PLC在大功率低頻發(fā)射機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

曹誠(chéng)

（海參信息通信局 北京市 100841）

1 引言

PLC 控制系統(tǒng)作為整個(gè)發(fā)射機(jī)系統(tǒng)的“神經(jīng)中樞”，通過(guò)與低頻發(fā)射機(jī)的接口電路相接，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)射機(jī)的監(jiān)控。主要完成對(duì)發(fā)射機(jī)各分系統(tǒng)的控制和實(shí)時(shí)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)，具體為對(duì)各設(shè)備的信息進(jìn)行采集、存儲(chǔ)、顯示、傳輸并使得各受控設(shè)備按照一定的邏輯指令完成相應(yīng)動(dòng)作。PLC 控制系統(tǒng)操作簡(jiǎn)便、可靠性高，經(jīng)實(shí)際使用效果良好。

2 低頻發(fā)射機(jī)控制系統(tǒng)要求

PLC 控制系統(tǒng)作為低頻發(fā)射機(jī)的監(jiān)控裝置必須滿足發(fā)射機(jī)的控制要求，具體內(nèi)容如下：

2.1 數(shù)據(jù)采集和顯示

實(shí)現(xiàn)對(duì)電源電壓，功放電流、中槽電流、天線電壓等8 路模擬量和電源分系統(tǒng)、功率放大分系統(tǒng)、冷卻分系統(tǒng)、調(diào)諧及匹配濾波分系統(tǒng)等7 大分系統(tǒng)中200 多路開關(guān)量的采集，模擬量要求精確到小數(shù)點(diǎn)后兩位，所有開關(guān)量均為高電平有效。

2.2 邏輯控制

實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)射機(jī)自檢、開/關(guān)機(jī)、開/關(guān)冷卻、開/關(guān)低壓、開/關(guān)高壓、升/降高壓等一系列操作控制，包括手動(dòng)和自動(dòng)開關(guān)機(jī)兩種方式，開關(guān)機(jī)過(guò)程要顯示發(fā)射機(jī)各部分狀態(tài)是否正常。

2.3 系統(tǒng)自動(dòng)預(yù)置

發(fā)射機(jī)控制系統(tǒng)需要將每個(gè)頻率點(diǎn)所在調(diào)諧狀態(tài)下的電感、電容等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并存儲(chǔ)，以便激勵(lì)器頻率再次調(diào)至此點(diǎn)時(shí)，發(fā)射機(jī)系統(tǒng)中控制電感、電容的相應(yīng)開關(guān)按照調(diào)諧點(diǎn)的數(shù)據(jù)正確動(dòng)作，使發(fā)射機(jī)自動(dòng)預(yù)置到上次的調(diào)諧狀態(tài)。

2.4 故障告警及處理

根據(jù)發(fā)射機(jī)故障的嚴(yán)重程度對(duì)發(fā)射機(jī)故障進(jìn)行分級(jí)，對(duì)于影響發(fā)射機(jī)正常工作的故障，設(shè)定為一級(jí)故障，如功放電流或中槽電流過(guò)大，一旦監(jiān)測(cè)到此類故障，直接切斷高壓，以保護(hù)人員及發(fā)射機(jī)免受損傷；對(duì)于某些不影響發(fā)射機(jī)正常完成發(fā)射任務(wù)的設(shè)備故障，僅指示并記錄。

3 PLC控制在低頻發(fā)射機(jī)中的應(yīng)用

3.1 對(duì)各分系統(tǒng)的控制

3.1.1 對(duì)信號(hào)生成處理分系統(tǒng)的控制

控制系統(tǒng)僅對(duì)信號(hào)生成與處理分系統(tǒng)中的低頻信號(hào)激勵(lì)器進(jìn)行監(jiān)控。其中載波輸出為正弦信號(hào)，通過(guò)電路對(duì)其進(jìn)行波形轉(zhuǎn)換，輸出方波信號(hào)后送至PLC 的計(jì)數(shù)模塊進(jìn)行處理，利用采樣的頻率值對(duì)設(shè)備進(jìn)行預(yù)置。通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)對(duì)低頻信號(hào)激勵(lì)器進(jìn)行監(jiān)控。如圖1所示。

封鎖激勵(lì)由PLC 的數(shù)字輸出模塊給出，激勵(lì)狀態(tài)由PLC 的數(shù)字輸入模塊采樣?？刂葡到y(tǒng)與低頻信號(hào)激勵(lì)器通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)交互數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)激勵(lì)器工作狀態(tài)的采樣及操控，采樣內(nèi)容主要有激勵(lì)器的工作頻率、工作方式、工作狀態(tài)等，并且可遠(yuǎn)程更改激勵(lì)的工作頻率、工作狀態(tài)、調(diào)機(jī)電平等數(shù)據(jù)。

圖1：與低頻信號(hào)激勵(lì)器的硬件連接圖

3.1.2 對(duì)功率放大分系統(tǒng)的控制

對(duì)功放的控制選用小型PLC S7-1200 實(shí)現(xiàn)，其自身帶有I/O 模塊，安裝于每個(gè)功放柜的功放監(jiān)控單元內(nèi)，通過(guò)數(shù)字輸入模塊、熱電偶信號(hào)模塊、模擬輸入模塊等對(duì)功放單元過(guò)壓、過(guò)流、溫度、輸入電流、電壓等信號(hào)進(jìn)行采集，并通過(guò)S7 通信將采集數(shù)據(jù)傳送至PLC 主控制器，主控制器根據(jù)采集數(shù)據(jù)采取相應(yīng)操作。如監(jiān)測(cè)到功放單元內(nèi)部水冷板溫度過(guò)高時(shí)主控制器將其激勵(lì)輸入信號(hào)封鎖；監(jiān)測(cè)到某個(gè)功放柜的出水參量在設(shè)定時(shí)間段內(nèi)持續(xù)異常，則認(rèn)為冷卻異常，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)關(guān)斷高壓；功放柜內(nèi)15V 低壓電源運(yùn)行過(guò)程中若某個(gè)功放柜低壓故障，主控制器會(huì)對(duì)相應(yīng)輸入電源柜發(fā)出指令，關(guān)斷其高壓輸出。

3.1.3 對(duì)調(diào)諧及匹配濾波分系統(tǒng)的控制

調(diào)諧及匹配濾波分系統(tǒng)的控制對(duì)象主要為各可調(diào)線圈和高頻開關(guān)，PLC 控制系統(tǒng)通過(guò)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制驅(qū)動(dòng)可調(diào)線圈，通過(guò)交流接觸器控制三相異步電機(jī)正反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)高頻開關(guān)動(dòng)作。

OLED顯示采用4線串行SPI，使用4線制串行模式的接口信號(hào)線。RST引腳用來(lái)硬件復(fù)位OLED，讓其恢復(fù)默認(rèn)狀態(tài)；DC引腳是命令/數(shù)據(jù)標(biāo)志，用于讀與寫；SDIN引腳是數(shù)據(jù)線，不同模式下對(duì)應(yīng)的信號(hào)線不同，SCLK引腳是時(shí)鐘線，只有在串行模式下，D0時(shí)鐘線為信號(hào)線，D1為數(shù)據(jù)線。

3.1.4 對(duì)可調(diào)線圈的控制

PLC 控制系統(tǒng)一方面采用源入型數(shù)字輸入模塊對(duì)線圈的位置碼盤信息進(jìn)行采集，通過(guò)在主控制器CPU 317 中的軟件程序?qū)⒉杉降母窭状a進(jìn)行轉(zhuǎn)換，最終輸出為BLP2B—39 型數(shù)碼管需要的SDA和SCK 數(shù)據(jù)信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)線圈位置的實(shí)時(shí)顯示；另一方面主控制器接收線圈增/減按鍵指令后，根據(jù)指令通過(guò)ET200S 1STEP模塊驅(qū)動(dòng)線圈步進(jìn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)，同時(shí)將不同線圈不同頻率（調(diào)諧狀態(tài)下）的線圈位置以多維數(shù)組形式的DB 塊進(jìn)行記錄，激勵(lì)器再次調(diào)至該頻率時(shí)，控制器比較線圈現(xiàn)有位置數(shù)據(jù)與存儲(chǔ)數(shù)據(jù)大小，并根據(jù)比較結(jié)果向1STEP 模塊分配方向參數(shù)，直至線圈自動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)到預(yù)存調(diào)諧位置。

3.1.5 對(duì)高頻開關(guān)的控制

PLC 控制系統(tǒng)將不同的高頻開關(guān)在不同頻率（調(diào)諧狀態(tài)下）的位置狀態(tài)（上、中、下三個(gè)限位點(diǎn)）做成多維數(shù)組形式的DB 塊，當(dāng)激勵(lì)器頻率調(diào)至某點(diǎn)時(shí)，主控制器CPU 通過(guò)各開關(guān)預(yù)存的位置信息通過(guò)數(shù)字輸出信號(hào)向相應(yīng)的交流接觸器發(fā)出正反轉(zhuǎn)指令，直至高頻開關(guān)到達(dá)指定位置。

3.1.6 對(duì)測(cè)量分系統(tǒng)的控制

低頻發(fā)射機(jī)中，電源輸出電流電壓、功放輸出電流、中槽電流、電壓、發(fā)射機(jī)輸出功率，及天線電流、電壓，都是判斷發(fā)射機(jī)的工作是否正常的重要參數(shù)。為使得測(cè)量安全準(zhǔn)確，系統(tǒng)中采用隔離變送器對(duì)測(cè)量信號(hào)隔離后取樣再送至模擬量模塊統(tǒng)一處理的方式。

系統(tǒng)中使用魏德米勒的隔離變送器對(duì)傳感器輸出的電壓信號(hào)進(jìn)行隔離，變換為不易受到干擾的0mA ～20mA 電流信號(hào)傳輸至PLC 高速的模擬量輸入模塊，主控制器通過(guò)SCALE 縮放函數(shù)對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并根據(jù)系統(tǒng)要求設(shè)置保護(hù)閾值，當(dāng)測(cè)量值超過(guò)設(shè)定的安全范圍時(shí)，啟動(dòng)硬件中斷OB40，利用OB40 中的置位程序?qū)ο鄳?yīng)硬件中斷標(biāo)志位進(jìn)行置位，從而在人機(jī)交互界面中顯示故障告警信息同時(shí)采取相應(yīng)的保護(hù)措施。

電源、冷卻、假負(fù)載三個(gè)分系統(tǒng)通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)與發(fā)射機(jī)PLC 控制系統(tǒng)互通。其中與電源控制器之間采用MODBUS TCP 協(xié)議，與假負(fù)載控制器采用PROFINET 協(xié)議，與冷卻控制間采用西門子PLC 之間的S7 通信協(xié)議。

3.2 各控制柜設(shè)計(jì)及設(shè)備選型

3.2.1 各控制柜設(shè)計(jì)

PLC 控制系統(tǒng)包括機(jī)房?jī)?nèi)的兩個(gè)控制柜（主機(jī)監(jiān)控和天線監(jiān)控各一個(gè)）、一個(gè)執(zhí)行柜和一個(gè)設(shè)備柜；以及調(diào)諧亭內(nèi)的亭內(nèi)控制柜和執(zhí)行柜?？刂乒裰蟹胖每刂破骷案鞴δ苣K，人機(jī)界面采用操控顯示屏；執(zhí)行柜內(nèi)主要安裝驅(qū)動(dòng)各開關(guān)和線圈動(dòng)作的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置及交流接觸器；設(shè)備柜用以安裝供主機(jī)房?jī)?nèi)全部控制用電的UPS 電源以及網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)。如圖2所示。

3.2.2 PLC 控制系統(tǒng)選型

PLC 控制系統(tǒng)采用CPU 317 作為主控制器，天線監(jiān)控柜和調(diào)諧亭控制柜采用接口模塊IM151-3 作為主控制器的分布式I/O 使用，功放監(jiān)控單元采用CPU 1215，通過(guò)PROFINET 與主控制器通信，PLC 模塊電源采用PS307 5A 電源、CPU 下設(shè)數(shù)字量輸入模塊、數(shù)字量輸出模塊、模擬量輸入模塊等，人機(jī)界面采用19 英寸觸摸屏。

4 PLC應(yīng)用于低頻發(fā)射機(jī)控制中的優(yōu)勢(shì)

早期在發(fā)射機(jī)中的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)常用的處理器是微控制器（單片機(jī)），其設(shè)計(jì)靈活，硬件成本低，但開發(fā)周期較長(zhǎng)，通信速度和可靠性受限，而PLC 控制系統(tǒng)抗電磁干擾能力強(qiáng)，可靠性高，采用模塊化設(shè)計(jì)，維修方便，且其應(yīng)用的PROFINET 不但實(shí)時(shí)性好，且基于以太網(wǎng)可以同時(shí)傳輸TCP、語(yǔ)音、圖像等數(shù)據(jù)。

4.1 PLC抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高

PLC 采用微電子技術(shù)，大量的開關(guān)動(dòng)作是由無(wú)觸點(diǎn)的半導(dǎo)體電路完成的，使得因接觸不良等原因造成的故障大為減少。所有的I/O 接口電路均采用光電隔離使工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的外電路與PLC 內(nèi)部電路之間電氣上隔離；各模塊均采用屏蔽措施以防止輻射干擾；采用性能優(yōu)良的開關(guān)電源；對(duì)采用的器件進(jìn)行嚴(yán)格的篩選。PLC 具有良好的自診斷功能，一旦電源或其他軟硬件發(fā)生異常情況，CPU 立即采用有效措施以防止故障擴(kuò)大，從實(shí)際使用情況來(lái)看，PLC 控制系統(tǒng)的平均無(wú)故障時(shí)間一般可達(dá)4 ～5 萬(wàn)小時(shí)。

圖2：?jiǎn)螜C(jī)單亭控制設(shè)備布局示意圖

4.2 靈活的模塊化設(shè)計(jì)

PLC的各個(gè)部件包括CPU、電源、I/O接口等均采用模塊化設(shè)計(jì)，由機(jī)架及電纜將各模塊連接起來(lái)，可維護(hù)性好。且PLC 針對(duì)不同的現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)如交流或直流、開關(guān)量或模擬量、電壓或電流，不同的現(xiàn)場(chǎng)器件或設(shè)備如按鈕、行程開關(guān)、傳感器及變送器等有相應(yīng)的I/O 模塊直接連接，另外為了提高操作性能它還有多種人機(jī)對(duì)話的接口模塊，系統(tǒng)的規(guī)模和功能可根據(jù)需要自行組合，操作簡(jiǎn)單靈活。

4.3 PROFINET通信開放、高速、高效

PROFINET I/O 支持分布式現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備直接接入以太網(wǎng)，從而使所有使用的設(shè)備都連入一致的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，為整個(gè)控制系統(tǒng)提供一致的通信，PROFINET 憑其優(yōu)秀的開放性，可實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的設(shè)備自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)，連接自動(dòng)化設(shè)備和標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)設(shè)備。PROFINET 數(shù)據(jù)傳輸速率遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)總線，可在不影響I/O 數(shù)據(jù)傳輸?shù)那闆r下實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)量的無(wú)故障傳輸。

5 結(jié)束語(yǔ)

PLC 控制系統(tǒng)在低頻發(fā)射機(jī)的應(yīng)用打開了低頻發(fā)射機(jī)控制領(lǐng)域的新局面，其在實(shí)際使用中代替原有的以微控制器組成的發(fā)射機(jī)控制系統(tǒng)后，使得發(fā)射機(jī)在實(shí)時(shí)性和可靠性上都得到了提高，獲得了用戶的好評(píng)，有很大的推廣和使用價(jià)值。