分布式PLC系统在空气开关检测中的应用

侯 磊

（福州职业技术学院，福建 福州 350108）

长期以来，PLC始终处于工业自动化控制领域的主战场，其应用已经扩大到各个行业，从低端到高端，可谓是无所不在。随着微处理器技术的革新与不断提升，同时软件编程技术的灵活性与实用性也在不断进步，这都为PLC性能的优化提供了条件，从而PLC能够实现更加复杂的运动控制和过程控制，进一步提高工业生产效率以及系统运行的可靠性、安全性［1］。

然而在使用过程中，人们逐渐认识到传统PLC存在着诸多缺陷，如：传统PLC的生产厂商之间的产品相互不兼容，缺少明确一致的标准，造成难以构建开放的硬件体系结构；各厂商的编程方法差别很大，技术专有性较强，开发人员必须经过较长时间的专业培训才能掌握某种产品的编程方法［2］。在进行自动化设备的设计时，有时会碰到这样的需求和问题：1）不需要PLC的全部功能，同时要求逻辑控制器的成本较低，这时若采用现成的PLC很难实现低成本的要求。2）要求配置控制器的输入和输出关系比较直观和方便，普通的操作人员就可以进行输入和输出关系的配置［3］。3）被控设备分布在厂房的不同位置。在碰到这类情况时，传统的PLC难以到达要求。

为了克服这些问题，一种新的PLC应运而生，即分布式PLC。分布式控制系统（Distributed Control System，DCS），也叫集散控制系统，它是 1 个由过程控制级和过程监控级组成的以通信网络为纽带的多级计算机系统。集中控制系统（Centralized Control System，CCS），也叫中央控制系统，是将过程控制、检测集中在 1 台计算机上的单级计算机系统［4］。分布式控制系统的“分布”体现在物理上分立并分布在不同位置上的多个子系统，在功能上集成为一个系统［5］。分布式PLC具有PLC的基本功能，成本较低，降低了系统的复杂性。这种PLC可单独工作，也可联机工作，可对分布于不同地方的不同设备进行统一管理，节点之间通过总线进行连接。控制器的开关量输入输出配置简单方便，不需要掌握梯形图等编程语言，只需了解输入输出的逻辑关系，即可进行相关的配置。基于此，文章提出了一种基于分布式PLC的空气开关检测方案。

1 分布式PLC结构

分布式PLC的系统结构如图1所示，包括上位机和PLC模块两部分。上位机主要用于终端管理和人机交互的功能，设置实验参数，控制实验的启停，实时监控实验过程，进行结果的存储与显示等工作。PLC主要工作是接收上位机的控制参数及控制命令；控制检测电路所需的可调恒流源以提供给被测空气开关的主回路；对实验过程进行实时控制、采集实验数据；将采集的实验数据和最终结果传给上位机。上位机和PLC模块通过总线进行通信，总线上可挂接多个PLC模块，PLC模块的数量根据实际设计需要而定。上位机提供了友好的人机交互界面，在上位机上可进行PLC模块的开关量输入输出关系配置，配置是通过输入相应的逻辑表达式实现的，配置方式直观简单。上位机在设备运行的过程中，监视PLC模块的开关量输入输出状态，同时可控制PLC模块进行模拟量的采集和输出。系统中上位机可以称之为主节点，各个PLC模块称之为主节点，一个分布式控制系统可以看成由若干个节点通过总线连接形成的，每一个节点带有若干个输入和若干个输出。

图1 分布式PLC结构

2 分布式PLC在空气开关检测中的应用

2.1 空气开关检测原理

空气开关是一种只要电路中电流过大就会自动跳闸的开关，广泛应用于电力拖动系统和低压配电网络中。它不仅能完成接触和分断电路功能，而且能对电路或电气设备发生的短路、严重过载和欠压进行保护，同时也可以用于不频繁地启动电动机。

工业应用中对低压断路器市场需求一直保持着高增长，国内用户对这类产品的质量和技术水平的要求也越来越高，同时这类产品的进出口的规模也在日益扩大，因此设计一套具有先进测试功能的低压断路器延时特性检测平台对于相关产品的检测工作的开展具有非常现实的意义［6］。

为了检测空气开关是否合格。根据国家相关规定，本文设计了如图2所示的基本测试电路。

图2 基本测试电路

测试过程：闭合空气开关，通过恒流源给空气开关施加两个阶段的电流，第一个阶段时间T1内给空气开关施加其额定电流Ie，第二个阶段时间T2内给空气开关施加1.5Ie的电流。如果在第一阶段电流的作用下空气开关跳闸，就认为此空气开关不合格，如果没有跳闸，就加大电流，进行第二阶段的测试，如果在第二个时间段内此空气开关不跳闸，那么也说明它不合格。也就是说空气开关合格的标准是：在阶段一不跳闸而在阶段二必须跳闸。

2.2 系统结构

空气开关检测平台框架如图3所示。为提高效率，将10个空气开关串成一组同时进行检测。这样就有一个问题，不同的空气开关跳闸时间不一样，假如其中一个先跳闸，那么整个电流通路就会切断，其他空开就无法检测。需要在某个空气开关断开的情况下保持电流电路的通路，所以在每个空气开关的两端并联一个传感器和接触器，当空气开关跳闸时，传感器就会检测到这个开关量信号，并且把这个信号传输给从节点，从节点就会输出信号控制相应的接触器闭合以维持电流通路，让其他空气开关完成检测。

首先，通过主节点的人机界面进行两阶段的电流和时间设置，启动后，主节点把设置的电流通过总线发给从节点。然后从节点就每隔一段时间采集一次电流，计算实际电流和设定电流的差值，通过DAC进行闭环电流控制。测试中，当任一空气开关断开，恒流源输出的电压就会加在其两端，这时并联在这个空气开关两端的传感器就会感知到这一断路信息，并告知从节点，让从节点闭合相应接触器，以维持电流通路，进而继续测试其他空气开关。从节点的在收到传感器的信号时还会通过总线把空气开关的状态告诉主节点，让主节点显示断路时间，并判断相应空气开关是否合格。当第一阶段时间到时，主节点会主动把第二阶段的电流发给从节点，让从节点把电流调到电流二，以进一步测试。当总时间到时，主节点会发报文切断电流，并显示10个空气开关的信息，当然，测试的过程中，如果操作人员想中断测试，也可以按停止，结束测试。

空气开关的通断情况就是分布式PLC的开关量输入IN，接触器的通断情况就是分布式PLC的开关量输出OUT。本应用中开关量输入输出关系比较简单，就是一一对应关系：

把十个传感器的输入定义为从节点的输入点X1～X10，把十个接触器输出定义为从节点的输出点Y1～Y10。以此来构成一个分布式PLC系统，可对分布于不同工位的空气开关进行统一检测，节点之间通过总线进行连接。很明显，输出点和输入点的逻辑关系为：

图3 空气开关检测平台框架

2.3 系统主要单元设计

由图3可以看出，检测平台除了需要上面介绍的分布式PLC系统，还包括一些外围电路和元器件，包括0～300 A交流恒流源、开关量传感器、接触器等。

1）恒流源。

本系统采用的恒流源根据所测空气开关的要求选择输出为0～300 A/AC，输入为0～5 V，开路电压为10 V的交流恒流源。输入和输出成线性关系，方便控制。控制恒流源的开关状态由从节点1控制。从节点1还负责通过DA输出电压控制恒流源电流，同时通过通信实时采集恒流源的电流值，实现对恒流源的反馈控制。

2）开关量传感器。

整流桥的输入两端接在空气开关两端，检测过程中当对应的空气开关跳闸时，恒流源输出的10 V电压就会加在其两端，则整流桥的输入端就会出现交流电压，通过整流桥后就形成直流电压，该直流电压就会驱动继电器使其触点吸合，触点的一段接地，另一端接从节点输入。从节点检测相应输入是否为低电平就可以判断对应的空气开关是否断开。所以这里用到的开关量传感器其实就是一个交流电压转高低电平的转接电路，如图4所示。

图4 传感器电路

3）开关量信号输入模块。

PLC最基本的应用是开关量的逻辑控制。开关量输入通道用来输入各种限位开关、继电器、电磁阀门、手动操作按钮的开关状态等。

在工业现场中，系统的工作环境很复杂，避免不了各种设备之间的干扰。所以必须将控制模块和外围模块进行电气隔离，一方面可以提高系统抗干扰能力，另一方面防止外围电路故障时，强电侵入弱电，损坏控制器。

本系统采用了Toshiba公司生产的TLP521光电耦合器完成电气隔离，它的速度可以达到10 KB/S，能与TTL集成电路相兼容。本系统的开关量输入采用直流信号输入方式。开关量输入端电路如图5所示。R36为限流电阻，C32和R37组成一阶滤波电路，防止外界干扰进入，LED2为输入指示灯。

图5 开关量输入端电路

4）开关量信号输出模块。

工业设备的输出主要用来控制大功率交流负载如三相电机、各种电磁阀，电磁铁等。根据不同要求，有不同的输出形式，如继电器、大功率晶体管、场效应管、可控硅等。本系统采用继电器输出的形式，继电器的工作电压是12 V，而从节点的数字输出口的逻辑高电平为3.3 V，不能直接驱动继电器，因此需要设计图6所示的光电耦合器驱动电路来驱动继电器，同时光电耦合器还能实现电气隔离，对芯片起到保护作用。二极管D8起限流作用，防止继电器关断时产生过电流，开关量信号输出电路如图6所示。

图6 开关量信号输出电路

5）通信总线。

现场总线控制技术使控制系统的信息交换和沟通迅速覆盖了从现场设备层到控制、管理的各个层次，目前己开发出40多种现场总线，如CAN、Profibus、DeviceNet、Lonworks等［7］。CAN总 线的主要特点是：1） 采用全双工的通信方式，无主从机之分，可实现分布式系统；2） 最大传输速率1 Mbps/40 m，最远传输距离10 km/5 kbps［8］。

多台 PLC 的组网方式可以采用 RS485总线。由于RS485本身存在许多局限性，随着科技的发展，RS485总线效率低、系统实时性差、通讯可靠性低、后期维护成本高、网络工程调试复杂、传输距离不理想、单总线可挂接的节点少、应用不灵活等缺点慢慢地暴露出来［9］。综上所述，本文选择用CAN总线取代PLC的RS485网络是一种比较理想的方案。

6）接触器。

为了提高系统安全性，采用了24 V的接触器，所以需要一个变压器，将220 V转成24 V，又由于PLC输出的是弱电信号，所以采用了一个中间继电器进行驱动，具体电路比较简单，不再列出。从节点的输出接到中间继电器（直流24 V驱动）的线圈一端，线圈的另一端接+24 V直流电源端。当从节点输出为低电平时，中间继电器机吸合，从而使接触器的线圈通上交流24 V电压，接触器的触点吸合。接触器的触点两端接在空气开关两端，这样当空气开关断开时，接触器吸合从而保持电流回路保持通路状态。

7）I/V转换电路。

恒流源电流的控制是一个闭环系统，包括电流的采集和D/A控制，其中电流采集精确度将影响整个测量的精度。本系统中，先用一个电流互感器将0～300 A电流转换成0～20 mA交流电流，然后用电流电压转换电路将这个小电流转换成电压，输入给PLC。I/V转换电路包括绝对值电路和滤波电路。其中，绝对值电路如图7所示，首先用电阻R15将交流电流转换成交流电压，然后再进行绝对值处理。滤波电路比较简单，这里不再介绍。

图7 I/V转换电路

2.4 空气开关检测平台电流测试结果

软硬件平台搭建好后首先进入编程界面，将程序通过CAN总线下载到从节点，从节点将逻辑关系写进flash存储器。以后从节点就不断采集传感器信号，然后根据逻辑关系更新接触器控制信号。图8所示分别为空气开关检测的工作界面和应用现场。

图8 空气开关检测的工作界面和应用现场

表1所示为本系统电流控制部分测试结果。其中测试台设定值和测试台显示值完全相同，因为测试系统对电流进行了闭环控制，将两者不断比较，直到两者相同。为了便于比较，将钳形表显示值作为标准值，是系统当前电流的准确值。从表中可以看出实际值和显示值误差在百分之一内。

3 结论

文章针对在一些应用场合下普通PLC所存在的不足，提出了一种基于CAN总线的分布式PLC实现方案。分布式PLC与上位机实时通信，可以对分布于不同地方的不同设备进行统一管理。具备了普通PLC的基本功能，有一定的扩展性，并具有很好的实时性和个性化。同时无需复杂的编程语言即可对分布式PLC进行操作，降低了系统的复杂度。特别是在被控设备多而分散时的控制场合，具有广阔的应用前景。通过在空气开关检测中的实际应用和测试数据，验证了分布式PLC的实用性和可靠性。

表1 电流检测结果