基于PLC的地面能源遠(yuǎn)程控制方案

王 靜，盛文巍，劉睿智，翟 宇，郭 軍

(1.北京精密機(jī)電控制設(shè)備研究所, 北京 100076；2.北京航天測控技術(shù)有限公司，北京 100041)

基于PLC的地面能源遠(yuǎn)程控制方案

王 靜1，盛文巍1，劉睿智1，翟 宇2，郭 軍1

(1.北京精密機(jī)電控制設(shè)備研究所, 北京 100076；2.北京航天測控技術(shù)有限公司，北京 100041)

傳統(tǒng)伺服地面能源系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制主要通過模擬量來實(shí)現(xiàn)，其自動化程度低、抗干擾能力差;為了解決以上問題，提出了一種基于PLC的地面能源遠(yuǎn)程控制方案，其分別采用了基于Profibus現(xiàn)場總線的分布式PLC控制技術(shù)、基于高壓輸出反饋的閉環(huán)控制技術(shù)、OPC Server與PLC遠(yuǎn)程通訊技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了伺服地面能源系統(tǒng)的遠(yuǎn)程自動化控制功能，用基于虛擬儀器技術(shù)的人機(jī)交互界面取代模擬器件，用基于MODBUS協(xié)議的數(shù)字式網(wǎng)絡(luò)傳感器取代模擬傳感器，實(shí)現(xiàn)了伺服地面能源系統(tǒng)數(shù)字化，提高了伺服地面能源系統(tǒng)的抗干擾能力。

遠(yuǎn)程控制；現(xiàn)場總線；PLC

0 引言

在航天以往的型號中，伺服地面能源系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制方式主要采用模擬器件和繼電器電路，分別需要測試儀配套能源遠(yuǎn)控箱、控制分系統(tǒng)配套模擬能源遠(yuǎn)控儀兩套設(shè)備，模擬器件在使用過程中容易損壞，造成設(shè)備故障。運(yùn)行參數(shù)的調(diào)節(jié)均靠模擬量完成，抗干擾能力差。現(xiàn)場設(shè)備間通過模擬信號電纜連接，操作復(fù)雜，不利于調(diào)試、維護(hù)和排故。本文提出一種基于PLC的地面能源遠(yuǎn)程控制技術(shù)方案，以實(shí)現(xiàn)伺服地面能源系統(tǒng)的數(shù)字化控制為基本原則，采用高實(shí)時性、高可靠性、高穩(wěn)定性的OPC技術(shù)與PLC進(jìn)行通訊，同時減少了地面設(shè)備數(shù)量、簡化了使用方法、提高了設(shè)備的可靠性。地面能源遠(yuǎn)程控制方案設(shè)計中選用了以西門子S7-300系列PLC為硬件支撐，以工業(yè)以太網(wǎng)通訊層、Profibus現(xiàn)場總線[1]層以及儀器儀表通訊層三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案，該方案采用數(shù)字控制方式，融合了基于虛擬儀器技術(shù)的人機(jī)界面、數(shù)字式網(wǎng)絡(luò)傳感器、基于高壓輸出反饋的閉環(huán)控制、OPC Server通訊等多種新技術(shù)，完成伺服地面能源系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制。

1 技術(shù)難點(diǎn)

基于PLC的地面能源遠(yuǎn)程控制方案需要解決如下技術(shù)難點(diǎn)。

由于地面模擬能源屬于大功率設(shè)備，可達(dá)到40 kW，在啟動時產(chǎn)生電磁波對能源控制線路可造成嚴(yán)重影響，出現(xiàn)亂碼、誤碼現(xiàn)象，為解決此問題采用高可靠性電磁兼容設(shè)計方案，采用了基于MODBUS協(xié)議的數(shù)字式網(wǎng)絡(luò)傳感器，傳感器回采使用數(shù)字化傳輸方式，抗干擾能力強(qiáng)，同時采取優(yōu)化485網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，485接收器電路設(shè)置失效保護(hù)電路，信號電纜及動力電纜屏蔽合理接地，增強(qiáng)軟件強(qiáng)壯性設(shè)計等多種措施保證系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

由于控制系統(tǒng)軟件基于VxWorks實(shí)時操作系統(tǒng)完成，控制系統(tǒng)與模擬能源控制箱的上層以太網(wǎng)通訊存在著不兼容問題，因此需要在模擬能源控制箱與控制系統(tǒng)之間采用指令解析的方式突破操作系統(tǒng)障礙，解決不同操作系統(tǒng)間指令不兼容問題，完成伺服系統(tǒng)能源系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制。

在能源系統(tǒng)自動化控制模式F，如何能在能源狀態(tài)異常的情況下自動保障設(shè)備和操作人員的安全是急需解決的問題。因此方案中引入了分級故障白動檢測處理模式，可根據(jù)不同程度的故障采取不同的強(qiáng)制措施，從按正常流程停止并限值操作到緊急停止整套地面能源系統(tǒng)，并通過鮮明警示色、閃爍等手段通知操作者，有效地保障了設(shè)備和操作人員的安全。

2 系統(tǒng)硬件組態(tài)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用三層分布式結(jié)構(gòu)[2-3]，包括以太網(wǎng)通訊層、Profibus-DP現(xiàn)場總線層、儀器儀表通訊層。方案硬件組態(tài)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 硬件組態(tài)結(jié)構(gòu)圖

2.1 以太網(wǎng)通訊層

在以太網(wǎng)通訊層，通過能源遠(yuǎn)控解析機(jī)與控制系統(tǒng)中心機(jī)進(jìn)行通信協(xié)議解析及數(shù)據(jù)交互，I II III級模擬能源控制箱通過以太網(wǎng)交換機(jī)與能源遠(yuǎn)控解析機(jī)通訊，控制系統(tǒng)軟件通過自定義UDP協(xié)議與能源遠(yuǎn)控解析機(jī)通訊，能源遠(yuǎn)控解析機(jī)采用寬溫加固結(jié)構(gòu)，擔(dān)任現(xiàn)場設(shè)備層的DMZ(網(wǎng)絡(luò)隔離)主機(jī)的角色，負(fù)責(zé)將現(xiàn)場設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)與管理層網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行隔離，保證了網(wǎng)絡(luò)中的非法數(shù)據(jù)不會影響到另一個網(wǎng)絡(luò)。能源遠(yuǎn)控解析機(jī)完成OPC Server和IE General兩個底層的驅(qū)動組態(tài)，自開發(fā)程序完成指令的格式轉(zhuǎn)化和對應(yīng)數(shù)據(jù)庫封裝，轉(zhuǎn)換完的指令通過OPC Server對Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)中的DP主、從站進(jìn)行數(shù)據(jù)讀、寫。

2.2 Profibus-DP現(xiàn)場總線層

在Profibus-DP現(xiàn)場總線層，以模擬能源控制箱DP主站、變頻電源ET-200M從站、變頻電源主變頻器DP從站、變頻電源輔變頻器DP從站、模擬能源柜ET-200M從站組成分布式網(wǎng)絡(luò)，各站點(diǎn)設(shè)備間使用Profibus總線連接，模擬能源控制箱內(nèi)的主控PLC通過總線控制變頻電源和模擬能源柜中的分布式I/O模塊、數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)傳感器、主輔變頻器和模擬量輸出模塊，實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字化、雙向高速的現(xiàn)場設(shè)備分散控制與集中管理。

2.3 儀器儀表通訊層

在儀器儀表通訊層，采用RS485網(wǎng)絡(luò)完成PLC從站與數(shù)字傳感器之間的指令發(fā)送、信號采集。

在大功率交流電機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生的強(qiáng)電磁干擾干擾環(huán)境下，為保證系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性，在485接收器電路設(shè)置失效保護(hù)電路。

3 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

以圖1為硬件支撐，軟件系統(tǒng)主要包括觸摸屏HMI軟件、主控PLC軟件以及能源控遠(yuǎn)軟件。

3.1 觸摸屏HMI軟件

觸摸屏HMI軟件用于地面能源系統(tǒng)狀態(tài)參數(shù)顯示、控制參數(shù)的編輯和保存、人機(jī)交互指令的操作等功能，不參與地面能源的閉環(huán)控制。

此外，HMI軟件增加了能源柜傳感器編號設(shè)置界面和能源控制參數(shù)設(shè)置界面，負(fù)責(zé)設(shè)置和保存能源柜數(shù)字式傳感器編號和閉環(huán)控制參數(shù)，使得參數(shù)可以通過交互界面輸入，不必重新燒寫程序即可改變能源系統(tǒng)的警告界限和響應(yīng)特性。

觸摸屏HMI軟件通過MPI總線與主控PLC通訊，從PLC中獲取需要監(jiān)視的工作參數(shù)，以虛擬表頭的形式顯示在主控界面上，并對工作參數(shù)進(jìn)行實(shí)時判讀，當(dāng)超出限值時以鮮明警示色、閃爍等方式提醒操作人員，使得操作人員不必始終高度集中注意力進(jìn)行能源系統(tǒng)工作狀態(tài)判斷，降低了操作人員的工作強(qiáng)度，減少了因誤判導(dǎo)致的故障。

3.2 主控PLC軟件

PLC作為一種工業(yè)控制計算機(jī)在工業(yè)自動化領(lǐng)域得到了廣泛的運(yùn)用, 其特點(diǎn)是抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高、體積小[4-7]。本文將主控PLC軟件用于地面能源的閉環(huán)控制，共分為4種控制模式：自檢開環(huán)控制、手動高壓壓力閉環(huán)控制、自動高壓壓力閉環(huán)控制、自動含氣量檢測及補(bǔ)油低壓閉環(huán)控制，通過觸摸屏HMI軟件界面上的轉(zhuǎn)換按鈕進(jìn)行狀態(tài)位切換。

主控PLC軟件功能模塊劃分為3類：常駐模塊、條件執(zhí)行模塊及閉環(huán)控制模塊，模塊關(guān)系如圖2所示。

圖2 PLC主控程序模塊關(guān)系圖

3.2.1 常駐模塊

常駐模塊在PLC每個掃描周期均執(zhí)行，包括：模擬量輸入AI、模擬量輸出AO、數(shù)字量輸入DI、數(shù)字量輸出DO、變頻器狀態(tài)掃描、狀態(tài)機(jī)切換、MODBUS RTU和MODBUS ASCII等8個組件，其中前6個在1個PLC掃描周期內(nèi)按調(diào)用順序完成，MODBUS RTU和MODBUS ASCII在多個掃描周期內(nèi)完成。

MODBUS ASCII協(xié)議通訊模塊通過能源柜從站內(nèi)的CP341串口通訊模塊采用輪詢方式對6路數(shù)字傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，設(shè)定超時時間70ms的定時器，收到傳感器數(shù)據(jù)并完成校對解析后在下一個PLC掃描周期開啟新的輪詢，校對解析失敗或定時器超時則認(rèn)為串口通訊伙伴丟失。

3.2.2 條件執(zhí)行模塊

多個PLC掃描周期內(nèi)，條件執(zhí)行模塊在特定輸入條件的觸發(fā)下執(zhí)行，包括自動啟/停模塊、自動含氣量檢測及補(bǔ)油模塊、保護(hù)停機(jī)條件判定，切換有窮自動狀態(tài)機(jī)的狀態(tài)，由常駐模塊和閉環(huán)模塊輸出控制指令，從而實(shí)現(xiàn)自動流程控制。

其中，保護(hù)停機(jī)條件判定模塊負(fù)責(zé)根據(jù)能源柜傳感器和變頻器狀態(tài)判定是否進(jìn)行保護(hù)性停機(jī)，保護(hù)停機(jī)分為以下兩類：

強(qiáng)制停機(jī)：保持以下條件{油溫傳感器丟失或油溫超限或液位傳感器報警}10S后進(jìn)入強(qiáng)制停機(jī)狀態(tài)，按有窮自動狀態(tài)機(jī)順序切換狀態(tài)停機(jī)，同時禁止主變頻器的再次啟動。

緊急停機(jī)：觸發(fā)以下條件{兩個高壓傳感器同時丟失或主變頻器運(yùn)行過程中輔變頻器異常或急停開關(guān)觸發(fā)}時按最快速度斷開高壓輸出，停止主輔變頻器，同時禁止主輔變頻器的再次啟動。

上述停機(jī)模式中傳感器丟失的判讀條件為連續(xù)5次與該傳感器的通訊出現(xiàn)超時或校對解碼錯誤。

3.2.3 閉環(huán)控制模塊

閉環(huán)控制模塊分為500 ms周期的高壓壓力閉環(huán)和700 ms周期的低壓壓力閉環(huán)。

高壓壓力閉環(huán)通過MODBUS ASCII組件輪詢采集到的高壓壓力作為當(dāng)前壓力反饋，按照閉環(huán)運(yùn)算公式進(jìn)行運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果通過AO模塊輸出以控制比例溢流閥控制電流。

低壓壓力閉環(huán)通過變頻器狀態(tài)掃描組件采集到的輔機(jī)頻率值，作為當(dāng)前頻率反饋，按照閉環(huán)運(yùn)算公式進(jìn)行運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果通過總線傳送至輔變頻器。

3.3 能源控遠(yuǎn)解析軟件

能源遠(yuǎn)控解析軟件功能模塊劃分為2類：上位機(jī)通訊模塊和下位機(jī)通訊模塊。

3.3.1 上位機(jī)通訊模塊

控制系統(tǒng)軟件基于Vxworks操作系統(tǒng)，能源遠(yuǎn)控解析軟件基于Windows操作系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)Vxworks操作系統(tǒng)與Windows操作系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊，上位機(jī)通訊模塊采用UDP協(xié)議與控制系統(tǒng)軟件通訊，數(shù)據(jù)包為字節(jié)類型。UDP協(xié)議將網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)留壓縮成數(shù)據(jù)包形式，提供面向無連接的數(shù)據(jù)報投遞服務(wù)。控制系統(tǒng)軟件通過UDP接受命令后發(fā)送確認(rèn)接收字回傳控制系統(tǒng)軟件。此模塊具有指令校驗(yàn)功能(包括指令長度和指令內(nèi)容)，在控制系統(tǒng)軟件與上位機(jī)通訊模塊通訊協(xié)議末尾設(shè)置2個字節(jié)16位CRC(循環(huán)冗余校驗(yàn)碼)校驗(yàn)，校驗(yàn)多項(xiàng)式為X16+X12+X5+1。

3.3.2 下位機(jī)通訊模塊

下位機(jī)通訊模塊采用最新的通過ETHERNET建立OPC服務(wù)器與S7 PLC的S7連接技術(shù)對模擬能源控制箱進(jìn)行控制。OPC (用于過程控制的OLE) 是一個標(biāo)準(zhǔn)的，建立在OLE規(guī)范之上，與開發(fā)商無關(guān)的軟件接口，它為工業(yè)控制領(lǐng)域提供了一種標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)訪問機(jī)制。OPC規(guī)范包括OPC服務(wù)器和OPC客戶端兩部分，其實(shí)質(zhì)是在硬件供應(yīng)商和軟件開發(fā)商之間建立了一套完整的“規(guī)則”，只耍遵循這套規(guī)則，數(shù)據(jù)交互對兩者來說是透明的。在工控通信方面，OPC技術(shù)具有很高的實(shí)時性、可靠性、穩(wěn)定性。S7通訊是SIMATIC S7 PLC之間的最佳化通訊協(xié)議，它允許用戶通過S7協(xié)議連接PC和工作站，可以被工業(yè)以太網(wǎng)支持，是西門子公司開發(fā)的基于應(yīng)用層的一個協(xié)議。S7通訊提供了簡明、強(qiáng)有力的通訊服務(wù)和與網(wǎng)絡(luò)無關(guān)的用戶接口，用于工業(yè)以太網(wǎng)、PROFIBUS、MPI。

下位機(jī)通訊模塊將已經(jīng)解析的命令發(fā)送給模擬能源控制箱，同時將實(shí)現(xiàn)該命令的參數(shù)一并寫入模擬能源控制箱中，進(jìn)而模擬能源控制箱控制地面模擬能源的啟停、含氣量檢查及補(bǔ)油等。采用訂閱方式讀取模擬能源控制箱數(shù)據(jù)塊中關(guān)于能源狀態(tài)的數(shù)據(jù)，OPC服務(wù)器的Group組在組內(nèi)有數(shù)據(jù)變化時，自動根據(jù)更新周期刷新相應(yīng)的客戶端數(shù)據(jù)，若能源狀態(tài)參數(shù)異常，上位機(jī)能夠及時處理異常。同時設(shè)置開關(guān)量即需要寫入能源模擬內(nèi)的參數(shù)全部寫入成功后發(fā)送PLC運(yùn)行的開關(guān)量，有效防止了全部參數(shù)未全部寫入之前模擬能源控制箱就開始控制能源而導(dǎo)致能源控制失敗的錯誤。

能源控遠(yuǎn)軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示，具體流程如下：

圖3 能源控遠(yuǎn)軟件結(jié)構(gòu)圖

1)控制系統(tǒng)通過UDP協(xié)議發(fā)送指令至能源遠(yuǎn)控解析機(jī)。

2)能源遠(yuǎn)控解析機(jī)收到指令后發(fā)送確認(rèn)消息并將指令通過OPC協(xié)議轉(zhuǎn)發(fā)至控制箱。

3)控制箱通過Profibus - DP總線發(fā)送控制指令控制地面能源啟/停等動作。

4)地面模擬能源狀態(tài)數(shù)據(jù)從地面模擬能源依次通過控制箱、能源遠(yuǎn)控解析機(jī)傳遞給控制系統(tǒng)。

4 技術(shù)實(shí)現(xiàn)與分析

1)采用分布式Profibus現(xiàn)場控制方式，替代模擬信號電纜，只需一根Profibus總線電纜即可完成所有現(xiàn)場設(shè)備間的通訊，減少了現(xiàn)場設(shè)備間的電纜數(shù)量，簡化了設(shè)備展開的操作流程，使得整套地面能源系統(tǒng)便于拆卸，維護(hù)。同時，數(shù)字化傳輸?shù)目垢蓴_能力更強(qiáng)，有效增強(qiáng)了現(xiàn)場設(shè)備工作的穩(wěn)定性。

2)采用高實(shí)時性、高可靠性、高穩(wěn)定性的OPC技術(shù)與PLC進(jìn)行通訊，并通過ETHERNET建立OPC服務(wù)器與PLC的S7連接，實(shí)現(xiàn)了對Profibus-DP網(wǎng)絡(luò)中的DP主、從站進(jìn)行數(shù)據(jù)讀、寫,以訂閱方式實(shí)時上傳PLC數(shù)據(jù)塊中能源狀態(tài)的信息變化，實(shí)現(xiàn)精確控制能源系統(tǒng)。

3)采用了基于MODBUS協(xié)議的數(shù)字式網(wǎng)絡(luò)傳感器，傳感器回采使用數(shù)字化傳輸方式增強(qiáng)抗干擾能力，使得PLC無需濾波即可直接使用，有效降低了PLC的負(fù)載，增強(qiáng)了模擬能源控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4) 采用基于虛擬儀器技術(shù)的人機(jī)交互界面取代模擬器件。將所有需要監(jiān)視的參量直接通過虛擬儀器界面顯示，開關(guān)量的操作通過觸摸屏完成，避免了因模擬器件損壞導(dǎo)致的設(shè)備故障。

5)實(shí)現(xiàn)地面模擬能源系統(tǒng)的自動化流程控制，模擬能源控制箱可根據(jù)預(yù)置參數(shù)在無需人工干預(yù)的情況下按操作細(xì)則自動將能源系統(tǒng)調(diào)整至指定狀態(tài)，完成地面模擬能源系統(tǒng)的自動啟/停和為彈上油箱補(bǔ)油的操作。

6)在地面模擬能源系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了故障白動診斷和處理，利用PLC的邏輯處理能力對能源系統(tǒng)的常見故障進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測和處理，在緊急情況下自動強(qiáng)制停機(jī)，為設(shè)備和操作人員的安全提供可靠的保障。

5 結(jié)束語

基于PLC的地面能源遠(yuǎn)程控制技術(shù)方案中運(yùn)用基于Profibus現(xiàn)場總線的分布式PLC控制技術(shù)，采用數(shù)字化傳感器精度更高，數(shù)字控制主、輔變頻器精度更高，性能可靠，降低了以往產(chǎn)品電流調(diào)節(jié)的調(diào)節(jié)誤差，高壓輸出的反饋閉環(huán)控制，減少了能源系統(tǒng)在運(yùn)行過程中的人為干預(yù)，保證了能源高壓輸出的穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了地面能源的一鍵自動化遠(yuǎn)程控制功能,有效提高液壓系統(tǒng)的自動化測試水平，具有廣泛的應(yīng)用前景。

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Remote Control Solution Based on PLC for Ground Energy

Wang Jing1,Sheng Wenwei1,Liu Ruizhi1,Zhai Yu2,Guo Jun1

(1.Beijing Research Institute of Precise Mechatronic Controls,Beijing 100076,China;2.Beijing Aerospace Measurement & Control Technology Co.Ltd.,,Beijing 100041,China)

The remote control of the traditional servo ground energy is realized by the simulation. It has a low degree of automation and poor anti-interference ability.In order to solve the above problems,it proposes a remote control solution based on PLC for ground energy.It uses a distributed PLC control technology based on Profibus fieldbus,a closed-loop control technology based on high-voltage output feedback,an OPC Server and PLC telematics technology. This realizes the remote automatic control function. It also uses a virtual instrument technology based on the man-machine interface to replace the analog interface,a digital network sensor based on the Modbus protocol instead of an analog sensor. This realizes the digital servo ground energy system and improves the anti-interference ability of servo ground energy control.

remote control;fieldbus;PLC

2017-05-14；

2017-06-01。

王 靜(1982-)，女，黑龍江望奎人，碩士，工程師，主要從事測控軟件設(shè)計與開發(fā)方向的研究。

1671-4598(2017)12-0080-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.12.021

TP273

A