PLC在智能装置自动测试系统的研究和应用.pdf

P L O 与D C S PL C an d DCS 自动化技术与应 用2 0 1 0年第 2 9卷第 7期 P L C在智能装置自动测试系统的研究和应用 应站煌 ， 李胜 ， 胡建斌 河南许昌许继电气股份有限公司， 河南 许昌 4 6 1 0 0 0 摘 要 可编程控制器在工业控制领域应用广泛， 本文从可编程控制器在电力系统智能装置自动检测系统应用出发， 介绍自动检测系 统设计原理和系统组成， 详细介绍 P L C在本系统功能和具体应用范围， 并针对可编程控制器应用中出现特殊问题进行分析， 并 给出解决方法。实践证明， 可编程控制器系统的扩展性和可编程特点可有效满足部分控制系统的特殊要求。 关键词 智能装置 ； 可编程控制器 ； 上位机 ； 触点检 测； 时序还原 中图分类号 T M5 7 1 ． 6 1 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 3 7 2 4 1 2 0 1 0 0 7 0 0 5 5 0 4 PL C i n Sma r t De v i c e s Au t o ma t i c T e s t Sy s t e m o f Re s e a r c h a n d Ap p l ic a t i o n s YI NG Zh a n - h u a n g ， L I S h e n g ， HU J i a n - b i n XJ E l e c t r i c C o ． ， L t d ． ， Xu c h a n g 4 6 1 0 0 0 Ch i n a Ab s t r a c t P r o g r a mma b l e c o n t r o l l e r s a r e wi d e l y u s e d i n i n d u s t r j a l c o n t r o l fi e l d ． T h i s a r t i c l e f r o m t h e p r o g r a mma b l e c o n t r o l l e r s ma r t d e v i c e s i n t h e p o we r s y s t e m a u t o ma t i c a l l y d e t e c t s t h e s y s t e m a p p l i c a t i o n p r o c e e d t o i n t r o d u c e t h e a u t o ma t i c d e t e c t i o n s y s t e m d e s i g n p r i n c i p l e s a n d s ys t e m c o mp o n e n t s ，d e s c r i b e s t h e PLC i n t h i s s ys t e m f u n c t i o n a n d a p p l i c a t i o n s p e c i fic s c o p e ， a n d a p p l i c a t i o n s f o r p r o g r a mma b l e c o n t r o l l e r s wh i c h a p p e a r s p e c i a l p r ob l e ms for a n a l y s i s ， a n d g i v e s a s o l u t i o n ． Pr a c t i c e h a s p r o v e d t h a t t h e e x pa n s i o n o f p r o g r a mma b l e c o n t r o l l e r s y s t e ms a n d i n t e r n a l q u a d r a t i c p r o g r a mmi n g c o n t r o l s y s t e m c a n e f f e c t i v e l y me e t s o me s p e c i a l r e q u i r e me n t s ． Ke y wo r d s s ma r t d e v i c e s ； p r o g r a mma bl e c o n t r o l l e r ； t h e ma c h i n e s ； c o n t a c t t e s t i n g； r e s t o r e o r d e r 1 引言 P L C广泛应用于工业控制领域， 因其具备 良好的扩 展性和独有 内部逻辑的二次编程功能 ， 大大扩展其在工 业生产和工业控制领域 的应用范围。本文从 电力系统 智能装置的自动测试系统原理出发 ， 简要介绍 自动测试 系统结构， 详细介绍 P L C在本系统功能和具体应用 ， 并 针对 PL C在电力系统智能装置 自动测试系统特殊领域 的应用 中出现的触点检测的条件、采样数据上送和特 殊控制逻辑的要求问题进行讨论 ，并给出一般解决办 法。实践应用表明， 可编程控制器的良好的扩展性和其 独有逻辑编程特点有效扩大其应用领域和范围。 2 系统基本原理 收稿 日期 2 0 1 0 -0 2 0 5 电力系统智能装置一般包括是继电保护装置和测 量控制装置 。继电保护装置主要功能是保护电力系统 的一次设备安全运行 ， 确保 电力系统输电系统的安全运 行， 而测控装置主要负责电力系统开关的控制和 电气量 的测量， 二者构成完整电力系统二次保护设置。 从电力系统智能装置和外部一次设备的发生联系 的主要 电气量包括 一次设备的模拟量、一次设备 的信 号开入和继电保护出口三个最主要部分 。因此， 模拟现 场运行环境的电力系统智能装置 自动测试系统也必须 具备模拟量输出、开关量输入和开出触点的检测功能， 但不仅仅限于这三部分的功能的检测 ， 其他还应包括时 钟 同步等等功能的检测。 目前，电力系统智能装置是属于微机型， 其具备完 好信息记录功能， 具备和其他外部系统 良好的信息交换 功能。因此电力系统智能装置的 自动测试系统应包括 自 动 化 技 术与 应用 2 0 1 0 年 第2 9 卷 第7 期 f L C 与D C S I C af 1 r ]DCS 四个最主要的功能 用于模拟故障模拟量输出模块、提 供保护装置开人的开入模块、用于检测保护装置动作 接点的开出检测模块和装置信息的解析模块 。电力系 统智能 自动检测系统的基本原理 通过专用设备模拟电 力系统故障状态模拟量输出， 并通过开入模块提供保护 装置的开入量 ， 从而满足保护装置保护动作基本条件 ， 通过解析保护装置的信息和检测保护装置 的动作 出口 触点， 从而完成保护装置的基本功能的检测任务。 3 系统缱成和各模块基本功 能 从电力系统智能装置的 自动检测系统原理的出发 ， 一 个完整的电力系统智能装置的检测系统包括 微机继 电保护测试仪、保护装置的开入模块、保护装置的触点 检测模块和控制计算机模块 。自动检测系统它主要 由 测试控制计算机 、微机继电保护测试仪、可编程控制 器 、被测智能装置构成。 微机继 电保护测试仪接受 自动测试控制平台发出 控制参数及命令类型 ， 向保护装置输出模拟量 ， 完成向 保护装置输 出模拟量完成保护功能的测试 ， 并及时将 测试仪器反馈信息以标准统一格式上报到 自动测试控 制 平 台 。 可编程控制器根据 自动测试控制平台发过来 的命 令 ， 输出开关量信号 ， 实现保护装置硬压板的控制和保 护开关量输出功能， 将基于保护装置继电器开出触点检 测输入的采样数据 ， 上送 自动测试控制平台， 为保护动 作触点判断提供连续有效开入量采样数据 。 测试控制计算机是整个控制系统的核心硬件， 它通 过网络和系统中其他硬件进行信息交互 ， 控制继电保护 测试仪向保护装置输出模拟量， 接收保护装置信息解析 模块上送的保护动作信息并通过其完成对保护装置的 控制 ， 控制可编程控制器输出保护测试的开入量命令 ， 检验 保护 装置 继 电器 开 出触 点动 作 。 微机继电保护测试仪选用北京博电PW3 0 AE， 可 编程控制器选用 G E公司的GE一 9 0 3 0 ， 可编程控制器通 讯模块使用以太网模块 。 4 P L C应臻主要 题及褥决办法 可编程控制器在本系统的任务是完成智能装置的 保护出口继 电器触点或者遥控触点的检测和智能装置 的遥信开入检测 ， 具体到可编程控制器各模块是开入模 块负责检测出口继 电器触点导通和开出模块负责提供 开出完成智能装置的遥信的检测功能。同时为 了交换 信息的需要， 可编程控制器必须配置相对应的通讯模块 以满足可编程控制器和上位机信息交换要求。 在本系统设计时 ，对开入模块 的功能有具体的要 求， 这些要求是和电力系统的智能装置实现的功能是密 切相关， 如触点类型和触点的导通时间等 ， 因此必须分 析智能装置的保护 出口继电器触点和遥控触点检测的 具体要求 ， 并以此为要求进行可编程控制的硬件选择和 内部逻辑回路的设计 ， 充分满足本系统对触点检测的特 殊要求 。可编程控制器的开 出模块逻辑回路的设计也 必须满足本系统的特殊需要。 4 。 l 继电器出口触点检测特殊要求 可编程控制器开入模块负责检测继 电保护 出口继 电器辅助触点的通断情况 ， 并将开入模块数据上送到控 制计算 机 ， 并作 为控 制计算 机 自动检 测成 功标 准之一 。 因此可编程控制器开入模块检测功能的强弱决定本系 统的可靠性和稳定性 。 继电保护装置的出口继电器触点包括四类 保持型 常开接点、保持型常闭节点、瞬动型常开接点和瞬动型 常闭节点。对于保持型出口触点的检测来说 ， 可编程控 制器的开入是满足 自动检测的需要。而对于瞬动型触 点的检测 ， 可编程控制器开入模块检测功能是否满足要 求取决于PLC本身扫描周期 T1和瞬动接通的时间T2 两者 的关系。考虑到可编程控制器由于扫描方式引起 开人延时最长可能达两个扫描周期， 如果保护装置的瞬 动触点的接通时间 T2大于两倍的扫描周期 T l ， 该触点 的状态变化就可以被 P L C开入模块所检测到。 瞬动触点的接通时间取决两个因素 ， 一是装置软件 内部对瞬动继 电器 出口延时整定的时间， 目前各厂家提 供的技术参数来看， 装置软件触点延时的时间一般设置 为 5 0 -1 0 0毫秒， 二是出口继电器本身动作时间和断开时 间参数也会影响瞬动触点 的接通时间。假设瞬动型触 点的接通时间为 l 0 0毫秒， 要求可编程控制器的扫描周 期的时间小于 5 0毫秒， 才能保证可编程控制器的开入模 块的检测功能的有效性 。 可编程控制器的扫描周期和可编程控制器的硬件 参数和用户的程序的大小有密切的关系⋯。因此只要通 过硬件配置和相关技术手册提供的技术参数并结合用 户的 PL C程序指令类型和各指令类型数 目计算出可编 程控制器扫描周期 ， 选择合适可编程控制器模块 ， 保证 可编程控制器扫描周期小于 5 0毫秒， 保护装置的瞬动型 P L C 与D C S PL C a n d 【 CS 触点检测就可以在可编程控制器开入模块来完成。 4 ． 2 上位机数据采样特殊要求的实现 在前 面小 节 中， 讨 论 了可编程 控 制器必 须满 足检 测 保护装置 的四类节点的检测的基本条件 。但前面条件 的符 合 ， 只能保证 P L C开入模块 能够 检测保护装置 动作 触点状态的变化情况。在 自动测试系统设计 中， 可编程 控制器的开入模块仅仅采集触点状态 ， 而完成触点状态 检测标准判断是在控制计算机中完成 ， 如何保证上位机 能够得到完整、连续的基于采样周期为 5 0毫秒可编程 控 制器 开入模块 采样 数据是本 系统必须要 解决 的关 键 问题 。 电力系统智能装置 自动测试系统检测的对象是继 电保护设备 中出口继电器动作情况， 由于继电保护设备 的动作的快速性 ， 部分保护动作时间实现小于 5 0 ms ， 因 此部 分 出 口继 电器触 点状态 在 较短 的时 问会 出现反转 ， 根据系统设计要求， 要求上位机能将保护动作前和保护 动作后出口继电器接点动作情况进行检测处理 ， 并将动 作前后 出口继 电器接点状态作为该系统中继 电器接点 检测判断依据。因此 ， 要通过上位机和可编程控制器通 讯数据交换， 实现采样时间间隔不大于 5 0 mS可编程控 制器 开入 采样 数 据上 送 到上 位机 的 目标 。 目前 ， 上 位机 获得 可编程控 制 器 的开 入 采样数 据是 通过通讯交换信息得到 ， 而提高上位机和 P L C数据信息 交换效率是解决数据采样的实时性的措施之一 ， 但仅仅 依靠提高上位机和 P L C数据交换速度是无法到达采样 数据 周期 5 0 mS指标 要求 ， 即使 上位 机使 用 以太 网介质 能 达到此要 求 ， 也 会 占用上位 机 比较多资 源 。同时 由于 可编程控制器扫描工作方式的特点 ， 通讯模块频繁和上 位机数据交换会影响可编程控制器其他模块功能执行 ， 如影响可编程控制器扫描周期 。 对于 可编程控 制器来 说 ， 在其 内部 实现 5 0 mS采样 周期 的数据 采样是 完全 可 以的实现 的 ， 充 分利用 可编程 控制器中数据转存和逻辑控制功能， 将每 5 0 mS一次采 样数据寄存到连续但不相 同数据缓冲区_ 2 ] 。通过采样周 期时间的整定 ， 结合上位机和可编程控制器通讯协议的 最大数据长度 ， 上位机只需要在给定的时间内进行一次 读 取多次 采样数 据 即可 。上 位机 读取 采样数 据后 ， 根据 P L C采样数据转存的原则和逻辑 ， 将 已接收到采样数据 进 行 采样 时序 的还 原 即可 。 4 。 3 可编程控制器顺序开出的实现 可编程控制器开出模块顺序 开出主要是满足 电力 自动化 技术与应用 2 01 0年第 2 9卷第 7期 系统测控装置的遥信检测要求， 设计具体要求为 ①上 位机下发一次命令 ， 启动顺序开出， P L C接受命令启动 顺序开出逻辑 回路 ， 由可编程控制器本身完成开出模块 开出接点顺序 开出。②在顺序开 出过程不允许同时出 现两个开 出同时接点接通状态 。③顺序开 出执行一次 完毕即可停止开 出。 设计基本思路 在启动命令后 ， 启动维持一个扫描 周期时间的定时 T l脉冲信号回路 ， 同时启动另一个计 时器 T2 T2 T1 。在一个扫描周期脉冲到来时， 由设 定计数器和 目标进行比较 ， 决定开出继 电器序号 ， 开出 执行并保持时间 T 2后 ， 计数器加一和执行复位判断程 序 ， 等待下一个脉冲到来后执行上一过程直到全部执 行完毕。 设 计维 持一个 扫描 周期 时 间的定 时脉冲 信号 ， 定 时 的时间参数为两个开 出之间的时间。一个周期定时脉 冲梯 形 图如 图 1所 示 。通 过 修 改定 时器 类 型和 计 时器 参 数 ， 确保 M l 0 0能够在 T1的时 间后 产生一 个能够 维 持一个扫描周期间的脉冲信号 ， 是一个通用的标准的 定时脉冲信号程序 。M 1 0 3为定时脉冲到来后宽度为 T2脉冲 。 匪 鬣 H 卜_ 量 图 1 定时脉冲信号程序和梯形 图 在定时脉冲到来时 ， 通过数据比较程序 ， 由计数器 R5 0 0当前值和特殊指定值比较进行逻辑判断 ， 决定是否 接通中间继 电器 ， 再 由该 中问继电器决定控制特定的开 出， 并在 自保持回路 中串联一个 M 1 0 3中间继电器触点 状态 ， 以控制 开 出维 持 的时 间。数据 比较驱 动程序 和梯 形 图如 图 2所 示 。 图 2 数据 比较驱动程序和梯形图 执行一次开出后 ， 执行计时器计数和复位程序 ， 本 自 动 化 技 术 与 应 用 2 0 1 0 年 第2 9 卷 第7 期 P L C 与D C S PL C a n d DCS 文中使用 M0 0 4 0 0 一 M0 0 4 0 4分别控制第 1 个到第 5 个开 出的执行 ， 每次执行开出后均进行计数器 自加一 ， 并通 过计数器逻辑回路进行计数器复位。计数器复位后立 刻复位启动线圈， 结束本次顺序开出控制任务执行。计 数器计数和复位梯形图如图 3所示。 M 1 01 UPC TR ％R0 0 4 0 0 Q R W 图 3 计数器计数和复位梯形图 通过以上控制逻辑的设计 ， 实现启动顺序开出功能的 实现， 并实现系统要求一次启动 ， 按照循序开出不重叠。 通过此逻辑的实现 ， 可以简化上位机在进行遥信检测的控 制逻辑， 充分利用可编程控制器开入开出二次编程功能 ， 在不影响可编程控制器性能指标上 ， 减少上位机和可编程 控制器的控制命令的交换， 提高上位机遥信的检测效率。 5 结束语 在本系统设计 中， 充分利用可编程控制器模块化的 组合特点以及其独有开入开出二次逻辑编程的优点， 保 证系统设计功能的实现的同时， 减少系统主控制平 台的 在开入和开出功能检测资源开销， 并带来系统稳定性和 可靠性。可编程控制器独有可编程的特点为其在工业领 域的应用奠定坚实的基础， 随着计算机技术的进一步的 发展 ， 特别可编程控制器的核心模块 C P U运算的速度得 到提高， 通过提高指令的执行速度和扩展其计算功能， 可 编程控制器在工业控制领域的应用会越来越广泛。 参考文献 [ 1 】廖运初主编． 可编程序控制器应用技术【 M】 ． 重庆 重庆 大学出版社 2 0 0 7 ． [ 2 】鹿麟， 符仲恩． 基于P L C的发电机故障录波系统【 J 】 ． 微计 算机信息， 2 0 0 6 ， 3 0 1 6 2 0 0 2 0 2 ． 作者简介 应站煌 1 9 7 5 一 男， 工程师， 主要从事电力系统变 电 站 自动 化 研 究 和 应 用 工 作 。 上接第 5 0页 车， 前轴为单轮单轴 ， 后轴为双轮双轴 ， 加载 1 0 t 标准砝 码，在静态情况下称得汽车前轴重量是 5 6 2 0 k g， 后轴重 量是 1 8 3 4 0 Kg 。表 1 是部分检定数据 ， 数据表明采用优 化算法的动态汽车衡在2 0 k m／ h速度以内整车称重精度 优于1 ％， 达到了较高的准确度水平。 表 1 动态实验数据 故数 速度 1 前轴测量值 k g 前轴误差 ％轴组测重僵 k g 轴组误差 ％整车误差 ％ 1 4 8 5 5 6 4 0 0 3 6 1 8 2 1 0 ’0 7 1 0 4 6 2 5 2 0 5 6 I D 一 01 8 1 8 2 2 0 0 6 5 0 5 4 3 5 5 0 5 6 5 0 0 5 3 1 8 3 9 0 0 2 7 0 3 3 4 9 2 5 5 6 6 0 0 7 1 1 8 4 8 D 0 7 6 D 7 5 5 1 0 4 0 5 6 0 0 0 3 6 1 8 4 0 0 口3 3 n1 7 6 1 l 3 0 5 5 9 0 0 5 3 i 8 3 ∞ 一0 , 7 6 0 21 7 1 4 3 2 5 6 3 0 01 8 1 8 4 5 0 0 6 0 0 5 0 8 1 4 7 0 5 5 6 0 1 0 7 l 8 l 9 0 0 8 2 。0 8 8 9 1 5 8 0 5 6 70 o 8 9 I 8 l 3 0 ‘ 11 5 0 6 7 1 O 2 0 4 0 5 6 8 0 l 8 7 l 8 51 0 0 9 3 0 9 6 1 1 1 9 0 0 5 6 7 0 0 8 9 1 8 1 1 0 1 2 5 。 0 7 5 1 2 2 l 2 0 5 5 70 -0 8 9 1 8 6 0 0 l 4 2 0 8 8 7 结束语 动态汽车衡是公路车辆超 载超限检测和计重收费 的重要技术装备， 但其动态称重精度和稳定性一直是制 约设备广泛应用的重要原因， 本设计采用 FI R滤波优化 算法， 对动态称重信号进行处理 ， 有效地去除了噪声干 扰， 应用该技术后 C w 动态汽车衡的称重精度和稳定性 大幅提高， 取得了非常明显的效果 ， 现已投入批量生产。 参考文献 [ 1 ]程路， 张宏建， 曹向辉 ． 车辆动态称重技术[ J 】 ． 仪器仪表 学报， 2 0 0 6 ， 2 7 8 9 4 3 - 9 4 8 ． [ 2 ]王郑耀． 一种较高精度的公路动态称重系统的算法研究 [ D ] ． 西安 西安交通大学理学院， 2 0 0 4 ． 【 3 】张文会， 韩冰源， 马振江． 车辆动态称重系统误差产生机 理[ J 】 ． 森林工程， 2 0 0 7 ， 2 5 3 2 2 2 4 ． [ 4 ] 日 谷隆嗣著， 王友功译． 数字滤波器与信号处理[ M】 。 北京 科学出版社． 2 0 0 3 ． [ 5 ]王冬霞， 钟文华， 周航慈． 基于ARM的F I R数字滤波器 的软件实现[ J ] ． 电子元器件应用， 2 0 0 8 ， 1 0 5 6 1 - 6 3 ． 【 6 ]杜春雷． ARM体系结构与编程[ M】 ． 北京 清华大学出版 社 ， 2 0 0 3 ． 【 7 ]马明建． 数据采集与处理技术【 M】 ． 西安 西安交通大学 出版社 ， 2 0 0 5 ． [ 8 ]龚纯，王正林 ． 精通MAT L A B最优化计算[ M】 ． 北京 电 子工业 出版社 ， 2 0 0 9 ． 作者简介樊旺日 1 9 6 5 一 ， 男， 工程师， 主要从事工业 自 动 化 仪 表 和 动 态 称 重 设 备 的 研 究 与 开 发 。