基于 PLC的继电器安全控制系统设计

摘要：由于继电器安全控制系统设计过程中不明确发送主线程原理，导致系统反应时间过长，为此，设计基于 PLC的继电器安全控制系统。在设计系统硬件上，为保证系统性能得到有效提升，结合 PLC编程功能，选择带有触摸屏的工控机、合理配套芯片与数字流量卡，设计全新硬件结构。在设计系统软件上，选择 Profibus数据传输模式，建立数据处理单元，控制系统节点，设计 PLC 安全控制程序，控制触点与输出效果，建立发送主线程，避免电力线路在数据传输时产生影响，基于 PLC编程构建继电器安全控制模型，完成系统整体设计。实验结果表明：设计系统与两组传统系统相比较，在200Ω下，设计系统反应时间比两组传统系统分别提高0.940 s和2.003 s ，在1000Ω下，分别提高4.248 s和7.539 s ，由此可见，基于PLC的继电器安全控制系统反应时间明显改善。关键词：PLC编程;继电器;安全控制;系统设计

中图分类号：TN915.5;TP273             文献标志码：A        文章编号：1009-9492（2021）12-0167-04

Design of Relay Safety Control System Based on PLC Jie Zicheng

（Hefei University of Technology Design Institute （Group） Co.， Ltd.， Hefei 230001， China）

Abstract： Because the principle of sending main thread is not clear in the design process of the relay safety control system， the reaction time of the system is too long. Therefore， the relay safety control system based on PLC was designed. Based on the PLC programming function， the industrial control computer with touch screen， reasonable matching chip and digital flow card were selected to design a new hardware structure. On the design system software， select the Profibus data transmission mode， establish the data processing unit， control the system node， design the PLC security control program， control the contact and output effect， establish the main transmission line， avoid the influence of power line in data transmission， build relay safety control model based on PLC programming， complete the whole system design. The experimental results show that compared with the two groups of traditional systems， the reaction time of the design system is 0.940 s and 2.003 s， respectively under 200Ω. At 1000Ω， it increases by 4.248 s and 7.539 s respectively. The reaction time of relay safety control system based on PLC is obviously improved.   Key words： PLC programming; relay; safety control; system design

0 引言

继电器不仅是各大生产线设备的重要组成部分，也是铁路运输系统控制信号的核心元件，由于各大生产线设备一般都是24 h不间断地全天工作，因此设备的控制系统需安全稳定，继电器的工作状态也影响着铁路安全运行，因此继电器的安全控制系统尤为重要。目前，继电器的使用已经普及，但科学技术不断进步的同时，对于继电器的技术要求也越来越高。我国对于继电器一直到20世纪70年代末期才开始重视起来，虽起步稍晚一些，但进步空间很大。但是到目前为止，我国在继电器的发展上的进步空间还很大，还需要在高端技术上进一步研究[1]。而 PLC是指可编辑逻辑控制器，其内部具有微处理器，可以进行计数、逻辑和算术计算等操作，也可以设置模拟程序，通过输入和输出控制各类设备的运行。根据相关文献所知，运用 PLC技术，也可以准确地找出设备故障，并使用简单操作就可以使故障得以修复，加强了设备检测和提高了维修工作的工作效率[2]。如今继电器的安全控制系统中，发现主线程原理不明确，数据传输的模式也存在问题，导致系统反应时间较长，使用年限也較短。针对以上问题，提出基于 PLC的继电器安全控制系统设计，为继电器安全控制提供新的参考思路。

1 基于 PLC的继电器安全控制系统硬件

继电器的硬件等级通常影响继电器的故障时间间隔，因此选用合理的继电器安全控制系统硬件尤其重要。为保证继电器安全控制系统的性能提升，本文首先选取主机需带有触摸屏的工控机，在工作流程中，使用触摸屏的工控机操作简单化，避免工作复杂。其次，选取高隔离保护电压的隔离数字量 I/O 卡，选择为 Advan- tech PCI-1751-48位，基于 PLC 编程设置其隔离保护电压为2500 VDC ，同时使用 PCI-1751提供隔离数字量的输入和输出通道，系统重启之后，可以保持上一次的输入值。根据 PCI-1751选择两块ADAM-3951端子，并对针脚进行定义。根据外围元件的数量、性能耗损以及芯片成本问题，选择 STC8系列无线收发芯片，与 PLC可以更好地契合。在测试前，需让计算机预先采集继电器当前温度值，因此选择 pt100智能温度变送器用于保证继电器的温度修正。在获取电压数值上，选择 Advantech PCI-1713-PCI总线32路隔离模拟量输入卡[2]。

2 基于 PLC的继电器安全控制系统软件

2.1 选择 Profibus数据传输模式

设计继电器安全控制系统，需首先选择数据传输模式，本文选择 Profibus 数据传输模式，建立数据处理单元。数据处理单元是继电器安全控制系统中的核心部分，对整个系统节点的信息进行控制，完成信息间的交流，而主站也可主动发送信息。在数据传输中，中心节点在固定的时间向每个网络分散节点发送命令信息，网络分散节点对信息进行接收并且回复[3]。若发生安全故障，周围的网络分散节点会自动发送故障警告到中心节点，且此设备信息被附加。随后由中心节点对故障警告进行处理分析，在接收故障信息时，故障信息要被保存到缓冲区，并根据现场总线技术进行传输，比较访问权限，并且分析处理网络节点发出信息是否存在权限限制，若无限制，则发出预警信息[4]。在中心节点发送同步命令时，下层网络节点采取同步进入，并且當前数据输出值固定，一直到下一次的同步命令信息发布，在这之前即便是储存输出数据有变化，其状态也不变。到下一次同步命令发出，控制设备的继电器储存数据将被发送到总体设备数据库中。

2.2 设计 PLC安全控制程序

S7-300可编程控制器具有抗震动冲击性能好，电磁兼容性强的特点，依据继电器安全控制的要求，因此使用 S7-300可编程控制器设计安全控制程序。设置引脚 QTS 值，工作正常状态显示为1，工作故障状态显示为0，设置初始化功能块，通信选择的数据格式需一致，若设置发生错误，则会使 CPU发生故障问题[5]。设置中心节点和网络分散节点，确保节点间数据共享，并对节点间的变量地址进行设置，设置变量间的质量代码，若表示为80，则表示连接正常。设计优化 PLC 安全控制程序，可以减少硬件连接线，减少对故障的处理时间以及控制故障发生概率[6]。在编写 PLC安全控制程序时，需对 PLC的启动，信息输入和输出进行处理，设置用户程序可循环执行，下达第一条指令，即用户程序开始按照指令顺序执行任务。设定触点与输出，分别为左右两侧，图1所示为触点与输出效果图。

在能流到达左侧固定点时，触点需保持停止流动的状态，当能流未到达左侧固定点，则触点供能流为右侧。能流到达左侧固定点时，PLC安全控制程序进行断电，未到达左侧固定点时，右侧能流供应，为通电状态。除上述设置外，还需对计数器的阈值进行设置，初始阈值表示为1，工作状态保持为0[7]。至此，PLC安全控制程序设计完成。

2.3 建立发送主线程

在选择 Profibus 数据传输模式设计 PLC 安全控制程序的基础上，建立发送主线程。主线程的建立具有一定的实时性能，主线程主要是为了定时任务、发送命令、建立系统档案、接收回复帧以及启动相关联线程而服务的[8]。建立发送主线程的前提是明确整体主线程工作原理，图2所示为主线程工作原理。根据图中的主线程工作原理图可知，建立主线程时需要设立超时定时器，数据接收后发送上一次命令的确认帧，再对任务进行分解，分解后进行逐一发送[9]。任务分解是为了确保每个节点的任务针对的命令不同，使设备性能最大化使用。某个节点回复后，主线程会根据上一次命令的确认帧做出判断，判断新的回复帧是否是上一次发送帧的返回，确认不是后，再向发送主线程交互信息。主线程的工作原理中存在档案的建立，该过程是确保软件正常工作的重要因素之一，发送数据将在档案中查询信息并发送成功。

而建立发送主线程是为了避免电力线路对数据传输产生影响，基于前文的数据传输模式和安全控制程序，建立发送主线程[10]。发送主线程原理如图3所示。根据图中所示，通过队列、主线程与发送主线程进行通讯来往，发送主线程会不停地检测队列数据，查看是否存在新数据，主线程若需要发送任务，则将会把任务发送到队列中[11]。若队列中存在数据，则发送主线程会将数据发送到网关模块中进行处理，若队列中不存在数据显示，则线程挂起停止发送数据，等待下一次主线程命令[12]。至此，发送主线程建立完成。

2.4 基于 PLC编程构建继电器安全控制模型

一般电力线路信道会存在一定的衰减特性，这类衰减特性通常受频率所影响[13]。基于主线程的建立构建继电器安全控制模型，首先需要分析传输信号对于继电器中电力线信道的影响规律，根据电力线信道指数来表示其衰减特性，电力线信道表达式如式（1） 所示。

式中：w 为电力线信道指数;hj 为第j 条电力线信道路径的长度;j 为电力线信道路径; Uj 为每条电力线信道路径的加权系数指标; tj 为传播延迟系数;β为信道衰减系数[14]。

根据式（1），构建继电器安全控制模型图，该模型中加入对继电器噪声的处理，图 4所示为继电器安全控制模型。根据图中可知，信号发送会先经过信道滤波进行处理后，再通过不同节点分析处理，在发送途中也会对噪声进行处理，通过各节点分析处理，最后信号被接收，从而完成指令任务[15]。综上所述，继电器安全控制模型构建完成。

3 仿真实验

根据上述安全控制系统的硬件和软件设计，提出仿真对比实验。将本文系统设计作为实验组，同时选择两组基于西门子 S7-1500 PLC和基于机器学习的传统系统作为对照组 a和对照组 b ，在相同的8 V直流电压下，在200Ω和1000Ω不同电阻情况下进行测试。通过20组实验检测，对比3组继电器安全控制系统的反应效果。表1所示为3组测试电阻在200Ω时的反应时间数据。

根据表1中的数据显示，在这20组测试中，发现对照组 b 在进行第19次和第20次测试时没有反应时间数据，经工作人员检查，对照组 b的系统在进行第19次测试时发生故障，故无数据显示，因此本次仿真实验对比仅对比前18组数据。由数据可知，实验组反应时间为0.177～0.364 s ，平均反应时间为0.237 s ，对照组 a的反应时间为1.046～1.524 s ，平均反应时间为1.177 s ，对照组 b 的反应时间在1.875～2.645 s ，平均反应时间为2.240 s。对比数据进行计算，发现对照组 a比实验组的平均反应时间长0.940 s ，对照组 b 比实验组的平均反应时间长2.003 s 。表2所示为在1000Ω条件下3组系统反应时间数据。根据表中数据所示，在1000Ω的情况下，对比20组数据进行分析，实验组的反应时间为0.465～0.601 s，计算得知平均反应时间为0.523 s ，对照组 a的反应时间为4.158～5.884 s ，平均反应时间为4.771 s ，对照组 b 的反应时间为7.482～8.451 s ，平均反应时间为8.062 s 。实验组比对照组 a和对照组 b的反应时间分别提高了4.248 s 和7.539 s 。综上所述，基于 PLC的继电器安全控制系统更为优秀。

4 结束语

本文基于 PLC编程，对继电器安全控制系统进行了设计，明确发现主线程原理，得到了较为优秀的系统功能。但此次设计对于硬件方面还存在一定的不足，今后应基于 PLC编程，对硬件设计进一步补足。为继电器安全控制提供新的参考思路。

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作者简介：解紫城（1979-），男，安徽合肥人，大学本科，高级工程师，研究领域为电气工程及其自动化。

（编辑：刁少华）