基于 PLC的繼電器安全控制系統設計

摘要：由于繼電器安全控制系統設計過程中不明確發送主線程原理，導致系統反應時間過長，為此，設計基于 PLC的繼電器安全控制系統。在設計系統硬件上，為保證系統性能得到有效提升，結合 PLC編程功能，選擇帶有觸摸屏的工控機、合理配套芯片與數字流量卡，設計全新硬件結構。在設計系統軟件上，選擇 Profibus數據傳輸模式，建立數據處理單元，控制系統節點，設計 PLC 安全控制程序，控制觸點與輸出效果，建立發送主線程，避免電力線路在數據傳輸時產生影響，基于 PLC編程構建繼電器安全控制模型，完成系統整體設計。實驗結果表明：設計系統與兩組傳統系統相比較，在200Ω下，設計系統反應時間比兩組傳統系統分別提高0.940 s和2.003 s ，在1000Ω下，分別提高4.248 s和7.539 s ，由此可見，基于PLC的繼電器安全控制系統反應時間明顯改善。關鍵詞：PLC編程;繼電器;安全控制;系統設計

中圖分類號：TN915.5;TP273???????????? 文獻標志碼：A??????? 文章編號：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

繼電器不僅是各大生產線設備的重要組成部分，也是鐵路運輸系統控制信號的核心元件，由于各大生產線設備一般都是24 h不間斷地全天工作，因此設備的控制系統需安全穩定，繼電器的工作狀態也影響著鐵路安全運行，因此繼電器的安全控制系統尤為重要。目前，繼電器的使用已經普及，但科學技術不斷進步的同時，對于繼電器的技術要求也越來越高。我國對于繼電器一直到20世紀70年代末期才開始重視起來，雖起步稍晚一些，但進步空間很大。但是到目前為止，我國在繼電器的發展上的進步空間還很大，還需要在高端技術上進一步研究[1]。而 PLC是指可編輯邏輯控制器，其內部具有微處理器，可以進行計數、邏輯和算術計算等操作，也可以設置模擬程序，通過輸入和輸出控制各類設備的運行。根據相關文獻所知，運用 PLC技術，也可以準確地找出設備故障，并使用簡單操作就可以使故障得以修復，加強了設備檢測和提高了維修工作的工作效率[2]。如今繼電器的安全控制系統中，發現主線程原理不明確，數據傳輸的模式也存在問題，導致系統反應時間較長，使用年限也較短。針對以上問題，提出基于 PLC的繼電器安全控制系統設計，為繼電器安全控制提供新的參考思路。

1 基于 PLC的繼電器安全控制系統硬件

繼電器的硬件等級通常影響繼電器的故障時間間隔，因此選用合理的繼電器安全控制系統硬件尤其重要。為保證繼電器安全控制系統的性能提升，本文首先選取主機需帶有觸摸屏的工控機，在工作流程中，使用觸摸屏的工控機操作簡單化，避免工作復雜。其次，選取高隔離保護電壓的隔離數字量 I/O 卡，選擇為 Advan- tech PCI-1751-48位，基于 PLC 編程設置其隔離保護電壓為2500 VDC ，同時使用 PCI-1751提供隔離數字量的輸入和輸出通道，系統重啟之后，可以保持上一次的輸入值。根據 PCI-1751選擇兩塊ADAM-3951端子，并對針腳進行定義。根據外圍元件的數量、性能耗損以及芯片成本問題，選擇 STC8系列無線收發芯片，與 PLC可以更好地契合。在測試前，需讓計算機預先采集繼電器當前溫度值，因此選擇 pt100智能溫度變送器用于保證繼電器的溫度修正。在獲取電壓數值上，選擇 Advantech PCI-1713-PCI總線32路隔離模擬量輸入卡[2]。

2 基于 PLC的繼電器安全控制系統軟件

2.1 選擇 Profibus數據傳輸模式

設計繼電器安全控制系統，需首先選擇數據傳輸模式，本文選擇 Profibus 數據傳輸模式，建立數據處理單元。數據處理單元是繼電器安全控制系統中的核心部分，對整個系統節點的信息進行控制，完成信息間的交流，而主站也可主動發送信息。在數據傳輸中，中心節點在固定的時間向每個網絡分散節點發送命令信息，網絡分散節點對信息進行接收并且回復[3]。若發生安全故障，周圍的網絡分散節點會自動發送故障警告到中心節點，且此設備信息被附加。隨后由中心節點對故障警告進行處理分析，在接收故障信息時，故障信息要被保存到緩沖區，并根據現場總線技術進行傳輸，比較訪問權限，并且分析處理網絡節點發出信息是否存在權限限制，若無限制，則發出預警信息[4]。在中心節點發送同步命令時，下層網絡節點采取同步進入，并且當前數據輸出值固定，一直到下一次的同步命令信息發布，在這之前即便是儲存輸出數據有變化，其狀態也不變。到下一次同步命令發出，控制設備的繼電器儲存數據將被發送到總體設備數據庫中。

2.2 設計 PLC安全控制程序

S7-300可編程控制器具有抗震動沖擊性能好，電磁兼容性強的特點，依據繼電器安全控制的要求，因此使用 S7-300可編程控制器設計安全控制程序。設置引腳 QTS 值，工作正常狀態顯示為1，工作故障狀態顯示為0，設置初始化功能塊，通信選擇的數據格式需一致，若設置發生錯誤，則會使 CPU發生故障問題[5]。設置中心節點和網絡分散節點，確保節點間數據共享，并對節點間的變量地址進行設置，設置變量間的質量代碼，若表示為80，則表示連接正常。設計優化 PLC 安全控制程序，可以減少硬件連接線，減少對故障的處理時間以及控制故障發生概率[6]。在編寫 PLC安全控制程序時，需對 PLC的啟動，信息輸入和輸出進行處理，設置用戶程序可循環執行，下達第一條指令，即用戶程序開始按照指令順序執行任務。設定觸點與輸出，分別為左右兩側，圖1所示為觸點與輸出效果圖。

在能流到達左側固定點時，觸點需保持停止流動的狀態，當能流未到達左側固定點，則觸點供能流為右側。能流到達左側固定點時，PLC安全控制程序進行斷電，未到達左側固定點時，右側能流供應，為通電狀態。除上述設置外，還需對計數器的閾值進行設置，初始閾值表示為1，工作狀態保持為0[7]。至此，PLC安全控制程序設計完成。

2.3 建立發送主線程

在選擇 Profibus 數據傳輸模式設計 PLC 安全控制程序的基礎上，建立發送主線程。主線程的建立具有一定的實時性能，主線程主要是為了定時任務、發送命令、建立系統檔案、接收回復幀以及啟動相關聯線程而服務的[8]。建立發送主線程的前提是明確整體主線程工作原理，圖2所示為主線程工作原理。根據圖中的主線程工作原理圖可知，建立主線程時需要設立超時定時器，數據接收后發送上一次命令的確認幀，再對任務進行分解，分解后進行逐一發送[9]。任務分解是為了確保每個節點的任務針對的命令不同，使設備性能最大化使用。某個節點回復后，主線程會根據上一次命令的確認幀做出判斷，判斷新的回復幀是否是上一次發送幀的返回，確認不是后，再向發送主線程交互信息。主線程的工作原理中存在檔案的建立，該過程是確保軟件正常工作的重要因素之一，發送數據將在檔案中查詢信息并發送成功。

而建立發送主線程是為了避免電力線路對數據傳輸產生影響，基于前文的數據傳輸模式和安全控制程序，建立發送主線程[10]。發送主線程原理如圖3所示。根據圖中所示，通過隊列、主線程與發送主線程進行通訊來往，發送主線程會不停地檢測隊列數據，查看是否存在新數據，主線程若需要發送任務，則將會把任務發送到隊列中[11]。若隊列中存在數據，則發送主線程會將數據發送到網關模塊中進行處理，若隊列中不存在數據顯示，則線程掛起停止發送數據，等待下一次主線程命令[12]。至此，發送主線程建立完成。

2.4 基于 PLC編程構建繼電器安全控制模型

一般電力線路信道會存在一定的衰減特性，這類衰減特性通常受頻率所影響[13]。基于主線程的建立構建繼電器安全控制模型，首先需要分析傳輸信號對于繼電器中電力線信道的影響規律，根據電力線信道指數來表示其衰減特性，電力線信道表達式如式（1） 所示。

式中：w 為電力線信道指數;hj 為第j 條電力線信道路徑的長度;j 為電力線信道路徑; Uj 為每條電力線信道路徑的加權系數指標; tj 為傳播延遲系數;β為信道衰減系數[14]。

根據式（1），構建繼電器安全控制模型圖，該模型中加入對繼電器噪聲的處理，圖 4所示為繼電器安全控制模型。根據圖中可知，信號發送會先經過信道濾波進行處理后，再通過不同節點分析處理，在發送途中也會對噪聲進行處理，通過各節點分析處理，最后信號被接收，從而完成指令任務[15]。綜上所述，繼電器安全控制模型構建完成。

3 仿真實驗

根據上述安全控制系統的硬件和軟件設計，提出仿真對比實驗。將本文系統設計作為實驗組，同時選擇兩組基于西門子 S7-1500 PLC和基于機器學習的傳統系統作為對照組 a和對照組 b ，在相同的8 V直流電壓下，在200Ω和1000Ω不同電阻情況下進行測試。通過20組實驗檢測，對比3組繼電器安全控制系統的反應效果。表1所示為3組測試電阻在200Ω時的反應時間數據。

根據表1中的數據顯示，在這20組測試中，發現對照組 b 在進行第19次和第20次測試時沒有反應時間數據，經工作人員檢查，對照組 b的系統在進行第19次測試時發生故障，故無數據顯示，因此本次仿真實驗對比僅對比前18組數據。由數據可知，實驗組反應時間為0.177～0.364 s ，平均反應時間為0.237 s ，對照組 a的反應時間為1.046～1.524 s ，平均反應時間為1.177 s ，對照組 b 的反應時間在1.875～2.645 s ，平均反應時間為2.240 s。對比數據進行計算，發現對照組 a比實驗組的平均反應時間長0.940 s ，對照組 b 比實驗組的平均反應時間長2.003 s 。表2所示為在1000Ω條件下3組系統反應時間數據。根據表中數據所示，在1000Ω的情況下，對比20組數據進行分析，實驗組的反應時間為0.465～0.601 s，計算得知平均反應時間為0.523 s ，對照組 a的反應時間為4.158～5.884 s ，平均反應時間為4.771 s ，對照組 b 的反應時間為7.482～8.451 s ，平均反應時間為8.062 s 。實驗組比對照組 a和對照組 b的反應時間分別提高了4.248 s 和7.539 s 。綜上所述，基于 PLC的繼電器安全控制系統更為優秀。

4 結束語

本文基于 PLC編程，對繼電器安全控制系統進行了設計，明確發現主線程原理，得到了較為優秀的系統功能。但此次設計對于硬件方面還存在一定的不足，今后應基于 PLC編程，對硬件設計進一步補足。為繼電器安全控制提供新的參考思路。

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作者簡介：解紫城（1979-），男，安徽合肥人，大學本科，高級工程師，研究領域為電氣工程及其自動化。

（編輯：刁少華）