远程IO数据采集器的开发

2013-10-17杨敏庞义赵忠兴刘丹洁

电气传动 2013年5期

杨敏，庞义，赵忠兴，刘丹洁

（1.长春汽车工业高等专科学校机电工程学院，吉林长春130011；2.长春奥科斯自动化科技有限公司，吉林长春130011）

1 引言

在复杂的工业现场环境中，存在着许多干扰信号，各种干扰信号都具有一定的随机性和不确定性。可能会造成逻辑混乱，系统控制失灵，产生误动作，甚至造成生产设备损坏和人身伤害等。严重影响了工业生产的稳定运行和可靠性，影响了产品的质量和生产效率，因此，有效地排除和抑制各种干扰，是现代工业必须深入探讨和急待解决的问题。

另外，在工业现场中，常常遇到被控对象和被测信号分布在各个不同的地方，并且他们与控制站之间也有相当长的距离，连接的信号线和控制线都比较长。一方面存在着导线用量大、接线复杂、故障率高、安装工期长、维修困难等问题。另一方面，过长而且又多的导线在一起很容易产生电感电容耦合，而产生干扰信号，严重影响生产的稳定运行，值得探索相应的措施来解决。

现场总线控制是当今工业控制的潮流，现场总线技术的应用能有效地解决一些实际问题。然而，对于一些中小型设备的改造或者对现有的一些老设备大修改造时，原来的PLC系统还完好，如果改为现场总线控制就会造成很多不必要的浪费。并且，工业现场的一些机械控制对实时性和可靠性的要求也越来越高。那么就需要有更简单方便的方法来解决这类实际问题。

例如在电镀线行车的控制中，以前是把行车上的接近开关、按钮、限位开关直接连到PLC的输入端，行车拖带着很多导线，各种干扰使行车无法正常运行，按照传统的方法，采用电阻电容进行滤波，其效果并不显著，而且还影响了响应的时间。使行车定位不准，对偶尔出现的大的干扰信号无法过滤掉。由于行车拖带的导线长（可达100多m）而多，长时间很容易使导线折断，更换导线也非常困难，而且还产生干扰信号。这些现实问题的存在，必须进行深入探讨，寻找出有效的解决方案。

针对上述工业现场的各种干扰问题、大量复杂的配线带来的一系列问题，以及过滤器的失灵等实际问题，研制开发了远程IO信号采集器（本文简称采集器）。

2 采集器的系统组成和工作原理

所谓采集器是将输入口的位信号以数字形式通过现场总线传递给输出口的一种装置。采集器也是一种形式的总线，它有更好的实时性，而且简单方便。

2.1 系统的组成

采集器系统的组成框图见图1。

图1 系统框图Fig.1 System block diagram

通过采集器将现场信号传递给PLC，既保证了集中控制，又保证了长距离信号传输的可靠性。采集器最多可代3个扩展，可传送64位。

采集器设有主机和扩展单元。

主机有3种型号：M01-OC 16点继电器输出，M01-OD 16点晶体管输出，M01-ID 16点晶体管双向输入bilateral。

扩展3种型号：E01-OD 16点晶体管输出，E01-OC 16点继电器输出，E01-ID 16点晶体管双向输入。

其中M01-OC 16点继电器输出主机，可以和16点输入的任意一款集线器相配合。也可单独做为总线式远程IO。M01-OC 16点继电器输出主机，可以和16点输入的任意一款集线器相配合。也可单独做为总线式远程IO。

2.2 工作原理

远程IO信号采集器是采用RS485总线的方式进行通讯，标准帧格式和CRC校验。波特率采用115.2 kb/s。一组采集器最多可传送64位，采集器如果在100 ms内没有进行有效应答则会将所有输出口置零，利用这个特点可对采集器的工作情况进行监视，使上位机做出相应的保护措施。

3 采集器的功能特点

1）点对点的通讯方式，提高了系统运行的可靠性。网络控制存在着单点故障容易扩散的问题，进而造成整个网络系统瘫痪的弊端，采集器采用了点对点的通讯方式，能够有效地克服单点故障殃及周围的问题，使系统运行更加安全可靠。

2）使用方便，便于安装。无须用户做任何编程工作，只需将采集器当作接线端子即可。使用方便，易于安装和掌握。

3）速度快，可靠性高，实时性好。采集器是采用专线专用方式配线，无站号分配。所以速度快，可靠性高，实时性好，安全性高。

4）接线简单、成本低。采集器仅用2根导线就可以取代原有的远距离的诸多繁杂接线，既降低了安装成本、又减少了安装工期，使安装接线更加容易，降低了故障率。

5）监视功能强、维修方便。每组采集器的状态都有相应的指示灯，运行状态一目了然，具有监视功能强、便于故障诊断、维修极为方便的特点。

6）配置灵活，通用性强。根据生产要求，选择的系统配置各不相同，然而，采集器能够和任何一种PLC配合使用，可以灵活配置，具有通用性强的特点。

7）抗干扰能力强。采集器采用了差分输入方式，工业信号实现现场采集数字传送时，采集器能有效地防止信号在传输过程中受到的各种干扰，具有较强的抗干扰能力。

8）取代了原来的过滤器，节省了大量的导线，减少了干扰信号，提高了抗干扰能力。

4 效果验证

以采集器在电镀生产线上的应用为例。电镀生产线上通常有2个至5个行车运行，其中一台行车的控制大约需要6个接近开关、5个限位开关等控制元件，控制线和电机的驱动线共用16棵线走在同一个扁平电缆内，电缆长度约100余m，对2个以上行车的控制就需要几十个开关控制，控制线和电机驱动线就更多，诸多的电缆线在系统运行时必然产生一定的电磁干扰。另一方面，行车的行走是采用变频器来控制的，变频器是将固定频率的交流电变换为频率连续可调的交流电的装置［3］，当变频调速系统的容量足够大时，所产生的高频信号将足以对周围各种电子设备的工作形成干扰，影响周围设备正常工作，为了避免控制信号、变频器等带来的各种干扰，传统的方法是采用PLC现场信号过滤器来抑制干扰，现场信号过滤器主要是阻容吸收电路，电容小了过滤效果不好，电容太大又会影响响应时间，并且电网的波动有时也会造成过滤器失灵，使得行车常常发生定位不准，误动作等故障，严重影响了生产效率和产品质量。

电镀线对行车的基本要求是：行走速度快，定位准确，行走时平稳性能好。

采用远程IO信号采集器取代现场信号过滤器后，充分体现了其优越性：

1）由于采集器是采用点对点的通讯方式，所以具有更好的速度性和可靠性。有效地解决了变频器对控制信号的干扰问题，消除了误动作，提高了系统运行的可靠性；

2）用传统的现场信号过滤器时，行车计位用接近开关的检测距离是20 mm，采用采集器时，行车计位用接近开关的检测距离是10 mm，检测距离提高了一倍，从而提高了器件的响应时间，大大提高了行车的运行速度和行车的定位精度，解决了现场信号过滤器响应时间慢使定位不准确的问题；

3）取代了原来的现场信号过滤器，增强了抗干扰能力，还将原来的几十根导线减少为2根线，大大减少了导线用量，进而减少了由于导线折断等因素而引起的故障，既降低了成本，又提高了生产效率和系统运行的可靠性；

4）采用采集器配线少，安装简单，减少了安装周期；

5）采集器上具有相应的状态指示灯，使运行状态一目了然，便于故障诊断，给维修带来了极大的方便。行车控制的原理图见图2。

图2 行车控制的原理图Fig.2 Traffic control schematic diagram

系统的开关量接在采集器主机的输入单元，主机的输入单元安装在现场，主机的输出单元安装在控制柜里，取代了原来的过滤器，也取消了原来在现场和控制柜之间连接的大量导线，输入单元与输出单元之间只需两屏蔽线，大大减少了导线的根数。使接线和维护变得极为简单。经过1 a多现场使用证明，其可靠性大大高于原来的方法，1 a多来，行车运行稳定，从未出现过现场信号干扰等因素带来的错误动作。