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随着自动控制理论和数字计算机及其应用技术的不断发展，以计算机为基础的控制技术迅猛发展，被控对象规模更大,控制过程和规律也更加复杂和精密，控制方法也更加灵活多样[1]。在转台的控制系统中，除了用来产生输入信号的仿真机之外，计算机还扮演了控制器的角色。根据控制器的不同形式，计算机控制系统分为集中式、分布式、集散式三种类型，其中集散式控制器又分为PC机与单片机、PC机与PC机、PC机与嵌入式控制器三种形式。转台运动控制系统是转台设计中为关键的部分，本课题中选用PC机与嵌入式控制器的形式，其中PC机采用性能稳定的IPC（工控机），嵌入式控制器选用美国DeltaTau公司的可编程多轴控制器PMAC，即IPC+PMAC。
1 转台的基本结构与组成
　 由于各种民用、军用飞行器技术的快速发展，当今都十分重视半实物仿真技术的研究和应用，而三轴转台是半实物仿真的重要设备之一[2]。通常，三轴转台提供模拟飞行器飞行姿态角和为被试件提供测试条件的功能，以便验证全数字仿真的实验结果并进一步优化或改良飞行器设计方案。转台负载放在内框之上，由平板固定，内框、中框和外框均可绕其轴向做360°旋转运动，可以模拟飞行器的3个自由度的横滚、俯仰和航向运动。三轴转台由控制部分和机械部分组成，转台的控制部分由一个控制柜和一台IPC组成，转台机械结构由框架结构、动力源、支承结构、驱动方式、轴系结构、配重方式等组成。本课题中的转台采用UOO结构，外框架采用音叉形式(U型)，其结构简单，转动惯量小，并可相应缩小转台总体尺寸；中框架和内框架采用封闭框形式(O型)，易于实现整圈旋转。转台的3个轴系均采用精密机械轴承支撑，直流无刷电机驱动，运用海德汉增量式编码器进行速度、位置反馈，并在每轴运用滑环进行导线转接，可使框体做无限旋转运动。
2 PMAC控制器简介
PMAC(Programmable Multi-Axis Controller)是美国Delta -Tau公司生产的系列运动控制器。使用Motorola的DSP56000系列芯片作为CPU，多可实现8轴的伺服控制。具有良好的硬件开放性和软件开放性[3]。
2．1 PMAC的硬件开放性
　 PMAC支持多种工作平台，允许在PC、STD、VME、PCI等不同总线上运行,方便了用户选择主机类型；有模拟和数字两种伺服接口，能与步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机等多种电机连接，并可对不同的电机提供相应的控制信号；可接受各种检测元件的反馈信息，包括测速发电机、光电编码器、光栅、旋转变压器等；提供串行方式、并行方式和双端口RAM方式与PC机进行双向通信；绝大部分地址向用户开放，包括电机信息、坐标信息及各种保护信息，这些硬件的开放性使用户可以很方便地根据自己的需要进行硬件设备的搭建。
2．2 PMAC的软件开放性
　 PMAC支持各种语言，用户可以使用VB、VC、Delphi等在bbbbbbs软件平台上制定用户专用界面；PMAC提供了包含速度和加速度前馈的PID控制和阶式滤波器，电机和负载的双编码器，能纳入用户开发的伺服算法。PMAC具有很强的计算能力，许多数学、逻辑和超越函数的计算都能通过用户程序中的变量和常数进行；内含可编程逻辑控制器。PMAC的I/O点可以扩展至2 018位，所有的I/O点都由软件来控制，只要使用一个类似程序中的指针变量指向某一I/O地址，就可以方便地在运动程序和PLC程序中通过该指针变量来对该I/O点进行输入或输出控制。同时该PLC工具有强大的逻辑功能和判断能力，可编制复杂的逻辑关系。
3 控制系统的介绍
3．1 控制系统的原理
对于转台的方位控制，首先通过GPS等得到目标点的方位坐标，经过IPC机计算出目标点的方位角度，把位置信号送入PMAC卡，通过式光电码盘形成闭环，从而达到位置伺服目的，包括速度环和位置环两部分，其控制原理如图1所示。

其中速度环由直流脉宽伺服系统、直流力矩电机以及测速电机构成，测速电机与直流力矩电机同轴并反馈成与转速成正比的电压信号，至直流脉宽伺服系统，从而形成速度闭环。
　位置环由PMAC卡、直流脉宽伺服系统、直流力矩电机、光电码盘构成，光电码盘与直流力矩电机同轴并反馈位置信号至PMAC卡，从而形成位置闭环，以实现动态目标跟踪的目的，
3．2 控制系统的硬件组成
　为了tigao系统的运动可靠性和快速响应能力，转台采用上下位机的两级控制方式,其硬件组成如图2所示

：远程DA转换、模拟信号输出、远程IO、RS-485数据通讯

    引言：随着科学技术的不断进步，人们利用各种控制器来的进行工作和生产，比如说控制加热炉的温度，控制灌溉的liuliang，控制物品移动的距离等。PLC的AO模块或DCS系统输出的模拟量电流或电压信号直接去控制远程的执行设备，往往会因为长距离的传输造成信号的衰减、失真，有时还会因为其他外界信号干扰造成信号出错，影响整个系统的正常工作。因此利用RS-485数字信号进行远程传输，然后利用远程模拟信号输出模块ISODA输出模拟信号，在工业现场中得到了越来越多的应用。

    1、模拟信号输出模块ISODA的工作原理概述

    ISODA系列产品实现主机RS-485/232接口信号隔离转换成标准模拟信号，用以控制远程设备。ISODA系列产品可应用在RS-232/RS-485总线工业自动化控制系统，4-20mA，0-5V，0-10V等标准信号输出，用来控制工业现场的执行设备，控制设备以及显示仪表等等。

    产品包括电源隔离，信号隔离、线性化，D/A转换和RS-485串行通信。每个串口多可接256只ISODA系列模块，通讯方式采用ASCII码通讯协议或MODBUSRTU通讯协议，其指令集兼容于大多数同类模块，波特率可由代码设置，能与其他厂家的控制模块挂在同一RS-485总线上，便于计算机编程。

    ISODA系列产品是基于单片机的智能监测和控制系统，所有的用户设定的校准值，地址，波特率，数据格式，校验和状态等配置信息都储存在非易失性存储器EEPROM里。

    ISODA系列产品按工业标准设计、制造，信号输出/通讯接口之间隔离，可承受3000VDC隔离电压，抗干扰能力强，可靠性高。工作温度范围-45℃～+80℃。

    ISODA系列产品框图如图1所示。

图1 ISODA产品原理框图

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    2、模拟信号输出模块ISODA的功能简介

    ISODA信号隔离D/A转换模块，可以用来输出一路电压或电流信号，也可以用来输出两路可以共地的电流或电压信号。

    2．1、模拟信号输出和工作电源

    12位输出精度，产品出厂前所有信号输出范围已全部校准。在使用时，用户也可以很方便的自行编程校准，因此在现场的应用更加灵活。信号输出温度漂移：±20ppm/℃(±30ppm/℃,大)。

    工作电源，+8~50VDC宽供电范围，内部有防反接和过压保护电路。功率消耗：小于1.5W。隔离耐压：通讯接口/输出之间：3KVDC，1分钟，漏电流1mA，其中通讯接口和电源共地。

    2．2、通讯协议

    通讯接口：1路标准的RS-485通讯接口或1路标准的RS-232通讯接口。

    通讯协议：支持两种协议，命令集定义的字符协议和MODBUSRTU通讯协议。可通过编程设定使用那种通讯协议，能实现与多种品牌的PLC、RTU或计算机监控系统进行网络通讯。由于支持通用的MODBUSRTU协议，所以能够在工控领域得到广泛应用。

    数据格式：10位。1位起始位，8位数据位，1位停止位。

    通讯地址（0～255）和波特率（300、600、1200、2400、4800、9600、19200、38400bps）均可设定；通讯网络长距离可达1200米，通过双绞屏蔽电缆连接。

    通讯接口高抗干扰设计，±15KVESD保护，通信响应时间小于100mS。

    2．3、抗干扰

    可根据需要设置校验和。模块内部有瞬态抑制二极管，可以有效抑制各种浪涌脉冲，保护模块，内部的数字滤波，也可以很好的抑制来自电网的工频干扰。

1 系统概况

　　华能上海石洞口电厂除灰系统主要由仓泵出灰和灰库等系统构成，系统控制由PLC完成。由于历史原因，除灰控制系统原先并不属热控管辖范围，系统设计理念陈旧，模拟量信号少，自动化水平较低。

　　2008年热控对除灰控制系统进行了一次改造，控制范围囊括了四台炉的气力输灰、灰库、灰浆系统。上位机HMI部分改为标准的客户机/服务器结构，配置六个客户端，

　　两个冗余服务器，一个工程师站和一个数据库服务器。运行人员在客户端进行操作，画面由服务器提供，工程师站修改程序和画面。任何修改只要在工程师站完成，运行人员只要切换画面就能对操作画面进行更新，不需要重启计算机。

　　为了tisheng除灰系统的自动化水平，这一轮改造后，热控又着手对就地设备进行完善。但由于原除灰系统自动化水平低，运行人员长期手动操作，无法对现场设备提出控制要求。因此我们通过对就地设备的观察，决定增加库顶风机压差信号、库底流化风机和斜槽流化风机压力信号。

　　2 应用工程简介

　　随着科学技术的高速发展，近年来，无线技术得到了长足的发展，过程控制领域出现了诸多无线设备，如无线压力、差压变送器、温度变送器、无线定位器等。艾默生的智能无线技术就是其中的一个代表。华能上海石洞口电厂热控一贯关注新技术，考虑到此次改造在灰库上敷设电缆确实比较困难，因此决定尝试一下无线这样的新技术。由于发电厂普遍采用艾默生的罗斯蒙特变送器，我们此次还是选择了罗斯蒙特无线变送器。艾默生以合理的价格提供了无线变送器及相关设备。

　　无线硬件由无线变送器和无线网关1420构成，单个无线设备之间的可视距离可以达到228米，无线网关和上位控制系统之间有线连接，通讯方式有Modbus 485、Modbus TCP/IP及OPC。上面是罗斯蒙特提供的无线技术方案示意图，整个现场设备的改造方案初设计九台变送器，后来由于设计方案的变动只用了五台。设备到货后，整个无线设备系统的安装与调试完全由热控工程师完成，期间只是就相关技术问题咨询了艾默生相关技术人员。至此，我们在上海的电力系统做了个无线样板工程。

　　3 无线通讯和系统安全性

　　3.1 无线频率

　　通常使用的与过程工业相关的ISM频段有三个：900MHz、868MHz以及2.4GHz。900MHz 频率常用于美国，868MHz频段可以在欧洲大部分地区用于ISM通信，2.4GHz频段则在全球范围内适用。2.4GHz频段实际上包括了从2.4GHz到2.4835GHz区间，同时，2.4GHz频段也是Wi-Fi工作频段。智能无线技术就工作在这个频段。

　　3.2 无线网络可靠性与安全性

　　智能无线技术的一大特点是采用了自组织网状拓扑结构，而不是常见的点对点结构。点对点拓扑结构中，每一台设备直接与网关通讯，设备与网关之间的通讯路径要求完全可视，而这在现场是比较难以做到的；网状拓扑结构中，每一台无线设备都可以作为其他无线设备的中继路由，设备与网关之间无需完全可视。同时自组织特性保证了网络中每个设备至少有两个通讯路径，一旦其中的一条通信路径由于某种原因被中断，网络会自动利用其它的路径进行通讯，从而确保了智能无线技术在复杂的工厂环境中依然可靠。

　　智能无线技术将2.4GHz频段分成16个更窄的频段，并采用跳频技术，如果在其中的一个频段检测到干扰，网络通讯将切换到另外一个频段。同时智能无线技术内置了数据加密与校验，发送设备与接受设备之间也需要身份验证，数据的访问也需要相应的权限才能进行。

　　此外，值得一提的是，智能无线现场设备完全由电池供电，这得益于对现场设备进行的低功耗改造，使得无线装置可以在现场连续工作数年而不用更换电池。其次，其采用的电池包含多项专利，具有本安、防短路等多项特性，可以在危险环境中随意更换而无需采取特殊安全措施。

　　4 实施方案

　　4.1 厂家自身系统的连接

　　智能无线网络由无线变送器和1420无线网关构成。在完成简单的配置和现场设备安装后，1420网关接通24VDC电源，变送器装上电池，整个无线网络就可以自动上线。

1 引言
由于PLC(可编程序控制器)抗干扰能力强、可靠性高、模块组合式结构及面向工程的编程语言、可进行在线修改等优点，使其系统构成灵活，易学易用、易于维护，适合于工业环境下使用，已成为一种通用普及、应用行业众多的工业控制器。在许多场合只需可编程控制器即可构成包括逻辑控制、过程控制、数据采集及位置控制、的经济合算、设计调试方便的综合控制系统。目前，PLC朝着高速度、多功能、网络化、适应集散型递增式控制的方向发展，提供了更加宽广深入的应用空间。
随着经济技术的发展和生产生活水平的tigao，安全生产一直是工业企业的重中之重。尤其在化工，医药等行业，安全连锁系统不间断的可靠运行，是连续生产的前提，所以，其安全连锁系统一般都采用热备或冗余的PLC系统。一方面，厂家专用的双机冗余系统一般是大机型，功能强大，软硬件价格很高，另一方面，生产车间安全连锁系统安全性要求高，但控制节点比较少，程序规模较小，所以经常出现大马拉小车的不合理情况。
本文设计的基于主从通讯网的PLC热备系统，就是针对这种情况的一种实用的解决方案。此系统通过在某化工集团高密度车间和聚丙烯车间的应用，取得了安全、经济的良好效果。文中以松下电工FP3型PLC为例进行说明，此方案也可以推广到其他厂家具有类似网络功能的PLC系统设计中。

2 热备系统方案设计
2.1 PLC主从通讯网介绍
松下电工FP3型PLC是一种价格适中的模块化的中型机，FP3主从通讯网是专门用于FP3型PLC之间、与其它机型PLC或工业现场控制的远程I/O进行主从通信的通信网，它采用总线型拓扑结构，通过标准RS-485口实现主从式介质访问。该网络可组成两种方式的主从通讯系统:种是通过W-bbbb单元实现PLC之间的主从通信;第二种是通过远程控制主单元和从单元实现远程I/O扩展，即由远程控制主单元与远程I/O终端、带I/O单元或单元的从单元进行主从通信，对连结在远程控制主单元上PLC站进行遥控编程和远程I/O控制。我们的PLC热备系统就是充分利用这两种通信方式的组合效果来实现的。
2.2 系统结构及工作原理
系统结构如图1所示。因为I/O模块一般都有备件，而且一两个I/O模块的故障一般都只影响相关的控制点，但电源单元、CPU或通信单元的故障却会影响整个系统。所以，此系统配置以两个PLC主从控制站来实现控制站的双机在线备份，远程现场站的I/O则不进行冗余。根据硬件手册进行硬件连接及面板设置简单方便，系统工作原理做简介如下。

工作原理:正常情况下，主控制站通过其远程控制主单元与现场站的从单元的通信实现远程现场的I/O控制和主、从控制站错误监测和报警输出。同时，从控制站通过W-bbbb主从网络单元，实时检测主控制站是否有错误发生。主控制站有故障，从控制站马上发出转换信号给主从转换器，主从转换器将现场控制权交给从控制站，系统保持原有状态继续运行。此后按照报警输出对主控制站进行维修，也不影响安全连锁系统的连续运行。
2.3 热备系统通讯软件设计
主/从控制站流程图如图2、图3所示。

主/从控制站流程图说明:
(1) 链接寄存器“LD0”是W-bbbb网相关CPU可共享数据的公共寄存器;
(2) 链接继电器“L0”是W-bbbb网相关CPU可传递信号公共继电器。此处用来表示主控站是否发生故障;
(3) 流程图①、②部分输入数据存储的作用:站接管控制权的瞬间，有可能还监测不到现场输入。通过将主站所测输入信号转存到公共数据区，从站再从公共数据区读入自己的辅助继电器，继续主站原有状态进行现场控制;到现场站，输入信号可测再将输入信号直接存入辅助继电器，进行输出控制。

3 上位监控系统方案设计
3.1 系统结构及工作原理
系统结构如图4所示。本监控系统主要由上位工控机、通迅转换器、电缆等组成。系统运行时，主/从控制站将通过RS-485通迅方式实时发送其远程现场的I/O控制状态和主、从控制站错误监测及报警输出信息，上位工控机通过定时查询其接收缓冲区的信息，并对其数据进行判别和处理，再经过人机界面模拟显示出远程现场的各I/O状态和主、从控制站错误或报警信息，并可记录打印以上各信息。通过局域网还可现实以上各现场信息的共享。再有，当需对远程现场系统进行调试维护时，也可经过上位机人机界面的模拟手动调试按钮实现对现场各控制点的操作。

3.2 监控系统软件设计
本上位监控系统软件采用Borland C++Builder6.0编写界面显示、数据处理、通讯等程序，以下主要论述其与PLC通讯程序的设计，图5示出监控流程。
松下FP3系列PLC与计算机之间的通信协议为松下公司专用的MEWTOCOL_COM协议。该协议采用异步通信方式，本软件将其波特率选为9600bps，报文长度选为固定方式。该协议格式分为:
(1) 命令消息:Command Message;
(2) 正常响应消息Response Message_normal;
(3) 出错响应消息Response Message_error三种。其中，％为起始符，标记每一帧报文的开始，CR为结束符，标记每一帧报文的结束。AD为PLC的站地址，为两位16进制数，如00则表示台PLC。#、$标注该帧报文为何种类型。
Command Code为命令代码，如“RD”，表示读数据区;“WR”，表示写入数据区。Response Code为响应代码一般返回接收到的命令消息中的命令代码。ErrorH和ErrorL为出错代码，是两位16进制数，可根据其值在协议中查出错误的描述。Text Code为命令参数，如命令消息中“D011O701109”，“D”表示数据寄存器，“0110701109”表示第1107号至1109号，而在响应消息中，“3333 5555 AAAA”则表示DT1107至DT1109中数据分别为3333、5555、AAAA。BBC H和BBC L为前面字符串的BCC校验码的高、低位，为两位16进制数。其初值为0，然后从起始符开始与该帧报文中每一字节按位进行异或运算得到。
例:读取DT01107至DT01109中的数据的命令消息如下:%01#RDD011070110959CR
若DT01107至DT01109中的数据分别为3333、5555和AAAA，PLC返回的响应消息如下:%01$RD33335555 AAAA87CR。
上位工控机与松下FP3系列PLC通信的软件实现。本通讯程序通过自编写定制的C++Builder_VCL串行通讯元件包COMM,其中调用了bbbbbbS_API异步串行通讯函数,如:ReadFile();WriteFile();OpenComm();CloseComm()等。可实现通讯端口的开闭、端口各参数的设置、通讯端口数据的读写校验等功能。由于程序中使用了该串行通讯元件包COMM极大地方便了程序的编写,tigao了软件的可读性且方便了软件在实际使用中的维护和调试。实际调试中注意波特率及校验方式要与PLC的设置一致。

4 热备系统在化工安全连锁系统中的应用
在某化工集团高密度车间安全连锁系统中，为保证大量电机分批自启动的可靠性，在电机自启动连锁控制中采用了文中设计的PLC热备系统。根据工程电气配电系统的设计，再启动电动机的供电电源分别接至低压配电系统的A、B段母线(信号0-10V)上。
4.1 PLC所实现的控制功能
(1) PLC从A、B段母线采集母线电压信号，判断母线是否失压;PLC从需要实现再启动的电机回路采集该电机的运行状态信号。
(2) PLC通过采集的母线电压信号和电机的运行状态信号做出逻辑判断，是否对电机进行再启动;如果需要再启动，还要判断该电机是否属于批再启动电机;如果属于批再启动电机，则对该电机发出再启动指令。
(3) 批电机成功再启动后，若母线动电机电压信号恢复正常，则对第二批电机发出再启动指令。PLC发出在启动命令后，电机没有响应，则在一定延迟后，再发出再启动指令;如果电机仍没有响应，则停止发出电机再启动指令，并报警。
(4) 其它具体启动条件还有:一段母线上须自启动的电动机台数为正常运行状态下需自启动的正在运行的电动机的台数，没有运行的电动机在自启动时不发出自启动信号。当母线为低电压，检测到其输入信号未返回，即电动机状态信号仍为高电位，应报警。
4.2 连锁控制用户程序流程设计要点
(1) 主、从控制站程序写入:先把各自的通信程序写入，再在其后分别写入相同的用户程序。
(2) 用户程序中的输入信号用辅助继电器WR代替。
(3) 用户程序编程中注意记录母线未掉电前运行的电动机，并在电机启动后复位记录才能保证只启动正常状态已运行的电动机。

5 结束语
本文所论述的基于主从通讯网的PLC热备系统及其上位监控系统，较好地实现了大中型才能完成的双机热备或冗余PLC系统。此系统通过在某化工集团高密度车间和聚丙烯车间的应用，取得了安全、经济的良好效果。并且此方案也可以推广到其他厂家具有类似网络功能的PLC系统设计中。