基于PLC和组态王的电源控制系统的设计与实现

姜茂仁，刘国栋，杨国为

(1.海军航空工程学院青岛校区，山东 青岛 266041;2.南昌航空大学信息工程学院，江西 南昌 330063)

0 引言

鉴于机载电子设备的复杂程度，比较流行的方法是借助电子设备自动测试与诊断系统(ATE)来完成定检工作［1］，ATE的应用一方面增加了测试仪器资源的通用性，另一方面却使得系统越来越庞大，多台仪器分时加电、集中控制就成为ATE电源控制的一个现实问题。鉴于PLC积木式组合的特点［2-4］，应用PLC控制ATE测试仪器资源的动作工序，可以简化控制线路，提高可靠性，在保证工作效率的条件下节约成本［5］;同时，利用工业控制软件组态王实现仪器设备的自检与诊断，组态王具有友好的人机界面，可以方便、安全地进行设备的自动上电与人工切换［6］，同时可以实时显示电压、电流、温湿度的变化并及时发出报警。

1 基于PLC的系统设计

1.1 CPU226输出控制的设计

本系统硬件设计中，继电器起到开关的作用，继电器的供电端通过总电源开关直接接到市电上，触点的吸合是通过CPU226输出的高低电平来控制的。当输出高电平时，继电器线圈吸合，触点闭合，接通供电回路，测试仪器开始工作，相应的指示灯也开始亮;当输出低电平时，继电器线圈断开，触点断开，供电回路断开，测试仪器停止工作，相应的指示灯灭，工作原理如图1所示。

图1 控制原理

图1中CPU为西门子AC/DC/Relay输出型，即交流供电、直流数字量输入、数字量输出点的继电器触点类型，本机集成24输入/16输出共40个数字量I/O点，可连接7个扩展模块，最大扩展至248路数字量I/O点，26k字节程序和数据存储空间，6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有 PID 控制器，2个 RS485通讯/编程口［7］，通讯口Port0采用PPI通讯协议与TD400C通信，Port1通过RS232/RS485电平转换器与工控机相连。图1中只给出了一路的控制关系，其他的15路控制关系类似。

1.2 模拟量扩展模块设计

图2是模拟量扩展模块EM231的接线图。在图2中，模式转换模块EM231为4通道的模拟量输入模块，配置DIP开关的设置为SW1 SW2 SW3 SW4 SW5 SW6==110000。满量程输入电压为0～5V，分辨率为1.25mV。满量程输入电流为0～20mA，分辨率为5μA［8］。电压、电流模拟信号分别来自电压、电流隔离传感器。

图2 模拟量扩展模块EM231输入端接线

温湿度模拟信号主要通过外部接线插座连接温湿度变送器获得。产生模拟信号的外部设备供电通过CPU的传感器电源获得。温湿度变送器的主要参数［9］如表 1 所示。

1.3 开关电源设计

由于平时使用的交流电不稳定，系统采用了S-100系列的S-100-24单输出开关电源。开关电源主要的作用是将工频交流变成直流，再将直流变换成高频交流，通过开关变压器，反馈稳压等过程变成所需要的稳定的24V电源，供给模拟量扩展模块［10］，同时使连接工控机的继电器始终输出高电平，这样可以满足工控机、数字多用表首先工作的控制要求。

表1 温湿度变送器参数

1.4 抑制共模现象

为了抑制共模干扰，附加的24V直流电源负极必须与CPU输出的传感器电源负极(M端)连接，模拟量扩展模块EM231信号的负端要连接到扩展模块的电源输入的M端子［11］。

2 基于组态王的系统实现

2.1 组态王控制的原理

图3 组态王控制的基本原理

图3是组态王控制的基本原理图。在图3中，PLC初始化和整个过程结束时开关的状态都设置为关的状态，在整个的工作过程中，开关状态的改变主要利用计数器来实现的，通过设定不同的计数器来分别记录不同开关的状态，假设设定开关的初始状态为关，此时计数器的初始值设置为0，当触动开关的时候，计数器累加为1，当进行下一个过程的时候，通过程序将现在开关所对应的计数器的值和前一个计数器的值进行比较，若是相同，则开关保持前一个状态，计数器的值不变，若是不同，开关进行状态变换，同时计数器加1，通过这样的设计［12］，可以在不同的工作状态下很快切换，保证了工作的连续性和高效性。

2.2 数据库的设计［13］

数据库的主要作用是记录16种不同设备组合成13种开关状态，用户可以通过选择数据库中已经记录的“配方”来快速地切换开关工作状态，同时为了便于以后扩展其它的测试设备，相应设置了不同权限的操作，在一定的权限范围内可以增加不同的测试仪器，这样一方面增加了设备的可扩展性，另一方面增加了数据操作的安全性。具体实现过程如下:

(1)建立数据表。在Microsoft Access中建立数据表“配方”，字段名称分别为16路输出端口控制仪器的名称，数据类型都设置为“是/否”。

(2)配置数据源。在控制面板中，依次展开“性能和维护”、“管理工具”、“数据源(ODBC)”，在数据源中配置数据库，驱动程序选择 Microsoft Access Driver(*.mdb)，数据库选择步骤(1)中建立的数据表“配方”。

(3)连接数据库。在组态王中SQL访问管理器中，新建一个记录体，记录体中的名称选择步骤(2)中配置的配方名，字段名称与数据表中的字段相对应。

通过以上几个步骤组态王中的内存变量就和工程中实际要控制的量联系在一起了，这样可以通过控制组态中的变量间接实现工程上的控制。

2.3 KVODC控件的设计

在实际的控制过程中，为了直观地看到实际的操作结果，采用先模拟演示、后应用的设计思想，通过这样的设计不仅增加了数据采集的速度，而且增加了操作的准确性和可靠性。

在控件工具栏中选择“插入通用控件”，在插入控件中选择“KVADODBGrid Class”，完成控件的插入。在控件的属性选项下，数据源驱动中数据库的名称选择“配方”，表的名称为“配方”，将16路控制仪器的字段全部添加到显示栏中。为方便操作，在控件显示窗口中添加了“设备添加”、“查询”、“模拟演示”等按钮。

2.4 操作权限的设计

为增加管理和操作的安全性，限制操作用户的权限和保证设备的安全，在“自定义设备”、“删除设备”、“打印”以及“用户管理”按钮中设置了相应的权限，非权限内的用户不能进行操作。

图4 系统控制流程

3 控制过程及主要的指标

基于PLC和组态王实现的电源控制的过程如图4所示，从图4中可以看出系统有自动和手动两种工作状态，在一定条件下可以实现两种状态的无痕切换，增加了系统的智能性。

报警系统上限和下限的设定主要参照系统的工作参数，系统的工作参数如下所示:

(1)工作环境温度。

工作状态:0℃ ～+40℃;非工作状态:－25℃ ～+70℃。

(2)工作环境湿度。

工作状态:10% ～90%(温度20℃);非工作状态:不大于95%(温度不高于30℃)。

(3)系统供电。

交流电源:220V±22V/50Hz。

4 解决的关键问题

本文从实际出发主要解决了数据采集和系统安全性的问题。

4.1 数据采集速率

数据采集慢的原因:(1)在正常的情况下，组态软件定时向下位机发出读命令来等待下位机回应以截取想要查询的数据，周而复始的循环，数据便动态地显示在上位机上，实现数据的“实时采集”。那么当需要对下位机进行控制时，组态软件就会相应写命令，实现上位机对下位机的“实施控制”。(2)组态软件为实现快速的控制，给写命令最高的优先执行权，也就是说，当有写(控制)命令时，组态软件首先执行写命令，直到没有写(控制)命令时组态软件才恢复正常的读(采集)循环。

如果用户频繁将控制指令发出，系统将分配很少的时间给数据采集，从而导致数据采集变慢或者中断。用户在循环指令中重复给一个变量赋值(如y0=1)，就会导致以上问题，所以笔者的解决办法就是需要控制时控制，不需要控制时放手。为了实现这种控制方式，在组态软件控制中，采用先运算再输出的方法，即对IO变量有循环复杂运算操作时，采用中间变量计算，待计算出结果时再对IO变量赋值，这样就能解决控制中数据采集慢的问题［14］。

4.2 系统安全性设计技术

为了保证系统的安全性，在硬件上，系统采用防差错设计、防静电措施、容错设计及断电自动保护等技术;软件上，采用测试资源管理、身份识别等措施，最大限度地防止事故的发生。

5 结束语

本文从实际应用出发并结合了现有的技术和条件，按照工程使用要求，综合了数据采集、工业控制和安全性设计等技术，设计并实现了基于PLC和组态王的电源控制系统，较好地解决了系统电源控制的问题。经过实际应用，该系统能够很好地满足控制的要求，节省了设备占用空间，操作方便，安全性好，具有很好的实际应用价值。

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