基于 PLC的繼電器安全控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：由于繼電器安全控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中不明確發(fā)送主線程原理，導(dǎo)致系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，為此，設(shè)計(jì)基于 PLC的繼電器安全控制系統(tǒng)。在設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件上，為保證系統(tǒng)性能得到有效提升，結(jié)合 PLC編程功能，選擇帶有觸摸屏的工控機(jī)、合理配套芯片與數(shù)字流量卡，設(shè)計(jì)全新硬件結(jié)構(gòu)。在設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件上，選擇 Profibus數(shù)據(jù)傳輸模式，建立數(shù)據(jù)處理單元，控制系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)，設(shè)計(jì) PLC 安全控制程序，控制觸點(diǎn)與輸出效果，建立發(fā)送主線程，避免電力線路在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)產(chǎn)生影響，基于 PLC編程構(gòu)建繼電器安全控制模型，完成系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：設(shè)計(jì)系統(tǒng)與兩組傳統(tǒng)系統(tǒng)相比較，在200Ω下，設(shè)計(jì)系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間比兩組傳統(tǒng)系統(tǒng)分別提高0.940 s和2.003 s ，在1000Ω下，分別提高4.248 s和7.539 s ，由此可見(jiàn)，基于PLC的繼電器安全控制系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間明顯改善。關(guān)鍵詞：PLC編程;繼電器;安全控制;系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TN915.5;TP273???????????? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A??????? 文章編號(hào)：1009-9492（2021）12-0167-04

Design of Relay Safety Control System Based on PLC Jie Zicheng

（Hefei University of Technology Design Institute （Group） Co.， Ltd.， Hefei 230001， China）

Abstract： Because the principle of sending main thread is not clear in the design process of the relay safety control system， the reaction time of the system is too long. Therefore， the relay safety control system based on PLC was designed. Based on the PLC programming function， the industrial control computer with touch screen， reasonable matching chip and digital flow card were selected to design a new hardware structure. On the design system software， select the Profibus data transmission mode， establish the data processing unit， control the system node， design the PLC security control program， control the contact and output effect， establish the main transmission line， avoid the influence of power line in data transmission， build relay safety control model based on PLC programming， complete the whole system design. The experimental results show that compared with the two groups of traditional systems， the reaction time of the design system is 0.940 s and 2.003 s， respectively under 200Ω. At 1000Ω， it increases by 4.248 s and 7.539 s respectively. The reaction time of relay safety control system based on PLC is obviously improved.?? Key words： PLC programming; relay; safety control; system design

0 引言

繼電器不僅是各大生產(chǎn)線設(shè)備的重要組成部分，也是鐵路運(yùn)輸系統(tǒng)控制信號(hào)的核心元件，由于各大生產(chǎn)線設(shè)備一般都是24 h不間斷地全天工作，因此設(shè)備的控制系統(tǒng)需安全穩(wěn)定，繼電器的工作狀態(tài)也影響著鐵路安全運(yùn)行，因此繼電器的安全控制系統(tǒng)尤為重要。目前，繼電器的使用已經(jīng)普及，但科學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步的同時(shí)，對(duì)于繼電器的技術(shù)要求也越來(lái)越高。我國(guó)對(duì)于繼電器一直到20世紀(jì)70年代末期才開(kāi)始重視起來(lái)，雖起步稍晚一些，但進(jìn)步空間很大。但是到目前為止，我國(guó)在繼電器的發(fā)展上的進(jìn)步空間還很大，還需要在高端技術(shù)上進(jìn)一步研究[1]。而 PLC是指可編輯邏輯控制器，其內(nèi)部具有微處理器，可以進(jìn)行計(jì)數(shù)、邏輯和算術(shù)計(jì)算等操作，也可以設(shè)置模擬程序，通過(guò)輸入和輸出控制各類設(shè)備的運(yùn)行。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)所知，運(yùn)用 PLC技術(shù)，也可以準(zhǔn)確地找出設(shè)備故障，并使用簡(jiǎn)單操作就可以使故障得以修復(fù)，加強(qiáng)了設(shè)備檢測(cè)和提高了維修工作的工作效率[2]。如今繼電器的安全控制系統(tǒng)中，發(fā)現(xiàn)主線程原理不明確，數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪Ｊ揭泊嬖趩?wèn)題，導(dǎo)致系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，使用年限也較短。針對(duì)以上問(wèn)題，提出基于 PLC的繼電器安全控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，為繼電器安全控制提供新的參考思路。

1 基于 PLC的繼電器安全控制系統(tǒng)硬件

繼電器的硬件等級(jí)通常影響繼電器的故障時(shí)間間隔，因此選用合理的繼電器安全控制系統(tǒng)硬件尤其重要。為保證繼電器安全控制系統(tǒng)的性能提升，本文首先選取主機(jī)需帶有觸摸屏的工控機(jī)，在工作流程中，使用觸摸屏的工控機(jī)操作簡(jiǎn)單化，避免工作復(fù)雜。其次，選取高隔離保護(hù)電壓的隔離數(shù)字量 I/O 卡，選擇為 Advan- tech PCI-1751-48位，基于 PLC 編程設(shè)置其隔離保護(hù)電壓為2500 VDC ，同時(shí)使用 PCI-1751提供隔離數(shù)字量的輸入和輸出通道，系統(tǒng)重啟之后，可以保持上一次的輸入值。根據(jù) PCI-1751選擇兩塊ADAM-3951端子，并對(duì)針腳進(jìn)行定義。根據(jù)外圍元件的數(shù)量、性能耗損以及芯片成本問(wèn)題，選擇 STC8系列無(wú)線收發(fā)芯片，與 PLC可以更好地契合。在測(cè)試前，需讓計(jì)算機(jī)預(yù)先采集繼電器當(dāng)前溫度值，因此選擇 pt100智能溫度變送器用于保證繼電器的溫度修正。在獲取電壓數(shù)值上，選擇 Advantech PCI-1713-PCI總線32路隔離模擬量輸入卡[2]。

2 基于 PLC的繼電器安全控制系統(tǒng)軟件

2.1 選擇 Profibus數(shù)據(jù)傳輸模式

設(shè)計(jì)繼電器安全控制系統(tǒng)，需首先選擇數(shù)據(jù)傳輸模式，本文選擇 Profibus 數(shù)據(jù)傳輸模式，建立數(shù)據(jù)處理單元。數(shù)據(jù)處理單元是繼電器安全控制系統(tǒng)中的核心部分，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的信息進(jìn)行控制，完成信息間的交流，而主站也可主動(dòng)發(fā)送信息。在數(shù)據(jù)傳輸中，中心節(jié)點(diǎn)在固定的時(shí)間向每個(gè)網(wǎng)絡(luò)分散節(jié)點(diǎn)發(fā)送命令信息，網(wǎng)絡(luò)分散節(jié)點(diǎn)對(duì)信息進(jìn)行接收并且回復(fù)[3]。若發(fā)生安全故障，周圍的網(wǎng)絡(luò)分散節(jié)點(diǎn)會(huì)自動(dòng)發(fā)送故障警告到中心節(jié)點(diǎn)，且此設(shè)備信息被附加。隨后由中心節(jié)點(diǎn)對(duì)故障警告進(jìn)行處理分析，在接收故障信息時(shí)，故障信息要被保存到緩沖區(qū)，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)進(jìn)行傳輸，比較訪問(wèn)權(quán)限，并且分析處理網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)發(fā)出信息是否存在權(quán)限限制，若無(wú)限制，則發(fā)出預(yù)警信息[4]。在中心節(jié)點(diǎn)發(fā)送同步命令時(shí)，下層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)采取同步進(jìn)入，并且當(dāng)前數(shù)據(jù)輸出值固定，一直到下一次的同步命令信息發(fā)布，在這之前即便是儲(chǔ)存輸出數(shù)據(jù)有變化，其狀態(tài)也不變。到下一次同步命令發(fā)出，控制設(shè)備的繼電器儲(chǔ)存數(shù)據(jù)將被發(fā)送到總體設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)中。

2.2 設(shè)計(jì) PLC安全控制程序

S7-300可編程控制器具有抗震動(dòng)沖擊性能好，電磁兼容性強(qiáng)的特點(diǎn)，依據(jù)繼電器安全控制的要求，因此使用 S7-300可編程控制器設(shè)計(jì)安全控制程序。設(shè)置引腳 QTS 值，工作正常狀態(tài)顯示為1，工作故障狀態(tài)顯示為0，設(shè)置初始化功能塊，通信選擇的數(shù)據(jù)格式需一致，若設(shè)置發(fā)生錯(cuò)誤，則會(huì)使 CPU發(fā)生故障問(wèn)題[5]。設(shè)置中心節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)分散節(jié)點(diǎn)，確保節(jié)點(diǎn)間數(shù)據(jù)共享，并對(duì)節(jié)點(diǎn)間的變量地址進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置變量間的質(zhì)量代碼，若表示為80，則表示連接正常。設(shè)計(jì)優(yōu)化 PLC 安全控制程序，可以減少硬件連接線，減少對(duì)故障的處理時(shí)間以及控制故障發(fā)生概率[6]。在編寫(xiě) PLC安全控制程序時(shí)，需對(duì) PLC的啟動(dòng)，信息輸入和輸出進(jìn)行處理，設(shè)置用戶程序可循環(huán)執(zhí)行，下達(dá)第一條指令，即用戶程序開(kāi)始按照指令順序執(zhí)行任務(wù)。設(shè)定觸點(diǎn)與輸出，分別為左右兩側(cè)，圖1所示為觸點(diǎn)與輸出效果圖。

在能流到達(dá)左側(cè)固定點(diǎn)時(shí)，觸點(diǎn)需保持停止流動(dòng)的狀態(tài)，當(dāng)能流未到達(dá)左側(cè)固定點(diǎn)，則觸點(diǎn)供能流為右側(cè)。能流到達(dá)左側(cè)固定點(diǎn)時(shí)，PLC安全控制程序進(jìn)行斷電，未到達(dá)左側(cè)固定點(diǎn)時(shí)，右側(cè)能流供應(yīng)，為通電狀態(tài)。除上述設(shè)置外，還需對(duì)計(jì)數(shù)器的閾值進(jìn)行設(shè)置，初始閾值表示為1，工作狀態(tài)保持為0[7]。至此，PLC安全控制程序設(shè)計(jì)完成。

2.3 建立發(fā)送主線程

在選擇 Profibus 數(shù)據(jù)傳輸模式設(shè)計(jì) PLC 安全控制程序的基礎(chǔ)上，建立發(fā)送主線程。主線程的建立具有一定的實(shí)時(shí)性能，主線程主要是為了定時(shí)任務(wù)、發(fā)送命令、建立系統(tǒng)檔案、接收回復(fù)幀以及啟動(dòng)相關(guān)聯(lián)線程而服務(wù)的[8]。建立發(fā)送主線程的前提是明確整體主線程工作原理，圖2所示為主線程工作原理。根據(jù)圖中的主線程工作原理圖可知，建立主線程時(shí)需要設(shè)立超時(shí)定時(shí)器，數(shù)據(jù)接收后發(fā)送上一次命令的確認(rèn)幀，再對(duì)任務(wù)進(jìn)行分解，分解后進(jìn)行逐一發(fā)送[9]。任務(wù)分解是為了確保每個(gè)節(jié)點(diǎn)的任務(wù)針對(duì)的命令不同，使設(shè)備性能最大化使用。某個(gè)節(jié)點(diǎn)回復(fù)后，主線程會(huì)根據(jù)上一次命令的確認(rèn)幀做出判斷，判斷新的回復(fù)幀是否是上一次發(fā)送幀的返回，確認(rèn)不是后，再向發(fā)送主線程交互信息。主線程的工作原理中存在檔案的建立，該過(guò)程是確保軟件正常工作的重要因素之一，發(fā)送數(shù)據(jù)將在檔案中查詢信息并發(fā)送成功。

而建立發(fā)送主線程是為了避免電力線路對(duì)數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)生影響，基于前文的數(shù)據(jù)傳輸模式和安全控制程序，建立發(fā)送主線程[10]。發(fā)送主線程原理如圖3所示。根據(jù)圖中所示，通過(guò)隊(duì)列、主線程與發(fā)送主線程進(jìn)行通訊來(lái)往，發(fā)送主線程會(huì)不停地檢測(cè)隊(duì)列數(shù)據(jù)，查看是否存在新數(shù)據(jù)，主線程若需要發(fā)送任務(wù)，則將會(huì)把任務(wù)發(fā)送到隊(duì)列中[11]。若隊(duì)列中存在數(shù)據(jù)，則發(fā)送主線程會(huì)將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)關(guān)模塊中進(jìn)行處理，若隊(duì)列中不存在數(shù)據(jù)顯示，則線程掛起停止發(fā)送數(shù)據(jù)，等待下一次主線程命令[12]。至此，發(fā)送主線程建立完成。

2.4 基于 PLC編程構(gòu)建繼電器安全控制模型

一般電力線路信道會(huì)存在一定的衰減特性，這類衰減特性通常受頻率所影響[13]?；谥骶€程的建立構(gòu)建繼電器安全控制模型，首先需要分析傳輸信號(hào)對(duì)于繼電器中電力線信道的影響規(guī)律，根據(jù)電力線信道指數(shù)來(lái)表示其衰減特性，電力線信道表達(dá)式如式（1） 所示。

式中：w 為電力線信道指數(shù);hj 為第j 條電力線信道路徑的長(zhǎng)度;j 為電力線信道路徑; Uj 為每條電力線信道路徑的加權(quán)系數(shù)指標(biāo); tj 為傳播延遲系數(shù);β為信道衰減系數(shù)[14]。

根據(jù)式（1），構(gòu)建繼電器安全控制模型圖，該模型中加入對(duì)繼電器噪聲的處理，圖 4所示為繼電器安全控制模型。根據(jù)圖中可知，信號(hào)發(fā)送會(huì)先經(jīng)過(guò)信道濾波進(jìn)行處理后，再通過(guò)不同節(jié)點(diǎn)分析處理，在發(fā)送途中也會(huì)對(duì)噪聲進(jìn)行處理，通過(guò)各節(jié)點(diǎn)分析處理，最后信號(hào)被接收，從而完成指令任務(wù)[15]。綜上所述，繼電器安全控制模型構(gòu)建完成。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

根據(jù)上述安全控制系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)，提出仿真對(duì)比實(shí)驗(yàn)。將本文系統(tǒng)設(shè)計(jì)作為實(shí)驗(yàn)組，同時(shí)選擇兩組基于西門(mén)子 S7-1500 PLC和基于機(jī)器學(xué)習(xí)的傳統(tǒng)系統(tǒng)作為對(duì)照組 a和對(duì)照組 b ，在相同的8 V直流電壓下，在200Ω和1000Ω不同電阻情況下進(jìn)行測(cè)試。通過(guò)20組實(shí)驗(yàn)檢測(cè)，對(duì)比3組繼電器安全控制系統(tǒng)的反應(yīng)效果。表1所示為3組測(cè)試電阻在200Ω時(shí)的反應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)。

根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)顯示，在這20組測(cè)試中，發(fā)現(xiàn)對(duì)照組 b 在進(jìn)行第19次和第20次測(cè)試時(shí)沒(méi)有反應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)，經(jīng)工作人員檢查，對(duì)照組 b的系統(tǒng)在進(jìn)行第19次測(cè)試時(shí)發(fā)生故障，故無(wú)數(shù)據(jù)顯示，因此本次仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)比僅對(duì)比前18組數(shù)據(jù)。由數(shù)據(jù)可知，實(shí)驗(yàn)組反應(yīng)時(shí)間為0.177～0.364 s ，平均反應(yīng)時(shí)間為0.237 s ，對(duì)照組 a的反應(yīng)時(shí)間為1.046～1.524 s ，平均反應(yīng)時(shí)間為1.177 s ，對(duì)照組 b 的反應(yīng)時(shí)間在1.875～2.645 s ，平均反應(yīng)時(shí)間為2.240 s。對(duì)比數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，發(fā)現(xiàn)對(duì)照組 a比實(shí)驗(yàn)組的平均反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)0.940 s ，對(duì)照組 b 比實(shí)驗(yàn)組的平均反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)2.003 s 。表2所示為在1000Ω條件下3組系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)。根據(jù)表中數(shù)據(jù)所示，在1000Ω的情況下，對(duì)比20組數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，實(shí)驗(yàn)組的反應(yīng)時(shí)間為0.465～0.601 s，計(jì)算得知平均反應(yīng)時(shí)間為0.523 s ，對(duì)照組 a的反應(yīng)時(shí)間為4.158～5.884 s ，平均反應(yīng)時(shí)間為4.771 s ，對(duì)照組 b 的反應(yīng)時(shí)間為7.482～8.451 s ，平均反應(yīng)時(shí)間為8.062 s 。實(shí)驗(yàn)組比對(duì)照組 a和對(duì)照組 b的反應(yīng)時(shí)間分別提高了4.248 s 和7.539 s 。綜上所述，基于 PLC的繼電器安全控制系統(tǒng)更為優(yōu)秀。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文基于 PLC編程，對(duì)繼電器安全控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，明確發(fā)現(xiàn)主線程原理，得到了較為優(yōu)秀的系統(tǒng)功能。但此次設(shè)計(jì)對(duì)于硬件方面還存在一定的不足，今后應(yīng)基于 PLC編程，對(duì)硬件設(shè)計(jì)進(jìn)一步補(bǔ)足。為繼電器安全控制提供新的參考思路。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳美林.基于西門(mén)子 S7-1500 PLC的自來(lái)水廠電氣自控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].機(jī)電信息，2021（11）：8-10.

[2]薛輝.基于 PLC技術(shù)在電氣設(shè)備控制系統(tǒng)中的應(yīng)用分析[J].石河子科技，2021（2）：5-6.

[3]黃赫，張森.全自動(dòng)無(wú)人駕駛地鐵列車安全型網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電力機(jī)車與城軌車輛，2021，44（2）：18-23.

[4]滕德虎.基于單片機(jī)的家居智能配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2021，11（2）：78-80.

[5]鐘上升，鐘富力，謝宇浩，等.基于機(jī)器學(xué)習(xí)的電網(wǎng)關(guān)鍵斷面安全運(yùn)行自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2021，40（1）：48-52.

[6]黎國(guó)梁，唐磊，曹忠源.年產(chǎn)20萬(wàn) t異辛烷安全生產(chǎn)控制過(guò)程的消防安全甚早期預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究[J].廣東化工，2021，48（1）：154-156.

[7]任天宇，王小虎，郭廣鑫，等.基于多級(jí)身份驗(yàn)證和輕量級(jí)加密的電力物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].南京郵電大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2020，40（6）：12-19.

[8]任浩，孟仁杰，竇仁暉，等.基于5G網(wǎng)絡(luò)的"源–網(wǎng)–荷–儲(chǔ)"優(yōu)化調(diào)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電力信息與通信技術(shù)，2020，18（12）：23-28.

[9]徐良.異構(gòu)環(huán)境下無(wú)線傳感大數(shù)據(jù)跨域傳輸安全控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2020，28（12）：117-121.

[10]白雪.礦井瓦斯抽采管道安全防護(hù)裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].煤礦機(jī)電，2020，41（6）：16-20.

[11]徐少俊，劉美玲，李月振.PLC控制下的智能家居安全報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].河北農(nóng)機(jī)，2020（12）：99-100.

[12]張紅兵.智能化工作面人員定位與液壓支架協(xié)同安全控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].煤礦機(jī)械，2020，41（12）：167-171.

[13]曾小林，丁尚志，李家樂(lè)，等.船用 LNG供氣系統(tǒng)控制、監(jiān)測(cè)和安全系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)[J].機(jī)電設(shè)備，2020，37（6）：53-56.

[14]左心悅，孫寧.基于 PIC單片機(jī)的旅居車信息及安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].軟件，2020，41（11）：126-130.

[15]張強(qiáng)，潘振東，陶承虎，等.自動(dòng)化視域下搬運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2020，17（7）：72-73.

作者簡(jiǎn)介：解紫城（1979-），男，安徽合肥人，大學(xué)本科，高級(jí)工程師，研究領(lǐng)域?yàn)殡姎夤こ碳捌渥詣?dòng)化。

（編輯：刁少華）