巨腾OPEN-PLC实现大型液压实验平台网络监控的应用研究

一、前言 早期的液压实验系统按照“传感器+模拟二次仪表”模式，应用继电器控制，接线复杂，触点误动作多，故障率高。而且，在试验过程中，一般由模拟记录仪器记录试验曲线或人工读取试验数据，然后根据这些曲线和数据得到设备的性能。对于像阀门开/关的快速动作，往往是通过人的经验来判断设备是否工作正常。这就极大的降低了工作效率和设备可靠性。 随着电子技术发展与单元处理器性能的提高，PLC控制技术已经成为可靠的液压系统监控方式。可编程控制器PLC (Programmable Logic Controller)是专为在干扰复杂、作业恶劣的工业应用环境下而设计的控制器[1]。在液压系统的工作时，噪声污染和漏油引起了运行环境恶化，这就提出了高性能、远程控制方式。工控现代化进程也促使液压控制系统朝大型、连续、集成与自动化方向发展。这种趋势，对监控系统提出了网络化处理的要求，必须具备： 1）可靠性： 现代液压系统的复杂性和高效化特点决定了任何故障，特别是控制系统失效，将导致生产过程的巨大损失。 2）智能化： 液压监控系统承担着整个过程的控制、指挥和协调功能，应能应用故障诊断理论等方法对系统异常进行预测、诊断和排除，并且在监控系统自身出现故障时还能自诊断与自恢复。 3）实时性： 监控系统必须对生产过程中的信息如各种过程变量、设备状态变量和环境状况进行实时处理，将信息和结果进行储存，为后续数据分析、挖掘提供基础。 本文针对现有的大型液压实验平台进行监控网络化的系统改造，设计了一套液压设备的远程数据采集与控制系统。利用工控机和巨腾公司的OpenPLC及系列拓展模块，实现对大型液压系统的远程数据监控和网络化监控，完成了实时数据采集和储存，及现场动态处理能力。 二、液压控制要求简介 本文研究的液压实验系统，是大型船舶系统的仿真试验平台。有着多个电磁控制阀、流量传感器、压力检测仪和温度传感器[2]。 电磁阀在整个逻辑控制系统中占有重要地位,其运行是否正常直接影响设备的正常运行。通过电磁阀开度，控制进入液压缸的流量和压力，从而对驱动件的位移、速度和作用力等进行控制。如果在运行中电磁阀控制系统出现故障,轻者导致设备停止,重者导致整个流程中断。电磁阀的工作条件恶劣、复杂，必须有足够的可靠性，快速、准确、无反冲的实现其开启和关闭。 流量控制和压力控制是液压系统的控制关键因素。通过他们，才能实现液压缸的终端执行器的速度和作用力控制。所以，对高精度的液压系统，必须实时监控各个缸的动态参数变化。 温度控制在液压系统中也不能忽视，由液压系统的能力损失（压力损失、容积损失和机械损失）造成。油温升高, 会产生一系列的不良后果, 例如： 1. 会使油液粘度下降, 泄漏增加, 降低容积的效率；2.会加速油液的氧化, 油质下降, 油液中的氧化性杂物增加, 堵塞液压元件的油路或阻尼小孔；3.会使热膨胀系数不同, 且相对于运动的液压元件间的间隙缩小，破坏液压元件原有精度。所以，应该严格控制液压油温, 一般控制在30℃～ 60℃内，最高不超过70℃。 此液压传动系统有着复杂的油路结构和多种运动要求。但是，都是由基本回路组成：压力控制基本回路，包括调节与限压回路、卸荷回路、减压与增压回路和平衡与闭锁回路；速度控制基本回路；缸间配合工作回路，包括顺序动作回路，同步回路和多缸换向阀串联或并联控制回路等。 因此，这套大型液压实验平台需要多种采集和控制信号，必须进行多回路实时监控。并且，为了实现CIMS（管理信息系统）的功能，需要实现远程管理和控制。同时，实现所有采样信号自动存储。 三、液压系统网络监控实现 3.1 网络硬件系统结构 基于液压系统要求,设计了一种具有高可靠性的实时远程监控系统,总体框架结构见图1。 图1 液压实验系统实时远程网络监控系统简图 鉴于系统设备和控制要求，我们的系统设计成一个远程控制系统，开放可靠，集控制和管理一体化的工业DSC高速网络系统结构[3,4]，如图所示有三个层次的内容： 1、数据管理层：该层由生产工程管理服务器和数据保存服务器组成。生产管理服务器主要完成上层的任务规划和工作安排等处理任务。CIMS系统可以方便的进行人员统筹安排、生产调度与管理和设备运行使用情况的记录；数据保存服务器由SQL Server 2000数据库系统管理，负责设备运行参数、试验数据等海量记录，并可以进行数据挖掘，分析设备性能及实验数据。 2、运行监控层：该层负责每次液压系统试验实时监控，实时信息处理。该层设备包括两台上位机其中一台监控备用工控机，辅助完成数据处理的现场工作。管理监控计算机主要负责对Open PLC进行实时命令，通过Open PLC的RS485模块进行流量、压力、温度等信息采集。网络扩展模块是与其它系统连接的预留的接口模块，实现硬件系统拓展和升级。 3、现场工作层：进行液压系统的自动控制，实现设备的负荷监控、报警和事故处理。在动力提供部分，现场控制系统主要为控制柜和配套的变频器等动力供给设备和接触器的现场手动系统，以备在自动配置中失效或者需要检修、调试时不影响系统的正常运作，从而提高整个系统的可靠性。同时，专用Open PLC实现手动控制和程控的自动切换，在上级程序输出设备控制信号之间附加上一个程序有效信号，由它来控制系统切换“继电器－接触器”动作。由于采用了多个程控软开关，这样使得系统可以随意在三种工作模式之间切换，以解决复杂情况下的系统运行问题。 在设备运行部分，实际程控系统由两个巨腾Open PLC构成。两台配置完全相同的PLC构成主从式双机液压控制系统,一台为控制主机,另一台为后备机。它们同步扫描,随时准备在主机出现故障时后备机继续对远程I/ O进行控制。该液压主从系统配置简单、容易安装,当部件或电源出现故障时可无扰切换。控制主机的I/ O 状态表在每一个扫描周期传给后备机,以便随时更新系统状态。由于各现场设备与传感器在地理位置上不十分分散，故系统采用扩展I/O的配置方案，中央单元带扩展单元，共使用了400个开关量I/O点和60个模拟量输入信道。PLC的所有I/O信号在程控柜内用继电器转换成24VDC输出满足抗干扰要求，PLC上还配置了接口通讯模块，分别用于与上位机的串口通讯和主控的总线通讯及扩展板连接。采集信号，如流量、压力、温度、速度等信号，通过Remote I/O模块提供的RS485端口传送给管理监控计算机。 3.2 巨腾Open PLC控制器 巨腾Open PLC可编程控制器采用32位CPU，I/O点数可达4096点(数字量输入、输出)或1024点（模拟量输入\输出），有4M RAM 空间。支持顺序功能图SFC(Sequential Function Chart)，阶梯图LD(Ladder Diagram)，功能方块图FBD(Function Block Diagram)，结构化语言ST(Structured Text )，指令集IL(Instruction List)六种编程格式。其中，顺序功能图SFC以顺序作基础逐步描述自动化系统的动作与顺序,相当于高阶的分析设计工具, 而功能方块图则是相当于控制文件可以重复使用, 用来组装控制系统,在语言部份可用阶梯图、指令集及结构化语言来描述其控制功能[5]。 图2 巨腾公司Open PLC系统结构图 OpenPLC 是依据巨腾开放性自动化产品策略而开发的核心产品, 它整合巨腾原有的OpenIO, OpenControl控制器, 往上提供串行及以太网与SCADA/MMI 或信息系统整合, Open_PLC 是基于PC 的控制器，不仅能对本地 IO 与远程IO 编程, 并能提供LonWorks、Modbus、其它Field Bus整合的能力。为了顺应未来通讯扩展需求, OpenPLC 提供两组以太网的通讯能力、RS485和RS232接口；采用ModBus RTU/Ethernet协议，可与任何MMI/SCADA整合；采用模块化设计，使用方便，节省空间；并带有一些特殊的智能控制模块（PID模块等）。系统结构如图2所示。 Open PLC软件逻辑系统提供了强大的语言功能, 利用Windows系统良好开发环境，进行完整的离线仿真。可以预先在Windows上编辑、测试, 最后再下载到OpenPLC 执行, 而 OpenPLC 提供无盘的工业环境模块和简单良好的控制器，避免Windows复杂及可靠度的忧虑。 3.3 PLC软件网络控制系统实现 大型液压系统实验平台的输入输出点多，特别是模拟量种类点数多，控制功能与结构相当复杂。借助巨腾公司Open PLC强大功能，我们将控制系统PLC控制程序划分为模块初始化、数据采集和数据处理、报警及报警处理、逻辑功能和信号输出等相对独立的模块。 图3 Open PLC控制流程图 CPU和初始化程序模块是整个程序的起始部分，一旦PLC各模块定义安装完毕和程序下载后，此模块程序只执行一次。而当程序需要修改、重新下载或者PLC各模块需要移动位置，此程序模块将重新初始化过程。数据采集和处理模块除了完成对所有现场信号的采集和处理外，还要处理上位机的数据包任务，此程序模块为后继程序模块提供了准确无误的数据信息。报警及报警处理程序模块是将所有报警信号按顺序汇总，集中加以处理，报警处理包括三个方面：所有报警须监控显示；超限报警须参加逻辑控制；部分报警输出，逻辑功能和信号输出模块是整个程序的核心，主要包括各个控制阀的开关、切换控制等。该程序模块主要是按照逻辑控制要求设计的，与具体现场设备无关，其优点在于编制这部分程序时可以不需要完备的硬件环境。 利用Open PLC开发控制软件过程，可以方便、独立的进行模块设计和测试，而且模块化程序容易维护，当软件发现问题和由于其它原因需要修改时，能迅速限定差错或修改范围。如在整个程序的设计到安装调试都有可能发生外部信号的变动，与上位机通讯数据接口的调整，因而常须修改控制程序与<