PLC 在電量無線監(jiān)測控制系統(tǒng)中的應用研究

付奕杰

（沈陽化工大學，遼寧 沈陽 110142）

無線視頻監(jiān)控技術(shù)的迅速發(fā)展和工業(yè)化生產(chǎn)改革創(chuàng)新的不斷推進，為企業(yè)生產(chǎn)管理模式的突破帶來了技術(shù)應用和制度保障。它表現(xiàn)在兩方面：工業(yè)化生產(chǎn)的準確性、安防監(jiān)控系統(tǒng)穩(wěn)定性。安全監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)尤其依賴現(xiàn)代技術(shù)。管理人員和研究人員愈來愈關(guān)注如何正確使用高科技技術(shù)，創(chuàng)造良好的工作氛圍，如何更好地為管理人員帶來穩(wěn)定、個性化自動控制系統(tǒng)軟件。

1 無線監(jiān)測控制系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

隨著研發(fā)技術(shù)的飛速發(fā)展，供配電系統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)正向著自動化、精密化方向發(fā)展。加拿大的電力安裝工程精確測量有限責任公司(Power Measurement Ltd.)前沿的電力安裝工程綜合監(jiān)控儀器設(shè)備搭載了所有的系統(tǒng)的搜集、傳輸、監(jiān)控和交互通信。根據(jù)對脈沖信號的智能分析，計算機繼電器的預警概念得到了改進。此外，不同地區(qū)使用的技術(shù)方法和完成措施也不相同，特別是成本。供配電系統(tǒng)的無線視頻監(jiān)控近些年蓬勃發(fā)展，其維護管理措施。供配電系統(tǒng)技術(shù)人員越來越重視科研等方面。該技術(shù)對供配電系統(tǒng)的安全運行具有重要意義，是提高供配電系統(tǒng)經(jīng)濟收益和社會經(jīng)濟效益的關(guān)鍵所在保證。隨著傳感器技術(shù)、人工智能技術(shù)等相關(guān)工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展和無線技術(shù)發(fā)展，系統(tǒng)自動電力安裝工程管控愈來愈多。

工業(yè)生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展經(jīng)驗RS-232 到RS-485 到工業(yè)以太網(wǎng)，工業(yè)生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)通信在通信速度、便捷性、可靠性和可靠性方面發(fā)展和更新快速，對工控自動化的迅速發(fā)展起到很重要的作用。未來工業(yè)生產(chǎn)互聯(lián)網(wǎng)的普及中，以太網(wǎng)通信將以非?？斓乃俣热〈恍┕I(yè)生產(chǎn)通信技術(shù)，成為主流通信技術(shù)。而由于每個廠商都有自己的以太網(wǎng)技術(shù)，不能相互溝通，就導致了工業(yè)應用的具體通信協(xié)議。該系統(tǒng)的未來規(guī)劃是為大型工業(yè)客戶建立物聯(lián)網(wǎng)，僅限于當前的服務支持和分析判斷RS-485串口通信。

2 系統(tǒng)工作原理及設(shè)計方案

2.1 系統(tǒng)工作原理

該系統(tǒng)的工作原理是向電氣設(shè)備添加后備電源。當系統(tǒng)的平均負載在15 分鐘內(nèi)超過閘閥值時，轉(zhuǎn)換為后備電源，而不是主電源：在接下來的15 分鐘內(nèi)轉(zhuǎn)換為主電源。

2.2 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

本文定制的自動控制系統(tǒng)由可編程系統(tǒng)組成(PLC)。電量傳感器、開關(guān)電源電路、Zambezi、控制模塊、由后備電源和工業(yè)觸摸屏構(gòu)成。

系統(tǒng)選用上位機下位機構(gòu)，上位機由PC 機和西門子系統(tǒng)KTP700BasicPN 由觸摸顯示屏構(gòu)成，下位機挑選西門子系統(tǒng)S7-1200 系列產(chǎn)品PLC。上位機負責系統(tǒng)的指令輸入和狀態(tài)監(jiān)控。下位機接收電控制器傳送的數(shù)據(jù)信息進行處理和分析，控制開關(guān)電源電路切割后備電源，包含電控制器和PLC 之間選用Mod bus 通信協(xié)議。上下機之間使用Zambezi 實現(xiàn)系統(tǒng)無線監(jiān)控的數(shù)據(jù)傳輸模塊。

無線監(jiān)控系統(tǒng)包含電力監(jiān)控系統(tǒng)、電力監(jiān)控系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)主要是由電力工程控制器和監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成PLC 構(gòu)成。其功能是通過電力工程控制器收集電力設(shè)備的功能損耗RS-485 接線收集信息上發(fā)送給PLC，并通過Zambezi 控制模塊傳送到監(jiān)控系統(tǒng)，為后備電源切割提供準確的控制依據(jù)。監(jiān)控系統(tǒng)包含PC 機和西門子系統(tǒng)KTP700BasicPN 觸摸顯示屏包含工業(yè)觸摸屏和監(jiān)控大屏。監(jiān)控屏可實時監(jiān)控系統(tǒng)的實際值和后備電源的運行參數(shù)，提前實現(xiàn)預警、記錄等功能。

自動控制系統(tǒng)的關(guān)鍵在于PLC。通過工業(yè)觸摸屏可以直接制定目標值(最大要求)，PLC 控制繼電器組，后控制后備電源的切割，節(jié)約資源。

3 無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)

如今，近距遠程通信技術(shù)應用分為三大類，即Wi-Fi 通訊技術(shù)、藍牙通信技術(shù)及Zambezi 通訊技術(shù)。這幾種近距無線通信技術(shù)在實踐應用中各有優(yōu)缺點。

3.1 藍牙通信技術(shù)

藍牙通信技術(shù)應用是一類面對外部敞開式無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通訊技術(shù)應用，視頻音頻語音通訊技術(shù)應用。根據(jù)低成本的短距離無線網(wǎng)絡(luò)連接，創(chuàng)造了一個獨特的短距離通信網(wǎng)絡(luò)自然環(huán)境，用于固定和移動終端和無線技術(shù)連接。藍牙實現(xiàn)了便攜式移動終端和計算機設(shè)備，無須電纜連接到網(wǎng)絡(luò)，便可連接。

3.2 Wi-Fi 通信技術(shù)

Wi-Fi 通訊技術(shù)符合國際標準IEEE802.11.這是目前最常見的短距離無線通信技術(shù)。通信網(wǎng)絡(luò)間距通常為十多米，速率可以達到450 米Mbps,基本可以達到任何近距遠程通信的需要。除此之外，“Wi-Fi 驗證”是向后兼容的。它在世界各地設(shè)定了統(tǒng)一的標準。與手機不同，它們是兼容的。世界上任何地方的設(shè)備和設(shè)備都能正常工作。Wi-Fi 有線通信網(wǎng)絡(luò)間距，可靠性差，損耗大，互聯(lián)網(wǎng)能力較差，安全系數(shù)差。

3.3 Zambezi 通信技術(shù)

Zambezi 是根據(jù)IEEE802.1.54 低能耗局域網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議。協(xié)議開發(fā)和定制集成IC 無線互聯(lián)網(wǎng)在銷售市場上具有廣闊的應用前景。這是一種非常容易使用的無線通信技術(shù)?？蓮V泛應用于自動控制系統(tǒng)和遠程控制系統(tǒng)。Zambezi 通信網(wǎng)絡(luò)功能消耗低，規(guī)模大，工作頻段靈活。

藍牙技術(shù)，Wi-Fi 通訊技術(shù)和Zambezi 技術(shù)應用功能在一定程度上是互補的。上述無線監(jiān)控系統(tǒng)主要用于主后備電源，功能損耗和傳輸速度不太高，需要一定的傳輸距離，因此應用Zambezi 通訊技術(shù)。在這個系統(tǒng)中。Zambezi 該控制模塊采用分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，配置協(xié)調(diào)器和終端(監(jiān)控終端)，負責匯總終端信息。通過西門子系統(tǒng)系列產(chǎn)品通信模塊和PLC 通訊，搜集PLC 中傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)，協(xié)調(diào)器與上位機連接，終端返回的數(shù)據(jù)顯示在上位機屏幕上，供工作人員監(jiān)控。

4 監(jiān)測控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

闡述了大型工業(yè)顧客無線視頻監(jiān)控的程序開發(fā)標準和計劃方案PLC 主要包含程序開發(fā)平臺和軟件開發(fā)平臺PLC組態(tài)軟件及感應器通信軟件編程及監(jiān)控管理平臺界面。

4.1 軟件總體設(shè)計及設(shè)計原則

4.1.1 軟件總體設(shè)計

軟件的總體設(shè)計包括PLC 電感應器通信程序，PLC控制程序編程和上位機軟件監(jiān)控軟件設(shè)計。在控制后備電源切割前，必須從電源傳感器數(shù)據(jù)中設(shè)計電源數(shù)據(jù)基礎(chǔ)PLC 與電傳感器的通信程序?？刂萍夹g(shù)PLC 具體工作是：電器設(shè)備啟動后，PLC 根據(jù)一定的計算和比較，當15 分鐘內(nèi)實時數(shù)據(jù)大于閘閥值時，轉(zhuǎn)換為后備電源，15分鐘后轉(zhuǎn)換為主電源：15 分鐘內(nèi)未達到閘閥值時，主電源繼續(xù)供電。

操縱系統(tǒng)軟件設(shè)計規(guī)定：（1）按照電源傳感器數(shù)據(jù)自動切割監(jiān)控設(shè)備。（2）根據(jù)監(jiān)控管理平臺控制技術(shù)中的所有執(zhí)行元件，配合監(jiān)控管理平臺。（3）能確保機器的正常運轉(zhuǎn)。

監(jiān)控管理平臺設(shè)計要求：（1）提供手動控制和自動控制監(jiān)控界面，使員工能夠快速控制技術(shù)中的機器，實現(xiàn)監(jiān)控設(shè)備的一鍵啟停。（2）提供參數(shù)設(shè)置頁面，使工作人員能夠根據(jù)工廠的實際需要和工作條件設(shè)置開關(guān)電路的動作閥值。（3）提供操作系統(tǒng)監(jiān)控界面，使工作人員能夠通過動態(tài)監(jiān)控界面立即查驗電器設(shè)備和后備電源工作狀態(tài)。（4）提供操作系統(tǒng)功耗信息查詢界面，使工作人員能夠查詢電器設(shè)備的即時功耗信息和歷史信息。

4.1.2 軟件設(shè)計原則

系統(tǒng)軟件設(shè)計要遵循下列標準：（1）效率：操作系統(tǒng)的快速運行關(guān)系到后備電源的及時切割，關(guān)系到操作系統(tǒng)能不能節(jié)省工廠用電。（2）穩(wěn)定性：程序開發(fā)需要確保操作系統(tǒng)隨時正常運轉(zhuǎn)。（3）簡潔明了性：程序開發(fā)和開發(fā)的可執(zhí)行性，使員工能夠盡快掌握軟件操作原理，然后在未來擴展程序。（4）穩(wěn)定：程序開發(fā)應具有一定的容錯性，能夠警告和提醒人為誤操作，確保系統(tǒng)的安全運行(PLC 該程序有自己的安全設(shè)計，但并不意味著可以省略硬件的安全保護。（5）可擴展性：程序開發(fā)需要擴展空間，以便監(jiān)控設(shè)備能夠滿足未來的需程時，應是每個控制模塊編寫單獨的程序段，以優(yōu)化每個程序段。（6）程序編寫時，應設(shè)計調(diào)試點，便于調(diào)整。

4.2 PLC 程序設(shè)計

文中選擇以SIMATICSTEP7Basic/ProfessionalV15.1（其實就是TI A portal）對PLC（以下簡稱blog 地圖）。這是業(yè)內(nèi)首款選用統(tǒng)一工程模式和軟件項目環(huán)境的自動化軟件，幾乎適合所有自動化日常任務。借助新的工程設(shè)計軟件平臺，顧客可以快速直觀地開發(fā)和調(diào)整自動化系統(tǒng)。

4.2.1 PLC 與電量傳感器的通訊程序設(shè)計

大型工業(yè)顧客無線視頻監(jiān)控的基本功能是通過電力感應器收集電力信息，獲得電力設(shè)備的功耗。所以，監(jiān)控設(shè)備的程序編寫首先要Mod bus 設(shè)置通信。

該設(shè)備中PLC 用以電傳感RS-485 通信，RS-485 按照操作系統(tǒng)實際情況，選用主實際情況，應用一種Mod bus_Comm_Load 通信組態(tài)軟件和- 個Mod bus_Master通信域名。根據(jù)相對較低的工作電壓需要，能增加處理芯片的使用期。RS-485 工作：邏輯性：“1”二者的電壓差為(2 ～6)V 表示。邏輯性“0”二者的電壓差為-(2 ～6)V 表示。接口信號電平比。RS-232 減少了不易損壞通信界面的處理芯片，脈沖信號友誼TTL 脈沖信號兼容，方便TTL 電路連接。

4.2.2 PLC 端口分配

在以上原則的基礎(chǔ)上，首先，對主端口進行分配，運用PLC 文中具體考慮到下列標準：（1）完整性標準。最大限度地滿足操作系統(tǒng)工藝和機器的操縱規(guī)定。（2）穩(wěn)定性標準。電子計算機控制技術(shù)靠譜、穩(wěn)定、平穩(wěn)。（3）效率原則?？刂萍夹g(shù)簡潔明了、實用性、科學合理。（4）發(fā)展原則?？紤]到生產(chǎn)開發(fā)和優(yōu)化的需要。I/O 有一定的通信空間。

4.3 PLC 的主程序設(shè)計

計算后，系統(tǒng)選擇最佳電值PLC 分析閘閥值，即可設(shè)計準備PLC 的程序。

PLC 軟件準備的原理是：電器設(shè)備啟動后，通信程序根據(jù)電力感應器傳輸數(shù)據(jù)，并與閘閥值進行比較。當電器設(shè)備的功耗數(shù)據(jù)接近閘閥值時，立即轉(zhuǎn)換為后備電源：15min 后，重啟時鐘，然后轉(zhuǎn)換為主電源；15min內(nèi)未達到閘閥值的，主電源繼續(xù)供電。

感應器傳送的信息主要有兩種用處，一種編譯程序到上位機軟件與員工實時監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控管理平臺；另一類是上位機軟件與員工實時監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控管理平臺；PLC 啟用源代碼后，按照結(jié)果判斷繼電器的動作。所以，源代碼操縱包括寄存器讀取、子程序調(diào)用、時鐘控制模塊、數(shù)據(jù)計算和比較程序。

5 電能質(zhì)量問題及解決

當設(shè)計系統(tǒng)運行后備電源斷裂時，失去主電源的支持，操作系統(tǒng)輸出功率起伏比較大，操作系統(tǒng)輸出功率調(diào)節(jié)功能偏弱，會有電能質(zhì)量分析難題：此外，后備電源的頻繁切割會導致系統(tǒng)電能質(zhì)量分析難題。由于上述考慮，操作系統(tǒng)需要處理電能質(zhì)量分析難題，精確測量電能質(zhì)量分析最主要的指數(shù)是變壓器損耗。所以，在實驗過程中，操作系統(tǒng)根據(jù)電力感應器加強對電器設(shè)備工作電壓的監(jiān)測，并立即傳送到人機界面。