可編程控制器在火炮電氣管理系統(tǒng)上的應(yīng)用＊

馬福民

（海軍裝備部重慶局 成都 610110)

1 引言

可編程控制器（PLC)［1］是以微處理器為核心，綜合了計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和通信技術(shù)而發(fā)展起來的一種通用工業(yè)自動(dòng)控制裝置。它具有控制功能強(qiáng)、可靠性高、使用靈活方便、易于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，在交通、化工、國防、電力等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。

傳統(tǒng)火炮電氣管理系統(tǒng)通常采用繼電器邏輯控制電路來實(shí)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)龐大，控制方式復(fù)雜，現(xiàn)場調(diào)試?yán)щy，接口聯(lián)調(diào)性差，抗干擾能力差，并且自身不具有通信能力，與數(shù)字化指揮控制系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。而采用可編程控制器作為電氣管理系統(tǒng)的核心控制單元，則可以利用其內(nèi)置的標(biāo)準(zhǔn)通信接口實(shí)現(xiàn)與其它設(shè)備的數(shù)據(jù)交換，能對火炮各種工作方式的信息流向進(jìn)行自動(dòng)管理，提高了系統(tǒng)的反應(yīng)速度，并且整個(gè)系統(tǒng)調(diào)試維護(hù)容易，可靠性高，抗干擾能力強(qiáng)。

2 火炮電氣管理系統(tǒng)控制要求

某型火炮電氣管理系統(tǒng)原理框圖如圖1所示，開關(guān)1、開關(guān)2和按鈕1、按鈕2的信號輸入至電氣管理系統(tǒng)，根據(jù)功能要求輸出信號控制電磁閥1、電磁閥2和電磁鐵以實(shí)現(xiàn)相應(yīng)控制功能。

圖1中虛線框內(nèi)所示為電氣管理系統(tǒng)的核心控制部分，由CPU、輸入輸出變換、輸出驅(qū)動(dòng)放大、DC/DC電源變換等組成。

某型火炮電氣管理系統(tǒng)控制要求是［2］：當(dāng)開關(guān)1接通時(shí)，電磁閥1通電約1s后關(guān)閉；當(dāng)按鈕1接通時(shí)，電磁閥2通電直至開關(guān)1斷開；當(dāng)按鈕2接通時(shí)，電磁鐵通電約0.8s后斷電；當(dāng)開關(guān)1或者開關(guān)2接通時(shí)，無論按鈕2是否接通，電磁鐵都不能通電；按鈕2在一分鐘內(nèi)接通次數(shù)超過6次后，電磁鐵鎖定在斷電狀態(tài)，直到系統(tǒng)復(fù)位。

圖1 火炮電氣管理系統(tǒng)原理框圖

3 火炮電氣管理系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)

火炮電氣管理系統(tǒng)中各種開關(guān)信號和按鈕信號經(jīng)過信號變換后輸入給CPU，經(jīng)過程序處理、信號變換、信號驅(qū)動(dòng)放大后，輸出信號控制各個(gè)繼電器線圈，從而控制各個(gè)電磁閥和電磁鐵的接通與斷開，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能。由于該部分電路組成比較復(fù)雜，火炮工作環(huán)境條件惡劣，要求電路具有很強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力和極高的工作可靠性，因此，該電路功能就由可編程控制器（PLC)來實(shí)現(xiàn)。PLC［1］采用了微電子技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)和新的制造工藝，將信號輸入輸出變換、信號隔離、信號處理、信號驅(qū)動(dòng)等集成在一起，并采取了有效的屏蔽、濾波、隔離等抗干擾措施，特別適合在惡劣的工作環(huán)境中要求具有極高安全性和可靠性的控制過程。而且連接上，只需要將輸入信號的設(shè)備與PLC輸入端子相連，將輸出信號執(zhí)行控制任務(wù)的執(zhí)行器件（如：繼電器)與PLC輸出端子連接，具有接線簡單、使用維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。因而，火炮電氣管理系統(tǒng)組成框圖可如圖2所示。

圖2 火炮電氣管理系統(tǒng)組成框圖

可編程控制器機(jī)型的選擇主要是要求在功能上滿足需要，并且充分利用系統(tǒng)資源。首先要對被控制系統(tǒng)進(jìn)行初步估計(jì)，比如有多少開關(guān)量輸入輸出；輸入輸出電壓是多少；輸出功率是多少；有多少模擬量輸入輸出；現(xiàn)場對控制器響應(yīng)速度有何要求等。在功能滿足要求的前提下，選擇最可靠、維護(hù)使用最方便以及性能價(jià)格最優(yōu)的機(jī)型。

PLC與被控制機(jī)構(gòu)的聯(lián)系是通過I/O接口來實(shí)現(xiàn)的［3］，PLC有許多I/O接口模塊，包括開關(guān)量輸入輸出模塊、模擬量輸入輸出模塊以及其他一些特殊模塊，使用時(shí)應(yīng)根據(jù)具體的特點(diǎn)進(jìn)行選擇，根據(jù)不同的控制對象選擇相應(yīng)數(shù)量的I/O點(diǎn)數(shù)，再增加10%～20%的備用量，以便功能擴(kuò)展。

對某型火炮，我們選用了市場上應(yīng)用非常廣泛的西門子S7－200系列PLC［4］，該系列PLC主機(jī)采用了整體式結(jié)構(gòu)，體積較小，而且可以通過擴(kuò)展端口來增減輸入/輸出的數(shù)量，也可以通過擴(kuò)展其他模塊的方式來實(shí)現(xiàn)不同的控制功能，具有良好的系統(tǒng)升級性能。根據(jù)控制功能要求，選擇該系列中的CPU222主機(jī)［4］，它包括一個(gè)中央處理器CPU、8個(gè)數(shù)字輸入點(diǎn)、6個(gè)數(shù)字輸出點(diǎn)、一個(gè)RS－485通信/編程口以及電源模塊。

CPU222主機(jī)輸出端口額定電流小于1A，而電磁鐵線圈、電磁閥工作電流都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其額定電流，因此需要選用一個(gè)繼電器作為執(zhí)行部件來控制電磁鐵和電磁閥線圈，如圖2中的繼電器JK1、JK2、JK3。指示燈 HL1和指示燈HL2作為工作狀態(tài)指示，電流很小，PLC可以直接驅(qū)動(dòng)點(diǎn)亮。為了保證PLC的運(yùn)行安全，必要時(shí)需加入電源保護(hù)、輸出點(diǎn)保護(hù)等外加保護(hù)電路，避免PLC的異常損壞。整個(gè)裝置結(jié)構(gòu)簡單，部件數(shù)量少，各個(gè)部件之間接線簡單，易于安裝與維護(hù)。

4 可編程控制器的程序編制

根據(jù)控制對象的控制任務(wù)就可以進(jìn)行控制系統(tǒng)的流程設(shè)計(jì)，畫出控制系統(tǒng)的流程圖，進(jìn)一步明確各個(gè)控制信息之間的關(guān)系，然后進(jìn)行PLC程序編制和調(diào)試。

S7－200系列可編程控制器采用梯形圖LAD或者語句表STL來完成程序編制。在程序編制中除完成規(guī)定的各項(xiàng)開關(guān)動(dòng)作、控制和保護(hù)功能外，為了保證整個(gè)電氣系統(tǒng)運(yùn)行的安全、可靠，除了依靠PLC自身的監(jiān)控電路設(shè)計(jì)和系統(tǒng)硬件電路防錯(cuò)設(shè)計(jì)外，還必須從軟件上設(shè)計(jì)各種防干擾、防誤擊發(fā)的措施。

圖2中開關(guān)S1、開關(guān)S2、按鈕SB1和按鈕SB2各個(gè)輸入信號必須提高其輸入可靠性。由于電磁干擾、信號誤差等因素的影響，會(huì)引起輸入信號的錯(cuò)誤，造成程序判斷失誤引起事故，例如按鈕的抖動(dòng)、繼電器觸點(diǎn)的瞬間跳動(dòng)都可能引起系統(tǒng)誤動(dòng)作，因此必須設(shè)計(jì)軟件延時(shí)和重復(fù)采樣程序消除按鈕抖動(dòng)，以防止各種干擾信號對控制系統(tǒng)的誤觸發(fā)，保證系統(tǒng)的安全可靠。同時(shí)，為了防止系統(tǒng)死機(jī)，造成程序混亂導(dǎo)致安全事故，程序編制中必須加入WDT看門狗程序，保證系統(tǒng)死機(jī)時(shí)，控制器程序能夠輸出信號關(guān)閉各個(gè)電磁閥和電磁鐵，保證系統(tǒng)安全可靠。

5 可編程控制器的抗干擾措施

可編程控制器盡管在設(shè)計(jì)制造時(shí)已采取了許多抗干擾措施，使其能夠適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境，但為了確保整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，還是應(yīng)當(dāng)采取其他必要的抗干擾措施。

可編程控制器系統(tǒng)干擾的主要來源包括［3］：電源的干擾；信號線引入的干擾；接地系統(tǒng)的干擾。

針對這些干擾可以給可編程控制器單獨(dú)設(shè)計(jì)電源系統(tǒng)，增加電源濾波器，采取良好的接地措施；并且對可編程控制器的電源線和信號線分別配線，對I/O線和大電流線分別排列捆扎，信號線盡量采用屏蔽線或者雙絞線；同時(shí)需要正確選擇接地點(diǎn)，完善接地系統(tǒng)，根據(jù)具體情況選擇單點(diǎn)接地或者多點(diǎn)接地。

6 結(jié)語

采用可編程控制器為核心的火炮電氣管理系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)所需的控制功能，而且可以利用其強(qiáng)大的通信能力，通過對復(fù)雜的火控信號和供輸彈信息進(jìn)行管理，使火控系統(tǒng)的彈道解算、操瞄解算與供輸彈的自動(dòng)裝填同步進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)火炮的自動(dòng)復(fù)瞄，提高其射擊精度和射擊速度，極大地提高了火炮的綜合性能。

采用可編程控制器的火炮電氣管理系統(tǒng)有效地實(shí)現(xiàn)了火炮各項(xiàng)控制功能，完善了硬件的分配和軟件的優(yōu)化，簡化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高了控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性，并具有外圍器件簡單，使用維護(hù)方便，可擴(kuò)展功能強(qiáng)等特點(diǎn)，從而使整個(gè)火炮系統(tǒng)的研制和生產(chǎn)得到更大發(fā)展。

［1］于廣慶.可編程控制器原理及系統(tǒng)設(shè)計(jì)［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2004：5659.

［2］某型火炮培訓(xùn)教材［Z］.成都：國營167廠，2010.

［3］張萬忠.可編程控制器應(yīng)用技術(shù)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001：77.

［4］謝麗萍，王占富.西門子S7200PLC快速入門與實(shí)踐［M］.北京：人民郵電出版社，2010：158.