遠程IO數(shù)據(jù)采集器的開發(fā)

楊敏 ，龐義 ，趙忠興 ，劉丹潔

（1.長春汽車工業(yè)高等專科學校 機電工程學院，吉林 長春130011；2.長春奧科斯自動化科技有限公司，吉林 長春130011）

1 引言

在復雜的工業(yè)現(xiàn)場環(huán)境中，存在著許多干擾信號，各種干擾信號都具有一定的隨機性和不確定性。可能會造成邏輯混亂，系統(tǒng)控制失靈，產(chǎn)生誤動作，甚至造成生產(chǎn)設備損壞和人身傷害等。嚴重影響了工業(yè)生產(chǎn)的穩(wěn)定運行和可靠性，影響了產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率，因此，有效地排除和抑制各種干擾，是現(xiàn)代工業(yè)必須深入探討和急待解決的問題。

另外，在工業(yè)現(xiàn)場中，常常遇到被控對象和被測信號分布在各個不同的地方，并且他們與控制站之間也有相當長的距離，連接的信號線和控制線都比較長。一方面存在著導線用量大、接線復雜、故障率高、安裝工期長、維修困難等問題。另一方面，過長而且又多的導線在一起很容易產(chǎn)生電感電容耦合，而產(chǎn)生干擾信號，嚴重影響生產(chǎn)的穩(wěn)定運行，值得探索相應的措施來解決。

現(xiàn)場總線控制是當今工業(yè)控制的潮流，現(xiàn)場總線技術的應用能有效地解決一些實際問題。然而，對于一些中小型設備的改造或者對現(xiàn)有的一些老設備大修改造時，原來的PLC系統(tǒng)還完好，如果改為現(xiàn)場總線控制就會造成很多不必要的浪費。并且，工業(yè)現(xiàn)場的一些機械控制對實時性和可靠性的要求也越來越高。那么就需要有更簡單方便的方法來解決這類實際問題。

例如在電鍍線行車的控制中，以前是把行車上的接近開關、按鈕、限位開關直接連到PLC的輸入端，行車拖帶著很多導線，各種干擾使行車無法正常運行，按照傳統(tǒng)的方法，采用電阻電容進行濾波，其效果并不顯著，而且還影響了響應的時間。使行車定位不準，對偶爾出現(xiàn)的大的干擾信號無法過濾掉。由于行車拖帶的導線長（可達100多m）而多，長時間很容易使導線折斷，更換導線也非常困難，而且還產(chǎn)生干擾信號。這些現(xiàn)實問題的存在，必須進行深入探討，尋找出有效的解決方案。

針對上述工業(yè)現(xiàn)場的各種干擾問題、大量復雜的配線帶來的一系列問題，以及過濾器的失靈等實際問題，研制開發(fā)了遠程IO信號采集器（本文簡稱采集器）。

2 采集器的系統(tǒng)組成和工作原理

所謂采集器是將輸入口的位信號以數(shù)字形式通過現(xiàn)場總線傳遞給輸出口的一種裝置。采集器也是一種形式的總線，它有更好的實時性，而且簡單方便。

2.1 系統(tǒng)的組成

采集器系統(tǒng)的組成框圖見圖1。

圖1 系統(tǒng)框圖Fig.1 System block diagram

通過采集器將現(xiàn)場信號傳遞給PLC，既保證了集中控制，又保證了長距離信號傳輸?shù)目煽啃浴２杉髯疃嗫纱?個擴展，可傳送64位。

采集器設有主機和擴展單元。

主機有3種型號：M01-OC 16點繼電器輸出，M01-OD 16點晶體管輸出，M01-ID 16點晶體管雙向輸入bilateral。

擴展3種型號：E01-OD 16點晶體管輸出，E01-OC 16點繼電器輸出，E01-ID 16點晶體管雙向輸入。

其中M01-OC 16點繼電器輸出主機，可以和16點輸入的任意一款集線器相配合。也可單獨做為總線式遠程IO。M01-OC 16點繼電器輸出主機，可以和16點輸入的任意一款集線器相配合。也可單獨做為總線式遠程IO。

2.2 工作原理

遠程IO信號采集器是采用RS485總線的方式進行通訊，標準幀格式和CRC校驗。波特率采用115.2 kb/s。一組采集器最多可傳送64位，采集器如果在100 ms內(nèi)沒有進行有效應答則會將所有輸出口置零，利用這個特點可對采集器的工作情況進行監(jiān)視，使上位機做出相應的保護措施。

3 采集器的功能特點

1）點對點的通訊方式，提高了系統(tǒng)運行的可靠性。網(wǎng)絡控制存在著單點故障容易擴散的問題，進而造成整個網(wǎng)絡系統(tǒng)癱瘓的弊端，采集器采用了點對點的通訊方式，能夠有效地克服單點故障殃及周圍的問題，使系統(tǒng)運行更加安全可靠。

2）使用方便，便于安裝。無須用戶做任何編程工作，只需將采集器當作接線端子即可。使用方便，易于安裝和掌握。

3）速度快，可靠性高，實時性好。采集器是采用專線專用方式配線，無站號分配。所以速度快，可靠性高，實時性好，安全性高。

4）接線簡單、成本低。采集器僅用2根導線就可以取代原有的遠距離的諸多繁雜接線，既降低了安裝成本、又減少了安裝工期，使安裝接線更加容易，降低了故障率。

5）監(jiān)視功能強、維修方便。每組采集器的狀態(tài)都有相應的指示燈，運行狀態(tài)一目了然，具有監(jiān)視功能強、便于故障診斷、維修極為方便的特點。

6）配置靈活，通用性強。根據(jù)生產(chǎn)要求，選擇的系統(tǒng)配置各不相同，然而，采集器能夠和任何一種PLC配合使用，可以靈活配置，具有通用性強的特點。

7）抗干擾能力強。采集器采用了差分輸入方式，工業(yè)信號實現(xiàn)現(xiàn)場采集數(shù)字傳送時，采集器能有效地防止信號在傳輸過程中受到的各種干擾，具有較強的抗干擾能力。

8）取代了原來的過濾器，節(jié)省了大量的導線，減少了干擾信號，提高了抗干擾能力。

4 效果驗證

以采集器在電鍍生產(chǎn)線上的應用為例。電鍍生產(chǎn)線上通常有2個至5個行車運行，其中一臺行車的控制大約需要6個接近開關、5個限位開關等控制元件，控制線和電機的驅(qū)動線共用16棵線走在同一個扁平電纜內(nèi)，電纜長度約100余m，對2個以上行車的控制就需要幾十個開關控制，控制線和電機驅(qū)動線就更多，諸多的電纜線在系統(tǒng)運行時必然產(chǎn)生一定的電磁干擾。另一方面，行車的行走是采用變頻器來控制的，變頻器是將固定頻率的交流電變換為頻率連續(xù)可調(diào)的交流電的裝置［3］，當變頻調(diào)速系統(tǒng)的容量足夠大時，所產(chǎn)生的高頻信號將足以對周圍各種電子設備的工作形成干擾，影響周圍設備正常工作，為了避免控制信號、變頻器等帶來的各種干擾，傳統(tǒng)的方法是采用PLC現(xiàn)場信號過濾器來抑制干擾，現(xiàn)場信號過濾器主要是阻容吸收電路，電容小了過濾效果不好，電容太大又會影響響應時間，并且電網(wǎng)的波動有時也會造成過濾器失靈，使得行車常常發(fā)生定位不準，誤動作等故障，嚴重影響了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

電鍍線對行車的基本要求是：行走速度快，定位準確，行走時平穩(wěn)性能好。

采用遠程IO信號采集器取代現(xiàn)場信號過濾器后，充分體現(xiàn)了其優(yōu)越性：

1）由于采集器是采用點對點的通訊方式，所以具有更好的速度性和可靠性。有效地解決了變頻器對控制信號的干擾問題，消除了誤動作，提高了系統(tǒng)運行的可靠性；

2）用傳統(tǒng)的現(xiàn)場信號過濾器時，行車計位用接近開關的檢測距離是20 mm，采用采集器時，行車計位用接近開關的檢測距離是10 mm，檢測距離提高了一倍，從而提高了器件的響應時間，大大提高了行車的運行速度和行車的定位精度，解決了現(xiàn)場信號過濾器響應時間慢使定位不準確的問題；

3）取代了原來的現(xiàn)場信號過濾器，增強了抗干擾能力，還將原來的幾十根導線減少為2根線，大大減少了導線用量，進而減少了由于導線折斷等因素而引起的故障，既降低了成本，又提高了生產(chǎn)效率和系統(tǒng)運行的可靠性；

4）采用采集器配線少，安裝簡單，減少了安裝周期；

5）采集器上具有相應的狀態(tài)指示燈，使運行狀態(tài)一目了然，便于故障診斷，給維修帶來了極大的方便。行車控制的原理圖見圖2。

圖2 行車控制的原理圖Fig.2 Traffic control schematic diagram

系統(tǒng)的開關量接在采集器主機的輸入單元，主機的輸入單元安裝在現(xiàn)場，主機的輸出單元安裝在控制柜里，取代了原來的過濾器，也取消了原來在現(xiàn)場和控制柜之間連接的大量導線，輸入單元與輸出單元之間只需兩屏蔽線，大大減少了導線的根數(shù)。使接線和維護變得極為簡單。經(jīng)過1 a多現(xiàn)場使用證明，其可靠性大大高于原來的方法，1 a多來，行車運行穩(wěn)定，從未出現(xiàn)過現(xiàn)場信號干擾等因素帶來的錯誤動作。

5 結(jié)論

通過生產(chǎn)實際的驗證，應用采集器能夠有效地抑制復雜工業(yè)現(xiàn)場中的各種干擾信號，實現(xiàn)了系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，克服了網(wǎng)絡控制單點故障容易擴散的弊端，解決了原來采用過濾器的不足，并且，對生產(chǎn)線的改造耗時少，費用低，安裝接線簡單，系統(tǒng)運行安全可靠，故障顯示一目了然，維修方便，給用戶帶來了極大的方便和良好的效益。

［1］ 劉高鏁.單片機實用技術［M］.北京：清華大學出版社，2004.

［2］ 陶權(quán).探析自動化控制系統(tǒng)的抗干擾設計［J］.制造業(yè)自動化，2012,34（2）： 132-134.

［3］ 徐海，施利春.變頻器原理及應用［M］.北京：清華大學出版社，2010.