态的改变即为这些开关量信号状态的改变，因此可通过跟踪这些开关量信号的上升沿信号、下降沿信号的到来，做为系统状态改变的依据。据此在本系统中，通过对同一个开关量信号的上升沿、下降沿分别定义不同的16进制数的方式，来代表信号的产生与结束，当检测到这些信号产生时，便将这些数据存入指定的数据缓冲区中的字节中，并通过COM口发至上位PC机，同时产生发送完成中断，PLC延迟等待接收来自上位机的应答信号，通过分析存储在接收字符缓冲器SMB2中的数据，判断是否需要重新发送。下位机程序如图1所示。

                    图1 下位机程序流程图 

(3) 上位机部分编程
       基于VB处理监控界面图形、数据报表及通信的方便快捷，本课题上位机的编程环境采用VB来实现。VB不仅提供了MSCOMM串行通信控件，而且也为这个控件提供了标准的事件处理函数，并通过设置它的一些属性对通信接口进行初始化，从而很容易的实现了串行通信的问题。
下面介绍一下有关此控件的属性：

Commport，设置通信连接端口。程序必须指定要使用的串行端口的号码，bbbbbbs使用所设置的通信端口与外界进行通信。
Settings，设置初始化参数。其格式为“BBBB，P，D，S”，其中BBBB为连接速度，P为奇偶校验方式，D为数据位数，S为停止位数。默认值是“9 600，n，8，1”。
PortOpen，设置通信连接端口的状态。使用串行端口之前必须先将要使用的串行端口打开。
bbbbb，返回并删除接收缓冲区中的数据流。
bbbbbLen，设置从串行端口读入的字符串长度。
Rthreshold，设置引发接收事件的字符数。
bbbbbMode，设置接收数据数据形式。
        OnComm事件，用来处理所有与通信相关的事件。使用事件程序的好处是不需要一直让程序处于检测的状态下，只要事先将程序代码写好，一有事件发生，就会直接执行相对应的程序代码。可见这种事件驱动的方式也为实现实时通信提供了必要的条件。上位机程序如图3所示。PC机根据接收到的信息很容易的实现对每个开关量的状态进行识别，从而控制监控界面的实时显示。 

5  结语 
       以上是基于FATEK-FBS PLC自由口通信方式实现与上位机PC实时通信的一个简单应用。经验证，该方法简单、实时性好，可靠性高，对于逻辑控制系统，是能够实现对被控对象实时监控简单易行的方法。