可編程控制器在火炮電氣管理系統上的應用＊

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，綜合了計算機技術、自動控制技術和通信技術而發展起來的一種通用工業自動控制裝置。它具有控制功能強、可靠性高、使用靈活方便、易于擴展等優點，在交通、化工、國防、電力等領域獲得了廣泛的應用。

傳統火炮電氣管理系統通常采用繼電器邏輯控制電路來實現，結構龐大，控制方式復雜，現場調試困難，接口聯調性差，抗干擾能力差，并且自身不具有通信能力，與數字化指揮控制系統難以實現數據交換。而采用可編程控制器作為電氣管理系統的核心控制單元，則可以利用其內置的標準通信接口實現與其它設備的數據交換，能對火炮各種工作方式的信息流向進行自動管理，提高了系統的反應速度，并且整個系統調試維護容易，可靠性高，抗干擾能力強。

2 火炮電氣管理系統控制要求

某型火炮電氣管理系統原理框圖如圖1所示，開關1、開關2和按鈕1、按鈕2的信號輸入至電氣管理系統，根據功能要求輸出信號控制電磁閥1、電磁閥2和電磁鐵以實現相應控制功能。

圖1中虛線框內所示為電氣管理系統的核心控制部分，由CPU、輸入輸出變換、輸出驅動放大、DC/DC電源變換等組成。

某型火炮電氣管理系統控制要求是［2］：當開關1接通時，電磁閥1通電約1s后關閉；當按鈕1接通時，電磁閥2通電直至開關1斷開；當按鈕2接通時，電磁鐵通電約0.8s后斷電；當開關1或者開關2接通時，無論按鈕2是否接通，電磁鐵都不能通電；按鈕2在一分鐘內接通次數超過6次后，電磁鐵鎖定在斷電狀態，直到系統復位。

圖1 火炮電氣管理系統原理框圖

3 火炮電氣管理系統分析與設計

火炮電氣管理系統中各種開關信號和按鈕信號經過信號變換后輸入給CPU，經過程序處理、信號變換、信號驅動放大后，輸出信號控制各個繼電器線圈，從而控制各個電磁閥和電磁鐵的接通與斷開，實現相應功能。由于該部分電路組成比較復雜，火炮工作環境條件惡劣，要求電路具有很強的環境適應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)來實現。PLC［1］采用了微電子技術、半導體技術和新的制造工藝，將信號輸入輸出變換、信號隔離、信號處理、信號驅動等集成在一起，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備與PLC輸入端子相連，將輸出信號執行控制任務的執行器件（如：繼電器)與PLC輸出端子連接，具有接線簡單、使用維護方便等優點。因而，火炮電氣管理系統組成框圖可如圖2所示。

圖2 火炮電氣管理系統組成框圖

可編程控制器機型的選擇主要是要求在功能上滿足需要，并且充分利用系統資源。首先要對被控制系統進行初步估計，比如有多少開關量輸入輸出；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；現場對控制器響應速度有何要求等。在功能滿足要求的前提下，選擇最可靠、維護使用最方便以及性能價格最優的機型。

PLC與被控制機構的聯系是通過I/O接口來實現的［3］，PLC有許多I/O接口模塊，包括開關量輸入輸出模塊、模擬量輸入輸出模塊以及其他一些特殊模塊，使用時應根據具體的特點進行選擇，根據不同的控制對象選擇相應數量的I/O點數，再增加10%～20%的備用量，以便功能擴展。

對某型火炮，我們選用了市場上應用非常廣泛的西門子S7－200系列PLC［4］，該系列PLC主機采用了整體式結構，體積較小，而且可以通過擴展端口來增減輸入/輸出的數量，也可以通過擴展其他模塊的方式來實現不同的控制功能，具有良好的系統升級性能。根據控制功能要求，選擇該系列中的CPU222主機［4］，它包括一個中央處理器CPU、8個數字輸入點、6個數字輸出點、一個RS－485通信/編程口以及電源模塊。

CPU222主機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遠超過其額定電流，因此需要選用一個繼電器作為執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作為工作狀態指示，電流很小，PLC可以直接驅動點亮。為了保證PLC的運行安全，必要時需加入電源保護、輸出點保護等外加保護電路，避免PLC的異常損壞。整個裝置結構簡單，部件數量少，各個部件之間接線簡單，易于安裝與維護。

4 可編程控制器的程序編制

根據控制對象的控制任務就可以進行控制系統的流程設計，畫出控制系統的流程圖，進一步明確各個控制信息之間的關系，然后進行PLC程序編制和調試。

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定的各項開關動作、控制和保護功能外，為了保證整個電氣系統運行的安全、可靠，除了依靠PLC自身的監控電路設計和系統硬件電路防錯設計外，還必須從軟件上設計各種防干擾、防誤擊發的措施。

圖2中開關S1、開關S2、按鈕SB1和按鈕SB2各個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，會引起輸入信號的錯誤，造成程序判斷失誤引起事故，例如按鈕的抖動、繼電器觸點的瞬間跳動都可能引起系統誤動作，因此必須設計軟件延時和重復采樣程序消除按鈕抖動，以防止各種干擾信號對控制系統的誤觸發，保證系統的安全可靠。同時，為了防止系統死機，造成程序混亂導致安全事故，程序編制中必須加入WDT看門狗程序，保證系統死機時，控制器程序能夠輸出信號關閉各個電磁閥和電磁鐵，保證系統安全可靠。

5 可編程控制器的抗干擾措施

可編程控制器盡管在設計制造時已采取了許多抗干擾措施，使其能夠適應惡劣的工作環境，但為了確保整個系統穩定可靠，還是應當采取其他必要的抗干擾措施。

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

針對這些干擾可以給可編程控制器單獨設計電源系統，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；同時需要正確選擇接地點，完善接地系統，根據具體情況選擇單點接地或者多點接地。

6 結語

采用可編程控制器為核心的火炮電氣管理系統不僅可以實現所需的控制功能，而且可以利用其強大的通信能力，通過對復雜的火控信號和供輸彈信息進行管理，使火控系統的彈道解算、操瞄解算與供輸彈的自動裝填同步進行，實現火炮的自動復瞄，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有效地實現了火炮各項控制功能，完善了硬件的分配和軟件的優化，簡化了系統設計，提高了控制系統的穩定性與可靠性，并具有外圍器件簡單，使用維護方便，可擴展功能強等特點，從而使整個火炮系統的研制和生產得到更大發展。

［1］于廣慶.可編程控制器原理及系統設計［M］.北京：清華大學出版社，2004：5659.

［2］某型火炮培訓教材［Z］.成都：國營167廠，2010.

［3］張萬忠.可編程控制器應用技術［M］.北京：化學工業出版社，2001：77.

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