西门子模块6ES7223-1PL22-0XA8使用选型
1、引言
HXFA368型条并卷联合机在纺纱的整个过程中是个瓶颈环节，一旦出现问题，后边整个生产过程就无法进行，所以要求设备控制系统稳定、性能可靠、使用方便和自动化程度高等特点。该控制系统将可编程序控制器（PLC）运算速度高、指令丰富、功能强大、可靠性高和抗干扰能力强等特点与触摸屏操作简单、功能强大、界面友好直观的特点结合在一起使用，使该系统具有很好的人机交互功能，在生产应用中取得很好的效果。
2、工艺流程及硬件结构设计
HXFA368条并卷联合机主要由成卷部分、牵伸部分、电气控制柜组成，结构简洁紧凑，在纺织备中起着承上启下的作用，其部分工作流程见图1：
图1工作流程图
系统采用中达电通公司DVP-60ES00R主机和DVP32XP（扩展模块）系列可编程控制器作为中心控制单元，输入点数52点，输出点数40点，共计92点。操作显示单元选用中达电通公司DOP-AE10THTD65536系列触摸屏，电机驱动选用中达电通公司VFD110B43A系列变频器控制。
在设备上共安装48个传感器和8个限位开关，其主要作用是负责各动作的定位、棉条有无的检测和脉冲信号的采样，传感器的输出信号都为开关量，以常开或常闭触点接入控制器的输入端子，选用24v直流电磁阀，直接用PLC的各输出点驱动电磁阀。设备通过一个电机和10个气缸完成系统机电气一体化控制，达到了设备的工艺要求。
3、系统软件设计
系统设计软件流程图如图2所示。
图2：程序流程图
3.1系统初始化
每套控制程序初始化都是必需的，每一次PLC上电或对PLC强制复位都要初始化，主要对在程序中使用的各种计数器、定时器、寄存器等进行复位和设置，同时保留上次运行需要记忆的各种数据，完成运行前的各项准备工作。
3.2工作程序
工作程序由通信程序、计数程序和步进程序等组成，下面对各部分进行陈述。
通信程序采用MODBUS通信协议来完成PLC与变频器之间数据的传输，MODBUS通信协议指令如下：
LD M1200
MOV H86 D1120 设置通讯格式
SET M1120 通讯格式保持
MOV K100 D1129 通讯时间超时设定
LD M1129
SET M1122 置位送信要求
LDP M1012
MODRD K1 H2101 D40 将D40所存数据写入变频器地址H2101
LD M1127 接收完毕
RST M1127
设备运行速度经计算转化成频率，系统软件通过MODWD指令将转化后的频率写入变频器地址，后由变频器驱动变频电机运转来拖动设备运行，另外通过MODRD指令读取变频器的运行状态（温度、频率、电流）数据，通过触摸屏显示出来，以便用户对变频器运行状态的查询，通过变频器温度、频率、电流等数据判断变频器及设备运行是否正常，及时对设备进行维护，达到安全生产。
计数程序主要是对计数传感器采集的脉冲信号进行处理，通过高速计数器C235来记录脉冲信号，每经过一个计数周期后就将C235所记录的脉冲信号数进行计算，转化成棉网的长度，经过几个计数周期，采集的脉冲数经累计后到达了用户设置长度，电机停止运行，完成其他一些列动作。
由于该设备在运行过程中执行动作比较多，所以在程序设计时采用了步进指令来完成这些动作，一个步进指令必须执行三个任务：
1、驱动输出线圈
2、指定转移条件
3、指定步进点的控制权要转移给那一个步进点。
下面是设备控制程序部分步进指令
STL S0 步进从初始状态S0开始
LDI X25 空管检测，无空管及X25=OFF 转移到S20步进点
SET S20
LD X25 空管检测，有空管及X25=ON 转移到S21步进点
TMR T31 延时后转移到S21步进点
OUT M132 驱动继电器M132
LD T31
SET S21
RET
控制动作程序利用步进指令编写使得程序思路明确、条理清晰，在相关的动作互锁上容易处理，设备系统调试时也容易查错。
根据设备工艺要求控制程序具有停止、自动、调试三个工作状态，当设备被指定在停止状态时，除了通信程序外，其余程序都被禁止运行。当设备被指定在调试状态下时，PLC只能运行通信程序和调试程序，此时，通过触摸屏可以对设备动作进行单步执行，同时，当设备出现故障时，可以在调试状态下进行故障排除。当设备被指定在自动工作状态时，按下启动按钮，设备将按图1流程图所示进行工作。
3.3人机界面
控制柜上人机界面可使过程可视化，智能化，方便系统调试，增强系统故障之后的恢复能力，改善系统的可维护性，降低运行成本。
根据画面显示信息量采用十八个画面，各画面之间通过触摸键进行切换，同时触摸屏上各类组件的内存单元和与PLC中数据存储区的的单元相关联，构成系统整体监控。根据设备工艺要求设计了参数设定、系统调试、故障信息查询参数设定等画面。
参数设定画面
参数设定画面主要是为了给现场操作人员进行设备工艺参数调节使用的，根据棉纺工艺的不同，对棉卷大小进行调节，设备运行速度调节，棉卷滚出停止位置调节，动作的快慢进行调节等。系统调试画面是为设备调试和故障排除而设计的，通过此画面的24个按钮，可以对动作流程图中的每个动作进行单步执行来进行故障排除和设备调试。故障信息查询画面提供了故障报警和历史数据查找功能，一旦系统发生故障，屏上主画面出现故障原因，点击信息查询按钮故障报警画面分析报警原因，触摸屏提供了一个十分灵活和友好的窗口，方便现场人员的使用，增强了系统的可操作性。
在对DOP-AE10THTD65536触摸屏进行组态设计开发过程中，运用宏指令对控制程序进行了安全保护，防止用户对控制程序私自修改，造成事故发生，以下是部分宏指令：
$133 = (1@D1003) 将控制程序内存校验和送给触摸屏内部存储器$133
IF $133 != 13877(DW) 将控制程序大小与原始控制程序内存校验和做对比
CLRB (1@M1072) 禁止PLC运行
ENDIF
该段宏指令禁止了用户对PLC控制程序的随意修改，提高了设备的安全性。
1引言
风力发电技术发展很快，装机容量不断增大，在世界各地都受到了广泛重视。在目前的变速恒频风电系统中，使用双馈感应发电机(DFIG)的双馈型风电系统市场份额大，使用永磁同步发电机(PMSG)的直驱型系统发展很快[1-2]。不管是双馈型还是直驱型风电系统，其整体控制都比较复杂，需要有主控系统来协调变桨、偏航、变流器、测量、保护和监控等多项环节，且风电系统通常运行环境比较恶劣，各执行机构之间可能存在一定的距离，因此通讯问题至关重要[3-4]。
可编程序控制器(Programmable Logic Controller，PLC)，是一种专为工业环境应用而设计的电子系统，采用可编程序的存储器，在内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算操作的指令，并通过数字式和模拟式的输入和输出，控制各种类型的生产过程。PLC具有编程简单，使用方便，抗干扰能力强，在特殊的环境中仍能可靠地工作，故障修复时间短，维护方便，接口功能强等优点[5]，因此非常适合风电系统使用。
本文首先说明了了风力发电通讯系统结构，选择罗克韦尔自动化的Controllogix作为主控PLC，实现基于PLC的风电通讯系统；基于VC++实现通讯系统上位监控，讨论了VC++实现原理，给出了基于Controllogix的直驱风电通讯系统监控效果。
2风力发电通讯系统结构说明
直接驱动型风电发电系统结构图如图1所示，包括风电机组，永磁同步发电机，背靠背变流器，由DSP为核心构成的变流器控制器，由PLC为核心构成的风力发电主控系统及上位机。通讯系统主要由PLC及上位机构成，PLC还要与变流器控制DSP之间进行通讯，由通讯系统实现对直驱型风电系统的监控，上位机与PLC之间采用串口通讯。PLC作为下位机使用，完成控制、数据采集，以及状态判别等工作；上位机用来完成数据分析、计算、信息存储、状态显示、打印输出等功能，从而实现对风电系统的实时监控。
由图1可以看到，PLC既要与上位机连接，又要与变流器控制DSP连接，图1中变流器采用双DSP控制，其他还有变桨控制器等，可能涉及多个处理器，需要由PLC来进行协调控制，同时要由中央控制室的上位机进行集中监控，因此基于PLC的风力发电通讯系统作用非常重要。
图1 直接驱动型风力发电系统结构图
本文选用罗克韦尔自动化的Controllogix作为主控PLC，对直驱型风力发电通讯系统进行初步探索。Controllogix是罗克韦尔公司在1998年推出AB系列的模块化PLC，是目前世界上具有竞争力的控制系统之一，Controllogix将顺序控制、过程控制、传动控制及运动控制、通讯、IO技术集成在一个平台上，可以为各种工业应用提供强有力的支持，适用于各种场合，大的特点是可以使用网络将其相互连接，各个控制站之间能够按照客户的要求进行信息的交换。对于Controllogix，在组建通讯网络时，Ethernet/ip、controlnet是比较常用的通讯协议，除此之外，Controllogix还支持devicenet、DH+、RS232、DH485等，而RS-232/DF1端口分配器扩展了控制器的通讯能力。因此，Controllogix比较适合用于构建风力发电通讯系统。
3 基于VC++实现的通讯系统上位监控
为了更加灵活的监控下位机系统的运行，并方便下位机功能的调试和扩充，本文基于VC++6.0开发了与直驱型风电通讯系统配套的上位机软件CMonitor，可以提供良好的用户界面和工具栏、菜单等多操作途径，并配合形象的位图动画功能来实时显示系统实际状态和拓扑，可以完成对风电系统运行方式和运行参数的控制、修改和监视，完成对历史数据的收集和分析，方便用户对风电系统进行远程监控和调试。
对下位机PLC串口通信模块进行相应初始化后便可以通过PLC的SCIRX和SCITX收发数据，由于PLC接收到的数据除了包含命令字外，可能还有其他的数据信息，因此针对不同类型的命令字必须有不同的处理方法。定义一个变量cmd来保存当前的命令字信息。
struct {int ID; int counter;} cmd;
其中ID是用来标识当前的命令字，counter则辅助记录当前命令字下总共处理过的数据字节数。利用变量cmd可以有效简化下位机通讯功能的实现过程，提高通信函数的稳定性。如图2所示，在SCI通信服务函数中，程序根据cmd.ID的值进入不同的分支，每个命令字的任务执行完毕后都将cmd.ID赋为0，使空闲时进入0x0分支，不停检测新的指令，功能的修改或扩充只需要对相应分支做修改即可，易于维护。
图2 下位机串口通信函数流程图
图3中列出了几种典型命令字的处理流程，它们均为图2所示流程图的一部分。图3(a)中cmd.ID为0，表示当前无命令字，程序将尝试从串口读取数据，这样一旦有新的命令字，程序便可以马上获知。图3(b)中所示为cmd.ID为0x01时的处理流程，此时表明上位机在测试通信是否正常，如果可以向串口发送数据，则程序在发送完毕表示成功的数据0x01后将cmd.ID重新赋值为0；否则，程序返回，这样cmd.ID未被修改，中断函数在下次运行时仍会处理0x01命令字。图3(c)为处理0x02命令字的流程，根据预先规定0x02对应的指令是禁止PWM输出，当cmd.ID为0x02时，修改相应的寄存器，禁止PWM输出，之后由于要向上位机发送执行成功的信号，也就是发送0x01，因此后将cmd.ID的值修改为0x01(命令字0x01会在执行完毕后将cmd.ID赋值为0)。这样在下一次执行通信服务函数的时候将会直接进入0x01命令字分支。命令字0x03，0x04，0x05的处理流程与图3(c)相似。
图3 几种典型命令字的处理流程
命令字0x06对应的指令是修改系统的运行参数，包括有功电流参考(2个字节)，无功电流参考(2个字节)，是否使用载波相移和是否使用SVM(1个字节)，因此共有5个附加数据，其处理流程如图3(d)所示，程序首先判断串口是否有数据可读，有则读取相应数据并存储，再将计数值加1，之后判断计数值是否已达到5，是则说明5个附加数据已经读取完毕，此时根据读取的数据更新下位机程序中的相应变量，后将cmd.ID改为0x01，向上位机发送执行成功的响应信号。命令字0x07对应的指令是采集直流电压，其处理流程如图3(e)所示。程序判断是否可向串口发送数据，若可以发送，则根据计数值确定发送低位或者高位，同时计数值加1，之后判断计数值是否为2，是则表明直流电压已经发送完毕，遂将cmd.ID赋值为0，后程序返回。
图3(f)为命令字0x12的处理流程，其相应指令为禁止PLC存储新的数据并从PLC接收存储的数据，数据共有1600个字节。程序首先判断是否可以向串口发送数据，如果可以发送则根据计数值来发送相应的数据并将计数值加1，之后判断计数值是否达到1600，是则将cmd.ID赋值为0，进入等待新指令环节。
图3中各命令字的处理流程具有典型性，图2中其他命令字的处理流程均可以在图3中找到相对应的一类，因而其实现过程变得简单、直观，模块化程度很高。
4 实现效果
本节给出了上位机软件CMonitor的界面图形，该软件已经具备了较完善的功能，可以应用于下位机程序开发、优化和对对下位机系统的监控中，并通过实际运行证实了有效性。
4.1 启动及登陆界面
CMonitor的启动和登陆界面如图4所示，启动界面显示了软件的名称(Converter Monitor，CMonitor)、版本(V1.0)以及单位信息(中国科学院电工研究所)等；登陆后CMonitor自动测试通信是否正确并检测MSI的工作状态，一切正常后才可以使用软件的各项功能，防止对下位机可能出现的误操作等，提高了系统的安全性和稳定性。
图4 Cmonitor启动及登陆界面
4.2 控制面板界面
控制面板是对直驱型风电系统系统进行控制的主要面板，主要包括如下三部分。
(1)拓扑控制部分。显示了系统的电气连接，包括永磁同步发电机，电机侧PWM变流器，直流母线，电网侧PWM变流器，脉冲开关，并网电感，并网继电器(3-Phase Breaker)，三相电网等。单击拓扑图的脉冲开关位置，可以打开或者关闭脉冲开关，从而实现对控制脉冲的控制；单击拓扑图的并网继电器位置，可以断开或者闭合三相继电器，实现风电变流器的并网、脱网。脉冲开关和并网继电器的图形会随着实际电路的变化而变化，因此可以直观的控制和反映系统的实际状态。
(2)参数控制部分。可以修改风电系统在运行中的有功电流(Iq)和无功电流(Id)，控制风电系统变流器使用SVM还是SPWM调制方法。
(3)日志记录部分。显示用户在当前面板上的所有操作并给出操作结果，可以回顾用户的各个操作步骤，监视MSI的通信状态并为事故分析提供借鉴和参考。
4.3 数据面板界面
数据面板的功能是对系统运行中的数据进行采集，它提供了两种采集模式：实时数据采集和历史数据采集，均可以对直流电压、电网A相电压、电网B相电压、电网C相电压、调制波A相电压、调制波B相电压、调制波C相电压以及逆变器输出的A相电流、B相电流和C相电流共计十种数据进行采集。
图5所示数据采集面板界面中，左侧为实时数据采集部分，点击相应的采集按钮即会完成采集并显示出来；右侧为历史数据采集部分，点击右上方指示灯下的人形按钮即可以进行历史数据采集并绘制相应的波形。当图5(a)所示的数据采集过程完毕后，虚拟示波器便会将采集到的波形显示出来，如图5(b)所示的数据面板的虚拟示波器界面，用户可以将多达十种变量的波形进行显示、隐藏、移动、放缩等操作，可以用来监视程序运行、验证程序功能，了解程序的工作状态。
图5 数据采集面板界面
4.4 工具面板界面
CMonitor的工具面板界面如图6所示，它可以将Tek示波器波形捕获的波形进行转换，并可以设置虚拟示波器各通道波形的颜色。程序的封面显示了软件的作者和版权等信息，其功能示意图如图6(a)、(b)所示。图6(a)所示为工具面板打开的一个实验波形文件，可以看出该图形底色为黑色，各波形为彩色(明暗程度不同)，经过工具面板处理后的波形如图6(b)所示。对比图6(a)和图6(b)可以看出，图6(a)保持了各通道波形与图6(b)相同，但底色却变为了白色，工具面板完成了将示波器波形转化为标准实验波形的功能，方便了对波形的分析。
图6 工具面板界面
5结束语
本文基于罗克韦尔自动化PLC-Controllogix实现了直驱型风力发电通讯系统，主要研究了PLC与上位机之间的串口通讯，基于VC++构建了上位监控软件，可以有效地对风电系统的运行进行监控，显示运行状态，记录历史数据及操作，绘制测试波形，并对实验波形进行处理；可以提供有好的人机界面，通过进一步优化及完善功能，可以为直驱型风电系统的调试、监控提供便利。
