PLC與智能儀表在熔斷器檢測裝置上的應(yīng)用

岳 敏， 程武山， 黃 娟， 龍 林

(上海工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 上海 201620)

0 引 言

低壓熔斷器是低壓配電系統(tǒng)中起安全保護(hù)作用的一種電器，主要起短路和過載保護(hù)作用，廣泛應(yīng)用于電網(wǎng)保護(hù)和用電設(shè)備的保護(hù)。在熔斷器生產(chǎn)線中，對熔斷器的電阻檢測尤為重要，電阻的大小直接影響熔斷器產(chǎn)品的質(zhì)量以及熔斷器生產(chǎn)線的連續(xù)性。熔斷器的電阻非常小，一般普通的電阻表無法測量其阻值，而智能儀表微歐計是一種集測量、控制、通信及數(shù)據(jù)處理等功能為一體的多功能智能儀表，其測量精度可達(dá)微歐級別，并能夠?qū)y量的數(shù)據(jù)進(jìn)行實時處理，對結(jié)果進(jìn)行實時輸出和控制，進(jìn)行數(shù)據(jù)的復(fù)雜處理。本文將西門子S7-200 PLC和固緯電子微歐計GOM-802應(yīng)用在熔斷器生產(chǎn)線檢測裝置中，實現(xiàn)了熔斷器生產(chǎn)線中對熔斷器電阻的自動在線檢測，改善了傳統(tǒng)的檢測方式，大大提高了熔斷器的生產(chǎn)率。

1 熔斷器檢測裝置

熔斷器檢測裝置主要是對灌砂完畢后的熔斷器的技術(shù)指標(biāo)和參數(shù)進(jìn)行檢測，同時完成熔斷器上蓋子的塞子鉚接。熔斷器檢測裝置主要由機(jī)械手、密實性檢測裝置、塞子鉚接裝置和電阻測試裝置組成。熔斷器檢測裝置結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

熔斷器檢測裝置的工作原理：首先機(jī)械手1把已經(jīng)灌砂完畢的熔斷器抓取到檢測裝置旋轉(zhuǎn)圓盤的工位上，然后圓盤通過異步電機(jī)把該熔斷器旋轉(zhuǎn)到密實性測試裝置工位，開始進(jìn)行灌砂的密實性檢測；密實性檢測完畢后，圓盤通過異步電機(jī)把該熔斷器旋轉(zhuǎn)到塞子鉚接裝置工位，進(jìn)行塞子鉚接；鉚接完畢后，圓盤通過異步電機(jī)把該熔斷器旋轉(zhuǎn)到電阻測試裝置工位進(jìn)行電阻測試，測試合格的熔斷器通過機(jī)械手2抓取到熔斷器生產(chǎn)線傳送帶上，進(jìn)入下一個工位；測試不合格的熔斷器通過機(jī)械手2從測試工位上取出放入待處理區(qū)。

圖1 熔斷器檢測裝置結(jié)構(gòu)圖

2 檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計

根據(jù)熔斷器檢測裝置的工作原理與控制要求，本著控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊的原則，熔斷器檢測系統(tǒng)選用西門子S7-200系列CPU224XPSi PLC為控制器，以研華觸摸平板工控機(jī)作為上位機(jī)組建控制系統(tǒng)。CPU224XPSi PLC有14個輸入點，10個輸出點。根據(jù)系統(tǒng)的控制要求及檢測流程，所需輸入點數(shù)為37，所需輸出點數(shù)為35，為滿足系統(tǒng)IO點數(shù)的需求并留有一點的余量，因此選用一塊32位數(shù)字量輸入輸出模塊EM233[1-2]。該熔斷器檢測裝置系統(tǒng)框圖如圖2所示。

上位機(jī)與PLC之間通過西門子公司的PC/PPI電纜連接，通過 OPC 技術(shù)可以很方便地實現(xiàn)上位機(jī)人機(jī)界面與PLC之間的數(shù)據(jù)通訊。上位機(jī)預(yù)留以太網(wǎng)接口，人機(jī)界面可以通過工業(yè)以太網(wǎng)連接到遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，進(jìn)行查詢、下載和保存訂單等數(shù)據(jù)信息。S7-200 PLC作為主站，智能儀表微歐計作為從站，通過自由口通訊方式進(jìn)行通信，獲取智能儀表微歐計的數(shù)據(jù)信息。機(jī)械手1、機(jī)械手2、密實性檢測裝置、塞子鉚接裝置和電阻測試裝置等各類開關(guān)量信號均與PLC的數(shù)字I/O模塊相連。通過數(shù)字量I/O模塊，PLC可實現(xiàn)對機(jī)械手、密實性檢測裝置、塞子鉚接裝置和電阻測試裝置等的實時控制，并能實時監(jiān)控各個執(zhí)行器的工作狀態(tài)。

3 智能儀表與PLC通訊功能的實現(xiàn)

3.1 通訊系統(tǒng)硬件連接

根據(jù)工作原理與控制策略，熔斷器檢測裝置以PLC為控制核心組建控制系統(tǒng)。由于西門子S7-200系列PLC的通信口是RS485串行接口，而智能儀表微歐計是RS232串行接口，所以PLC與智能儀表微歐計在通信時必須要進(jìn)行RS485/RS232轉(zhuǎn)換，從而發(fā)送控制指令控制智能儀表，并獲取智能儀表的檢測結(jié)果。西門子公司的PC/PPI電纜可完成這一轉(zhuǎn)換，但由于其價格比較昂貴，而轉(zhuǎn)換的原理又相對簡單，所以可自制通信電纜。根據(jù)現(xiàn)場條件，PLC與微歐計的硬件連接采用如下方案，PLC與智能儀表微歐計硬件連接圖如圖3所示[3-5]。

3.2 通信協(xié)議

根據(jù)PLC和智能儀表微歐計的通信情況，熔斷器檢測裝置控制系統(tǒng)采用自由口通訊協(xié)議。在熔斷器檢測裝置控制系統(tǒng)中PLC與智能儀表的通信協(xié)議制定過程中，為保證數(shù)據(jù)的傳輸質(zhì)量和穩(wěn)定性，對每個字節(jié)進(jìn)行校驗的同時，應(yīng)盡量減少特征字和校驗字。為減少與 PLC 之間通信幀的長度，采用定制傳輸格式。將按定制傳輸格式連續(xù)地向 PLC 發(fā)送數(shù)據(jù)， 而 PLC 以中斷方式定時接收數(shù)據(jù)。采用最簡單的傳輸格式，自由口通訊是建立在半雙工RS-485硬件基礎(chǔ)上的一種通訊方式，它允許用戶自己定義字符通訊格式、數(shù)據(jù)長度和奇偶校驗等，因此其可以實現(xiàn)各種通訊協(xié)議[6-7]。S7- 200 PLC的自由口通訊的發(fā)送和接收數(shù)據(jù)報文格式如圖4所示。

3.3 智能儀表與PLC通訊程序設(shè)計

根據(jù)熔斷器檢測裝置的工作原理和控制策略，本著控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊的原則，熔斷器檢測裝置選用西門子S7-200系列CPU224XPSi PLC為控制核心組建控制系統(tǒng)。其中，PLC與智能儀表之間采用自由口通訊協(xié)議模式，通訊波特率設(shè)置為9 600 b/s，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，奇偶校驗方式為偶校驗。S7-200 PLC作為主站，智能儀表微歐計作為從站，通過中斷執(zhí)行數(shù)據(jù)通信指令與智能儀表進(jìn)行發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)[7-8]。

根據(jù)工藝要求，PLC與智能儀表的通訊程序由子程序和2個中斷程序組成。當(dāng)工件到達(dá)電阻檢測工位后，熔斷器PLC控制系統(tǒng)自動調(diào)用通訊子程序，參數(shù)初始化后打開自由口通訊模式，然后向智能儀表微歐計發(fā)送檢測信號，當(dāng)信號發(fā)送完成后開中斷接收智能儀表微歐計的反饋信息，接收完成后開中斷進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，如果通訊沒有超時，則會重復(fù)檢測一遍確認(rèn)，如果數(shù)據(jù)一致，則關(guān)閉自由口通訊模式并返回數(shù)據(jù)，如果自由口通訊模式無法打開或者通訊超時，則啟動通訊故障報警。其通訊程序流程圖如圖5所示。

4 檢測系統(tǒng)監(jiān)控界面

熔斷器檢測系統(tǒng)人機(jī)界面以Visual Studio 2008.NET開發(fā)工具作為軟件設(shè)計平臺，采用VB.net編程語言和SQL Server 2005數(shù)據(jù)庫開發(fā)而成[9-12]。根據(jù)熔斷器檢測裝置人機(jī)界面的監(jiān)控要求，采用OPC技術(shù)，以S7-200 PC Access作為OPC服務(wù)器，設(shè)計OPC接口實現(xiàn)了人機(jī)界面與西門子S7-200 PLC之間的數(shù)據(jù)通信[13-15]。人機(jī)界面的主要任務(wù)是完成試驗參數(shù)設(shè)置、試驗監(jiān)控、實時數(shù)據(jù)的采集與處理和用戶管理等。根據(jù)智能檢測系統(tǒng)要求，上位機(jī)人機(jī)界面具有如下幾個功能界面。

(1) 主監(jiān)控界面。顯示熔斷器檢測系統(tǒng)人機(jī)界面的主監(jiān)控界面，在此監(jiān)控界面下可以完成試驗參數(shù)設(shè)置，試驗類型選擇，實時監(jiān)控熔斷器檢測系統(tǒng)的實時運(yùn)行狀態(tài)和熔斷器檢測信息。熔斷器檢測系統(tǒng)主監(jiān)控界面如圖6所示。

圖6 熔斷器檢測系統(tǒng)主監(jiān)控界面

(2) 報表管理界面。實現(xiàn)對生產(chǎn)數(shù)據(jù)的離線管理。其功能包括產(chǎn)品記錄查詢、產(chǎn)品報表打印、產(chǎn)品信息維護(hù)等功能。

(3) 輸入輸出信號監(jiān)控界面。該界面主要用來實時監(jiān)控PLC的輸入輸出信號是否正常，用信號燈狀態(tài)表示輸出信號的有無。通過該界面對輸入輸出信號的實時監(jiān)控，可以快速完成系統(tǒng)的故障診斷。此功能僅對系統(tǒng)管理員開放。

(4) 登錄管理界面。系統(tǒng)具有不同的操作等級，不同的操作等級具有不同的操作權(quán)限，防止用戶越權(quán)使用，避免非法操作。

(5) 報警界面。當(dāng)熔斷器檢測系統(tǒng)運(yùn)行異常出現(xiàn)故障時，系統(tǒng)會發(fā)出聲光報警，同時故障信息會顯示在報警界面上，所有的報警信息均保存在數(shù)據(jù)庫中。

(6) 用戶幫助界面。系統(tǒng)提供在線幫助功能，包括用戶操作手冊和系統(tǒng)常見故障及維護(hù)。

5 結(jié) 語

本文介紹將PLC和智能儀表微歐計應(yīng)用在熔斷器檢測裝置上，實現(xiàn)了智能儀表微歐計和西門子S7-200 PLC的自由口通訊，并實現(xiàn)對熔斷器的自動化檢測?，F(xiàn)場應(yīng)用情況表明，該P(yáng)LC控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，操作方便，通訊系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定、可靠、響應(yīng)快，集成度、智能化程度高，而且具有很強(qiáng)的抗干擾能力。智能儀表微歐計在熔斷器檢測裝置上的應(yīng)用，大大提高了熔斷器的生產(chǎn)效率，降低了工人的勞動強(qiáng)度，提高了熔斷器的品質(zhì)，具有較高的理論和實際意義。

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