可编程控制器在火炮电气管理系统上的应用＊

马福民

（海军装备部重庆局 成都 610110)

1 引言

可编程控制器（PLC)［1］是以微处理器为核心，综合了计算机技术、自动控制技术和通信技术而发展起来的一种通用工业自动控制装置。它具有控制功能强、可靠性高、使用灵活方便、易于扩展等优点，在交通、化工、国防、电力等领域获得了广泛的应用。

传统火炮电气管理系统通常采用继电器逻辑控制电路来实现，结构庞大，控制方式复杂，现场调试困难，接口联调性差，抗干扰能力差，并且自身不具有通信能力，与数字化指挥控制系统难以实现数据交换。而采用可编程控制器作为电气管理系统的核心控制单元，则可以利用其内置的标准通信接口实现与其它设备的数据交换，能对火炮各种工作方式的信息流向进行自动管理，提高了系统的反应速度，并且整个系统调试维护容易，可靠性高，抗干扰能力强。

2 火炮电气管理系统控制要求

某型火炮电气管理系统原理框图如图1所示，开关1、开关2和按钮1、按钮2的信号输入至电气管理系统，根据功能要求输出信号控制电磁阀1、电磁阀2和电磁铁以实现相应控制功能。

图1中虚线框内所示为电气管理系统的核心控制部分，由CPU、输入输出变换、输出驱动放大、DC/DC电源变换等组成。

某型火炮电气管理系统控制要求是［2］：当开关1接通时，电磁阀1通电约1s后关闭；当按钮1接通时，电磁阀2通电直至开关1断开；当按钮2接通时，电磁铁通电约0.8s后断电；当开关1或者开关2接通时，无论按钮2是否接通，电磁铁都不能通电；按钮2在一分钟内接通次数超过6次后，电磁铁锁定在断电状态，直到系统复位。

图1 火炮电气管理系统原理框图

3 火炮电气管理系统分析与设计

火炮电气管理系统中各种开关信号和按钮信号经过信号变换后输入给CPU，经过程序处理、信号变换、信号驱动放大后，输出信号控制各个继电器线圈，从而控制各个电磁阀和电磁铁的接通与断开，实现相应功能。由于该部分电路组成比较复杂，火炮工作环境条件恶劣，要求电路具有很强的环境适应能力和极高的工作可靠性，因此，该电路功能就由可编程控制器（PLC)来实现。PLC［1］采用了微电子技术、半导体技术和新的制造工艺，将信号输入输出变换、信号隔离、信号处理、信号驱动等集成在一起，并采取了有效的屏蔽、滤波、隔离等抗干扰措施，特别适合在恶劣的工作环境中要求具有极高安全性和可靠性的控制过程。而且连接上，只需要将输入信号的设备与PLC输入端子相连，将输出信号执行控制任务的执行器件（如：继电器)与PLC输出端子连接，具有接线简单、使用维护方便等优点。因而，火炮电气管理系统组成框图可如图2所示。

图2 火炮电气管理系统组成框图

可编程控制器机型的选择主要是要求在功能上满足需要，并且充分利用系统资源。首先要对被控制系统进行初步估计，比如有多少开关量输入输出；输入输出电压是多少；输出功率是多少；有多少模拟量输入输出；现场对控制器响应速度有何要求等。在功能满足要求的前提下，选择最可靠、维护使用最方便以及性能价格最优的机型。

PLC与被控制机构的联系是通过I/O接口来实现的［3］，PLC有许多I/O接口模块，包括开关量输入输出模块、模拟量输入输出模块以及其他一些特殊模块，使用时应根据具体的特点进行选择，根据不同的控制对象选择相应数量的I/O点数，再增加10%～20%的备用量，以便功能扩展。

对某型火炮，我们选用了市场上应用非常广泛的西门子S7－200系列PLC［4］，该系列PLC主机采用了整体式结构，体积较小，而且可以通过扩展端口来增减输入/输出的数量，也可以通过扩展其他模块的方式来实现不同的控制功能，具有良好的系统升级性能。根据控制功能要求，选择该系列中的CPU222主机［4］，它包括一个中央处理器CPU、8个数字输入点、6个数字输出点、一个RS－485通信/编程口以及电源模块。

CPU222主机输出端口额定电流小于1A，而电磁铁线圈、电磁阀工作电流都远远超过其额定电流，因此需要选用一个继电器作为执行部件来控制电磁铁和电磁阀线圈，如图2中的继电器JK1、JK2、JK3。指示灯 HL1和指示灯HL2作为工作状态指示，电流很小，PLC可以直接驱动点亮。为了保证PLC的运行安全，必要时需加入电源保护、输出点保护等外加保护电路，避免PLC的异常损坏。整个装置结构简单，部件数量少，各个部件之间接线简单，易于安装与维护。

4 可编程控制器的程序编制

根据控制对象的控制任务就可以进行控制系统的流程设计，画出控制系统的流程图，进一步明确各个控制信息之间的关系，然后进行PLC程序编制和调试。

S7－200系列可编程控制器采用梯形图LAD或者语句表STL来完成程序编制。在程序编制中除完成规定的各项开关动作、控制和保护功能外，为了保证整个电气系统运行的安全、可靠，除了依靠PLC自身的监控电路设计和系统硬件电路防错设计外，还必须从软件上设计各种防干扰、防误击发的措施。

图2中开关S1、开关S2、按钮SB1和按钮SB2各个输入信号必须提高其输入可靠性。由于电磁干扰、信号误差等因素的影响，会引起输入信号的错误，造成程序判断失误引起事故，例如按钮的抖动、继电器触点的瞬间跳动都可能引起系统误动作，因此必须设计软件延时和重复采样程序消除按钮抖动，以防止各种干扰信号对控制系统的误触发，保证系统的安全可靠。同时，为了防止系统死机，造成程序混乱导致安全事故，程序编制中必须加入WDT看门狗程序，保证系统死机时，控制器程序能够输出信号关闭各个电磁阀和电磁铁，保证系统安全可靠。

5 可编程控制器的抗干扰措施

可编程控制器尽管在设计制造时已采取了许多抗干扰措施，使其能够适应恶劣的工作环境，但为了确保整个系统稳定可靠，还是应当采取其他必要的抗干扰措施。

可编程控制器系统干扰的主要来源包括［3］：电源的干扰；信号线引入的干扰；接地系统的干扰。

针对这些干扰可以给可编程控制器单独设计电源系统，增加电源滤波器，采取良好的接地措施；并且对可编程控制器的电源线和信号线分别配线，对I/O线和大电流线分别排列捆扎，信号线尽量采用屏蔽线或者双绞线；同时需要正确选择接地点，完善接地系统，根据具体情况选择单点接地或者多点接地。

6 结语

采用可编程控制器为核心的火炮电气管理系统不仅可以实现所需的控制功能，而且可以利用其强大的通信能力，通过对复杂的火控信号和供输弹信息进行管理，使火控系统的弹道解算、操瞄解算与供输弹的自动装填同步进行，实现火炮的自动复瞄，提高其射击精度和射击速度，极大地提高了火炮的综合性能。

采用可编程控制器的火炮电气管理系统有效地实现了火炮各项控制功能，完善了硬件的分配和软件的优化，简化了系统设计，提高了控制系统的稳定性与可靠性，并具有外围器件简单，使用维护方便，可扩展功能强等特点，从而使整个火炮系统的研制和生产得到更大发展。

［1］于广庆.可编程控制器原理及系统设计［M］.北京：清华大学出版社，2004：5659.

［2］某型火炮培训教材［Z］.成都：国营167厂，2010.

［3］张万忠.可编程控制器应用技术［M］.北京：化学工业出版社，2001：77.

［4］谢丽萍，王占富.西门子S7200PLC快速入门与实践［M］.北京：人民邮电出版社，2010：158.