6ES7221-1BF22-0XA8诚信交易

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为适应现代机房管理的需要，基于PLC强大的逻拜功能和高可靠性，结合PC机丰富的软硬件资源，本文设计了基于PLC的服务器机房电源拉制系统。该系统具有微机、服务器、交换机电源控制的系统功能，克服了传统手工操作的弊端。作为该系统核心的PLC，采用了延时继电器、LAD梯形图编程，建立其输出节点与被控对象——电源开关量之间的“点对点”关系，时电源开关进行控制，通过OPC Server对PLC的每种状态做出监视和信息统计，下达指令至PLC执行相应的开机或关机命令。1、引 言
       
       
       
        在互联网技术及其应用的推动下，教育信息化建设得到了飞速的发展，基于网络的各种应用如网络远程教育、数字图书馆、网络办公等系统得到了迅速的普及，越来越多的系统应用对数据的存储提出了更高的要求。在网络时代，信息资源呈几何级数增长，导致通过网络进行传输的信息量不断膨胀，大量的信息需要进行数字化存储。而构建大量的网络存储后，如何保证这些数据的安全、可靠的运行呢？
       
        越来越多的高校存在多地办学的压力，学生数目急剧增加，而工作人员工作量的加重、交通不便、机房系统管理人员的匾乏导致我们无法及时应对停电这些突如其来的偶然情况。虽说大多数服务器机房配备了UPS，但停电时间的偶然性和UPS电池容量的有限性还是会导致一些重要数据的丢失。
       
        现在的服务器存放数据大多采用SAN（Storage Area Network)架构的网络存储模式，依靠系统管理人员手动启动或手动关闭服务器等设备。一旦停电，若处理不及时，必然导致数据丢失。下面我们以云南大学图书馆基于SAN架构的IBM FAST 900存储为例（如图1）。
       
        利用了PLC强大的逻辑功能和高可靠性以及PC机的软硬件资源，本文设计了一个服务器机房电源控制系统，实现了整套机房电源的自动有序开启或关闭（包括服务器、交换机、磁盘控制器、磁盘柜等），克服了传统手工管理服务器机房的弊端。
       
        
       
        图1 基于PLC的服务器机房电源控制系统拓扑图（以云南大学图书馆SAN存储为例）
       
        2、服务器机房电源控制系统的功能和组成
       
        2.1 电源自动有序开启和有序断开
       
            服务器机房系统中有UPS、磁盘柜（EXP700）、光纤交换机（Switch 3534-FO8）、光纤磁盘控制器（FAST 900）、服务器，整个系统的开启和断开都是有顺序而且对时间也有一定要求。一旦顺序紊乱，就会导致数据丢失。
       
        下面我们规定一下开关机条件：UPS电池容量高于10%且处于充电状态，可以开机；UPS电池容量低于10%且处于放电状态，关机。
       
        开启和断开顺序如下图2所示：
       
        
       
        图2 开关机示意图
       
        开机：所有磁盘柜（EXP700）开启一分钟后，依次开启光纤交换机（Switch 3534-F08）、光纤磁盘控制器（FAST 900），前后设备间隔30秒启动；再打开服务器操作系统；
       
        关机：关闭服务器操作系统后，依次关闭光纤磁盘控制器（FAST 900）、光纤交换机（Switch 3534-F08）、磁盘柜（EXP 700），前后设备间隔30秒关闭。
       
        整个过程无需手工介人，一旦确定开机或者关机，UPS通过以太网发送开机/关机信号到PC机，从而实现整个机房电源的自动开启或关闭。与传统的手工开关机相比，节省了大量的人力、物力、时间，同时避免了误操作而引起的系统故障。
       
        2.2 电源的监视和信息统计
       
       
       
        PC机通过OPC Server与PLC建立连接，采集PLC信息，显示在PC程序界面上，从而实现对电源的开启和关闭次数的统计功能。
       
        2.3 组成
       
       
       
        系统软件组成：机房管理监控软件，PLC编程软件Step7（Ver5.0或更高)，Siemens Simatic Net2006（OPC软件）。
       
        系统硬件组成：PC、西门子S7300 PLC、16I/160输入输出模块、CP343-1 IT以太网卡、PS307 24VDC稳压源、以及单极断路器、中间继电器、指示灯、按钮若干。
       
        3 基于PLC的服务器电源管理系统的设计过程
       
        3.1 PLC选型
       
       
       
        由于系统基于PLC装置的强大的逻辑功能和高可靠性，建立其输出节点与被控对象（中间继电器）——电源开关量之间的“点对点”关系，对电源开关进行控制；并且PLC具备以太网与PC机通讯功能。所以在PLC的选型上需要综合考虑以下几个因素：系统需要的功能、I/O点数、程序存储器的容量以及I/O信号的性质、参数、特性等。
       
        本系统选用德国西门子自动化有限公司的S7300系列器件。该器件由PS307电源、CPU315-2DP、CP343、1 TT、16点I/O模块以及保护电源的单极断路器、控制电源通断的中间继电器（简称“继电器”）组成。PLC上运行的软件用Step7开发，用于采集相应的输入信号进行处理，处理后输出到控制继电器来控制相应设备的电源。
       
        3.2 电路原理
       
       
       
        电路原理如图3所示：
       
        
       
        图3 基于PLC的服务器机房电源控制系统的电路原理图
       
        由于采用PLC vo控制，电路的控制变得异常简单，因为PLC程序取代了大部份原先电路逻辑所做的工作。S7300的16输入16输出模块主要是采集一个“启动”按钮（StartButton）和一个“停止”按钮（StopButton）的信号，通过PLC-S73110处理以后，输出控制相应的继电器间接控制设备电源关开和指示灯。
       
        3.3 PLC程序的主要控制程序简介
       
       
       
        
       
        图4 主要控制程序（一）
       
        图4是PLC使用的典型梯形图，‘︱︱’——常开逻辑判断符，‘H’——常闭逻辑判断符，（SD）——延时接通计时器，（SF）——延时断开计时器。
       
        改控制程序实现了设备的电源开关的延时接通和延时断开，具体时间由“StartTime”和“StopTime”给定。一旦启动按钮“StartButton”被触发，使能“MEnable”就具备，使用整个系统有序上电；而触发停止按钮“StopButton”以后，使能“MEnable”丢失，整系统就根据程序有序断电。
       
        
       
        图5 主要控制程序（二）
       
        图5说明了系统中设备的电源开关控制流程。
       
        使能“MEnable”，具备，则启动磁盘柜（EXP700）使能“MEnable”具备，“EXP700-ON”是磁盘柜启动延时计时器（图4），时间到达1分钟后，光纤交换机（Switch3534-F08）启动同理，时间到达30秒钟后，光纤磁盘控制器（FAST900）启动同理，时间到达30秒钟后，服务器（SeiveiComputer）启动。
       
        上面所介绍的只是系统启动过程，下面介绍系统关闭过程。
       
        图4中，触发停止按钮“StopButton”以后，使能“MEnable”丢失，图S中的服务器（ServeiComputer）输出停止，服务器电源开关断电；图5中“ServeiComputer-OFF”是服务器断电延时计时器，时间达到30秒钟后，光纤磁盘控制器（FAST 900）输出停止，光纤磁盘控制器电源开关断电；之后再过30秒，光纤交换机（FAST 900）电源开关断电；再过30秒，磁盘柜（EXP700）电源开关断电，整个系统断电完成。
       
        3.4 OPC技术
       
       
       
        上述开关电源的过程需要对电源状态进行监视和统计，因此PC与PLC通讯是必不可少的，OPC（OLE For Process Control）技术是普遍采用的技术。OPC技术规范是以Microsoft的OLE/COM（bbbbbb bbbbing and bbbbbding/Component bbbbbb Model）技术为差础，定义了一组接口规范。它包括OPC自动化接口（Automation Interface）和OPC定制接口（Custom Interface）。另外，OPC技术规范定义的是OPC服务器程序和客户机程序进行通讯的接口或通讯的方法。
       
        OLE自动化标准接口定义了以下三层接口，依次呈包含关系。
       
        OPC Server：OPC启动服务器，获得其他对象和服务的起始类，并用于返回OPC Group类对象；
       
        OPC Group：存储由若干。PC Item组成的Group信息，并用于返回OPC Item类对象；
       
        OPC Item：存储具体Item的定义、数据值、状态值等信息。
       
        实现本系统程序源码的部分核心代码如下图6所示：
       
        
       
        图6 程序源码部分核心代码

为提高油气远程传输的安全可靠性，本文提出并设计了基于PLC远程阀门监控系统。该系统由一个监控主站和若干阀门从站构成，主站与从站之间采用无线数传电台互连。该系统的突出特点是现场数据采集和设备控制由PLC实现。详细介绍了各阀门站的硬件结构及系统软件设计。实践证明，该系统图形界面友好，可靠性高，操作方便，安全稳定，应用效果好。 1. 引 言
       
        　　可编程控制器（Programmable Logic Controller，简称PLC）作为工业控制专用的计算机，由于其结构简单、性能优良，抗干扰性能好，可靠性高，编程简单，调试方便，在机械、化工、橡胶、电力、石油天然气等行业工业控制现场已日趋广泛地得到应用，成为工控现场进行实时控制的主要的控制装置。同时利用PLC所具有的串行通信和计算机的远程通信功能，可实现计算机对多台PLC控制装置的远程集中监控。
       
        　　在石油、天然气远程输送管线上，大口径油气管道阀门是重要的基础设备之一，具有截止、开启、配送和调压等多种功能，一旦出现故障轻则影响管线的输送功能，重则导致管线的严重破坏甚至造成人生安全，因此对油气管道及阀门的全程状态监控显得尤为重要。远程油气管道监控系统就是为提高油气远程输送的安全可靠性而提出来的，该系统允许系统操作员通过位于监控中心的计算机终端，进行对一定区域的阀门站进行远程，具有较高的可靠性和运行效率。
       
        2. 监控系统的组成结构
       
        　　远程油气管线监控系统硬件组成示意图如图1所示。该系统是以PLC作为远程控制终端，以工控PC机作为上位机的主从式一点对多点的远程无线监控网络，采用串行异步通讯协议。下位机PLC安装在各阀门站，根据上位机的指令或自身的控制程序控制阀门的开启或关闭，并配置各种传感器等辅助设备，组成数据采集和控制系统。上位机安装于油气调度控制中心，以半双工轮询方式同各阀门站PLC通讯，以此形成SCADA（数据采集与监控）系统。无线数传电台采用透明方式工作，只起数据传输作用，整个网络数据收发采用同一频率，通讯时，站点的识别是通过PLC的不同地址编号来实现的。
       
        　　各阀门站采用PLC作为系统的基本RTU单元，完成各种测量和控制任务，主要由PLC本体、AD转换模块、传感器组与智能驱动装置四部分组成。
       
        
       
        图1 系统组成示意图
       
        　　2.1 阀门电机主回路
       
        　　图2为阀门电机主回路及PLC外部端子回路示意图。三相交流电动机M分别由交流接触器KMO和KMC的通断来驱动阀芯顺、逆时针转动实现阀门的开启或关闭。
       
        
       
        图2 阀门电机住回路及PLC外部端子回路示意图
       
        　　2.2 PLC外部端子回路
       
       
       
        　　系统选用三菱电机公司生产的FX2N-32MR作为RTU单元。智能驱动装置是引进美国Limitorque技术的SMC多回转型阀门电动装置，它可以单台控制，也可集中控制，可现场操作，也可远程控制，除能驱动阀门动作外同时还能将自身的状态以标准信号的方式送出供PLC进行状态检测。考虑阀门站兼有就地和远程两种控制方式，PLC共管理12路输入信号和8路输出信号。其输入输出信号及端子分配如表1所示。
       
        表1 PLC输入/输出信号及端子分配表
       
        
       
        　　2.3 A/D转换模块
       
       
       
        　　A/D转换模块选用与PLC本体配套的FX2N-4AD，其有四路独立的差分输入通道。每个通道可选择为电流型（±20mA）或电压型（±10VDC）信号输入。在每个阀门站管线或阀门的适当位置装上温度、压力和流量传感器，以采集油气管线的工作状态。参数信号经传感器变送后分别与FX2N-4AD各独立通道相连，经AD转换后放到相应的数据寄存器中，供PLC程序定时读取。
       
        　　2.4 数传电台选型与设置
       
       
       
        　　计算机与PLC之间采用无线数传电台方式进行通讯，采用交错编码、收后重发技术，提高无线通讯的抗干扰能力，确保阀门站无线远程控制的安全可靠运行。数据传输模块选用美国的MDS2710数字传输电台，它可为两点之间的数据传输提供全透明的半双工通讯连接。它一端与嵌入在PLC内的通讯FX2n-485-BD通过RS485接口方式相连，另一端则通过标准的RS232接口与监控中心服务器的串口连接，组成准双向的数据发送与接收无线通讯网络，网络的大节点数可达32个。
       
        　　电台数据帧格式设置为7位数据位、1位停止位、偶校验的方式，传输速率为9600bit/s。电台发射功率为25W，采用收、发同频方式（235MHz），主站架设全向天线，阀门站架设定向八木式天线后，数据传输距离可达15Km以上，在地势平坦地区，通讯距离可达20Km。与之相适应PLC通讯格式特殊数据寄存器D8120设置为-8058，D8121寄存器用来设置各阀门站ID号。为了安全，除在天线安装了避雷针外，天线到电台之间的馈线也加装了避雷器。
       
        3. 监控系统软件实现
       
       
       
        　　系统对阀门的监控能实现就地控制和远程控制两种控制方式。系统控制过程流程为：传感器将测得信号通过屏蔽信号电缆传送到A/D转换模块的输入端，经过A/D转换模块转换后存入指定的数据寄存器供PLC读取。PLC将数据通过无线数传电台送出，后到监控中心供系统处理，完成一次数据采集过程。系统控制信号当为就地控制方式时由操作者通过阀门站控制箱内的按钮直接控制;当为远程控制时则由监控中心发出，PLC接收到信号后通过输出端口控制智能驱动装置使阀门动作。
       
        　　系统软件由两部分组成：一是PLC端实时测控软件;二是监控中心计算机测控数据实时处理软件。
       
        　　3.1 阀门站PLC软件设计
       
       
       
        　　PLC端阀门站实时测控软件控制过程流程图如图3所示。它采用梯形图逻辑编制，编程方便且直观。因篇幅原因，下面给出PLC本体从FX2N-4AD给取AD转换结果及部分控制程序梯形图，如图4所示。
       
        
       
        图3 PLC监控程序流程图
       
        
       
        图4 PLC控制程序梯形图（部分）
       
        　　3.2 系统监控中心软件
       
       
       
        　　本监控系统软件是利用KingView6.5编写。能充分利用bbbbbbs的图形编辑功能，方便地构成监控画面，以动画图形方式显示控制设备的状态，具有数据库ODBC接口、DDE功能、可便利地生成各种曲线和用户报表，也可将数据以Excel格式输出。系统软件主要由实时监控、曲线动态生成、数据报表管理、数据库管理、报警及用户管理六大功能模块组成。
       
        　　用户通过系统可随时清楚了解网内各阀门站的状态参数与阀门状态，对阀门实施远程控制，对所监测的各种参数均设有上、下限值，具有越限报警、紧急处理功能。系统将历史数据以多种方式保存，便于管理者进行阀门站运行数据的分析统计和故障分析。图5为监控系统主画面。
       
        
       
        图5 监控系统主画面
       
        4. 结 语
       
       
       
        　　系统监控中心通过数据传输电台对油气管线中多阀门站参数同时实时采集、对异常情况及时报警，消除了安全隐患，极大改善了我国目前油气管线监管不力的现状，系统有较强的数据处理功能，实现了数据报表的自动生成、数据库的访问、排序、查询等多种功能。系统经半年多实际运行，其性能稳定，运行可靠，人机界面友好，易操作，使用维护方便，具有很好的可扩展性和较高的实用价值。