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题 目:高山发射基站plc自动控制和保护系统的设计摘 要摘 要随着移动通信事业的迅速发展,移动通信设备都投入大量昂贵的设备及仪器仪表,同时随着业务的不断扩大,为保证通信的顺利进行,务必要设立了星罗棋布的基站。为了保证贵重而精密的仪器的全天侯正常工作,基站的环境、系统设备的工作都异常重要。现在大多数基站的管理都是靠人专管或二十四小时轮流值班的方式对基站进行管理,基站环境状况参数、系统设备的状态都是靠人工报表来完成。这样既浪费人力资源、缺乏科学管理,而且因为人为失职而造成的烧机、死机、停电、燃烧、水侵、失盗等频频发生,给经济效益及社会效益造成巨大损失。所以基站的动力设备及环境的自动监控日益受到高层领导和广大职工的重视。本文介绍了地处高山无人管理的无线发射基站常见故障及其危害,以对比的方式探索地分析了产生这类故障的原因和解决的办法,详细阐述了利用plc(带模拟输入、输出扩展模块)实现无线发射基站自动控制和保护的设计方案。关键字: 发射基站;发射机;plc;控制和保护;电池组佳木斯大学教务处 - ii -abstractabstractwith the fact that promptness moving the cause communicating by letter develops, move communication equipment throwing into large amount of expensive equipment and instrument appearance , expand at the same time with the business ceaselessness , be to ensure that communicative smooth is in progress , to be going to have set up the base stand as numerous as stars and checkers on the chessboard without fail. for valuable but accurate instrument of guarantee all day long regular job of marquis, base stand environment , system equipment job are all extraordinarily important. now great majority bases stand administration all is that the situation carrying out administration , the base stand environment on base stand is parametric , system equipment state is completed coming being to depend on the manpower form for report by the person end tube or the way being on duty by turns twenty four hours. and now that such wasting human resources , being short of scientific management, fever machine , dead machine , power failure, burn , water infringing upon , being burglarized and so on frequently happens because of person bring about to neglect the duty, be caused enormous losses by economic effect and social benefits. base stand driving force equipment and the environment automatic monitoring are regarded highly by high-rise leader and extensive staff and worker therefore gradually. this paper presents the commom malfunction and the hazard of a radio transmitting station located alone in a high mountain without any supervision. the paper also analyses the cause for malfunctions by contrast and finds the way of solution, and describes the design proposal that can perform the automatic control and protection for the radio transmitting station by using the plc.keywords: transmitting station; transmitter; plc; control and protection; battery pack目 录目 录摘 要iabstractii第 1 章绪 论11.1发射基站的概述11.1.1发射基站的现状21.1.2发射系统故障分析21.2本论文的主要研究内容和意义31.3可编程控制器的概况31.3.1可编程控制器的硬件组成31.3.2plc的软件系统41.3.3可编程控制器的特点41.3.4可编程控制器的重要功能和应用情况51.3.5可编程控制器的发展趋势6第 2 章发射系统工作原理及电气控制要求82.1在线ups的稳定性82.2机房温度的控制92.3外电压的控制102.4nucleuslt发射机102.5honda3kva发电机10第 3 章控制和保护系统的硬件设计113.1可编程控制器机型的选择113.1.1可编程控制器机型选择的一般原则113.1.2simatic s7200的基本硬件组成133.1.3simatic s7200的外形结构163.1.4simatic s7200的接口模块163.1.5可编程控制器的工作方式和工作过程173.2控制系统中的simatic s7200193.2.1plc在应用中应注意的问题213.3nucleuslt发射机243.424v/120ah大容量电池组253.524/12v充电器253.6honda3kva发电机253.6.1选择用plc启动发电机的优点253.6.2主要设计功能253.6.3发电机自控的特点263.6.4发电机在控制系统中的主要作用273.7大功率专用的排风电扇27第 4 章控制和保护系统的软件设计284.1plc的编程语言284.2系统程序流程图及编程元件的地址分配32结 论34致 谢35参考文献36附录a37佳木斯大学教务处 - 2 -毕业论文(设计)用纸第 1 章 绪 论1.1 发射基站的概述移动通信自20世纪90年代以来进入了大发展阶段,全球用户数每20个月翻一番,目前全球用户数已经超过7亿,到2001年底估计要突破10亿。我国移动用户也在高速增长,从发展之初到1000万户,用了10年时间。今年第一季度就已成为世界上突破1亿大关的第二个国家,从1000万户到1亿户,只用了不到4年时间,创下了世界之最。最近的统计数字表明,今年7月底,我国移动通信用户达到1.206亿户,超过美国1.201亿户而跃居世界第一。据itu预测,全球移动用户数在2001年到2007年之间的某个时候将超过固定用户。随着移动通信的大发展,无线通信日益受到重视,其地位变得越来越重要,其应用也越来越广泛。11基站是在一定的无线覆盖区中,由移动交换中心msc控制、与ms进行通信的设备。bss可分为基站控制器bsc和基站收发信台bts两部分。广义的基站,是基站子系统(bss,base station subsystem)的简称。以gsm网络为例,包括基站收发信机(bts)和基站控制器(bsc)。一个基站控制器可以控制十几以至数十个基站收发信机。而在wcdma等系统中,类似的概念称为nodeb和rnc。狭义的基站,即公用移动通信基站是无线电台站的一种形式,是指在一定的无线电覆盖区中,通过移动通信交换中心,与移动电话终端之间进行信息传递的无线电收发信电台。基站由移动通信经营者申请设置。移动通信基站的建设是我国移动通信运营商投资的重要部分,移动通信基站的建设一般都是围绕覆盖面、通话质量、投资效益、建设难易、维护方便等要素进行。随着移动通信网络业务向数据化、分组化方向发展,移动通信基站的发展趋势也必然是宽带化、大覆盖面建设及ip化。随着移动通信事业的迅速发展,移动通信设备都投入大量昂贵的设备及仪器仪表,同时随着业务的不断扩大,为保证通信的顺利进行,务必要设立了星罗棋布的基站。为了保证贵重而精密的仪器的全天侯正常工作,基站的环境、系统设备的工作都异常重要。现在大多数基站的管理都是靠人专管或二十四小时轮流值班的方式对基站进行管理,基站环境状况参数、系统设备的状态都是靠人工报表来完成。这样既浪费人力资源、缺乏科学管理,而且因为人为失职而造成的烧机、死机、停电、燃烧、水侵、失盗等频频发生,给经济效益及社会效益造成巨大损失。所以基站的动力设备及环境的自动监控日益受到高层领导和广大职工的重视。1.1.1 发射基站的现状某通讯发展有限公司曾在630m的高山上建造了一座频率为152.600mhz的无线发射基站,整个发射系统主要由motorola公司的nucleuslt发射机、接收频率为403.250mhz的keywood链路车载台、3kva复华在线ups不间断电源(外接144v/20ah电池组)及其他充电、发电配套电器设备组成。可是,如此完备的配置并未获得理想的效果,仅57三个月,发射系统就出现大小故障10余次(其中ups大功率模块被击穿3次,发射机功放组合模块被烧毁2次),损失非常大,而且用户还时常反映接收信息中有乱码以及虽在服务范围内却接收不到信号之类的情况。1.1.2 发射系统故障分析 由于设置在市区主发射大楼顶的同一型号发射机和ups电源运行性能十分稳定,从没出现过大的故障。为此,在8月中旬利用信号分析和测试仪器对这两套发射系统做了一次全面的对比检测,得到发射机实测数据统计表11。机器温度供电电压电压波形发射波形 供电情况市区38422183v正常正常偶尔高山424975180v多谐波畸变频繁测试手段电子温度计数显电压表综合测试仪综合测试仪查问供电所 注:测试时间9:0019:00,当日气象报告最高温度为33。由统计表推断,高山发射系统运行不正常,故障频繁主要有以下4种原因:(1)机房散热不畅,没有安装专有大功率排风电扇,导致发射设备温度过高,电气元件的工作稳定性差,故障频发。(2)220v外电源供电电压偏低而且不稳定,高次谐波多,导致大功率模块被击穿。(3)在线ups不间断电源144v/20ah电池组能维持整个发射系统工作的时间仅为223 h,远远小于每次停电间隔时间(816 h)。(4)发射基站停电频率高、间隔时间长,虽然准备了一个小型220v交流发电机,但在无人管理的情况下难以做到及时发电。1.2 本论文的主要研究内容和意义在无线通讯技术中,为了提高无线发射机发射信号的强度和覆盖范围(发射机功率受当地无线电管理委员会的限制),把发射基站设置在城市附近某一高山的顶端以提高发射天线的高度,是无线电工程技术人员采用的最常规、也是最有效的方法。然而,设置在这种地方的发射基站现场环境大都十分恶劣,环境温度、湿度、供电电压状况有时与发射设备要求相差甚远,由此造成发射设备的故障率和停机率都很高。而且一旦发射设备出现上述情况,技术人员也很难及时发现和修复,以致影响了无线发射台的正常运行。因此,为发射基站设计一套plc自动控制和保护系统显得尤为重要。本文以对比的方式探索地分析了产生这类故障的原因和解决办法,详细阐述了利用plc(带模拟输入、输出扩展模块)实现无线发射基站自动控制和保护系统的设计方案。1.3 可编程控制器的概况1.3.1 可编程控制器的硬件组成典型的plc控制系统的硬件组成框图如图1-1所示plc控制系统的硬件是由plc主机、输入/输出(i/o)模块单元、输入输出扩展环节、外部设备。见图1-1 1.3.2 plc的软件系统plc的软件系统由系统程序和用户程序两大部分组成。1 系统程序(又称应用软件)是plc制造企业编制,固化在prom或eprom中,安装在plc上,随产品提供给用户。系统程序包括系统管理程序、用户指令解释程序和供系统调用的标准程序模块。 用户程序是根据生产过程控制的要求由用户使用制造企业提供的编程语言自行编制的的应用程序。包括开关量逻辑控制程序、模拟量运算程序、闭环控制程序和操作站系统应用程序等。1.3.3 可编程控制器的特点1. 可靠性高,抗干扰能力强2高可靠性是电气控制设备的关键性能。plc由于采用现代大规模集成电路技术,采用严格的生产工艺制造,内部电路采取了先进的抗干扰技术,具有很高的可靠性。例如三菱公司生产的f系列plc平均无故障时间高达30万小时。一些使用冗余cpu的plc的平均无故障工作时间则更长。从plc的机外电路来说,使用plc构成控制系统,和同等规模的继电接触器系统相比,电气接线及开关接点已减少到数百甚至数千分之一,故障也就大大降低。此外,plc带有硬件故障自我检测功能,出现故障时可及时发出警报信息。在应用软件中,应用者还可以编入外围器件的故障自诊断程序,使系统中除plc以外的电路及设备也获得故障自诊断保护。这样,整个系统具有极高的可靠性也就不奇怪了。2. 配套齐全,功能完善,适用性强 plc发展到今天,已经形成了大、中、小各种规模的系列化产品。可以用于各种规模的工业控制场合。除了逻辑处理功能以外,现代plc大多具有完善的数据运算能力,可用于各种数字控制领域。近年来plc的功能单元大量涌现,使plc渗透到了位置控制、温度控制、cnc等各种工业控制中。加上plc通信能力的增强及人机界面技术的发展,使用plc组成各种控制系统变得非常容易。3. 易学易用,深受工程技术人员欢迎 plc作为通用工业控制计算机,是面向工矿企业的工控设备。它接口容易,编程语言易于为工程技术人员接受。梯形图语言的图形符号与表达方式和继电器电路图相当接近,只用plc的少量开关量逻辑控制指令就可以方便地实现继电器电路的功能。为不熟悉电子电路、不懂计算机原理和汇编语言的人使用计算机从事工业控制打开了方便之门。4. 系统的设计、建造工作量小,维护方便,容易改造 plc用存储逻辑代替接线逻辑,大大减少了控制设备外部的接线,使控制系统设计及建造的周期大为缩短,同时维护也变得容易起来。更重要的是使同一设备经过改变程序改变生产过程成为可能。这很适合多品种、小批量的生产场合。5. 体积小,重量轻,能耗低 以超小型plc为例,新近出产的品种底部尺寸小于100mm,重量小于150g,功耗仅数瓦。由于体积小很容易装入机械内部,是实现机电一体化的理想控制设备。1.3.4 可编程控制器的重要功能和应用情况1. 开关量的逻辑控制3 这是plc最基本、最广泛的应用领域,它取代传统的继电器电路,实现逻辑控制、顺序控制,既可用于单台设备的控制,也可用于多机群控及自动化流水线。如注塑机、印刷机、订书机械、组合机床、磨床、包装生产线、电镀流水线等。2. 模拟量控制 在工业生产过程当中,有许多连续变化的量,如温度、压力、流量、液位和速度等都是模拟量。为了使可编程控制器处理模拟量,必须实现模拟量(analog)和数字量(digital)之间的a/d转换及d/a转换。plc厂家都生产配套的a/d和d/a转换模块,使可编程控制器用于模拟量控制。3. 运动控制 plc可以用于圆周运动或直线运动的控制。从控制机构配置来说,早期直接用于开关量i / o模块连接位置传感器和执行机构,现在一般使用专用的运动控制模块。如可驱动步进电机或伺服电机的单轴或多轴位置控制模块。世界上各主要plc厂家的产品几乎都有运动控制功能,广泛用于各种机械、机床、机器人、电梯等场合。4. 过程控制过程控制是指对温度、压力、流量等模拟量的闭环控制。作为工业控制计算机,plc能编制各种各样的控制算法程序,完成闭环控制。pid调节是一般闭环控制系统中用得较多的调节方法。大中型plc都有pid模块,目前许多小型plc也具有此功能模块。pid处理一般是运行专用的pid子程序。过程控制在冶金、化工、热处理、锅炉控制等场合有非常广泛的应用。5. 数据处理5现代plc具有数学运算(含矩阵运算、函数运算、逻辑运算)、数据传送、数据转换、排序、查表、位操作等功能,可以完成数据的采集、分析及处理。这些数据可以与存储在存储器中的参考值比较,完成一定的控制操作,也可以利用通信功能传送到别的智能装置,或将它们打印制表。数据处理一般用于大型控制系统,如无人控制的柔性制造系统;也可用于过程控制系统,如造纸、冶金、食品工业中的一些大型控制系统。6. 通信及联网4plc通信含plc间的通信及plc与其它智能设备间的通信。随着计算机控制的发展,工厂自动化网络发展得很快,依靠先进的工业网络技术可以迅速有效地收集、传送生产和管理数据。因此,网络在自动化系统集成工程中的重要性越来越显著,甚至有人提出网络就是控制器的观点说法。plc具有通信联网的功能,它使plc与plc 之间、plc与上位计算机以及其他智能设备之间能够交换信息,形成一个统一的整体,实现分散集中控制。多数plc具有rs-232接口,还有一些内置有支持各自通信协议的接口。plc的通信现在主要采用通过多点接口(mpi)的据通讯、profibus 或工业以太网进行联网。1.3.5 可编程控制器的发展趋势在工业生产过程中,大量的开关量顺序控制,它按照逻辑条件进行顺序动作,并按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制,及大量离散量的数据采集。传统上,这些功能是通过气动或电气控制系统来实现的。1968年美国gm(通用汽车)公司提出取代继电气控制装置的要求,第二年,美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置,首次采用程序化的手段应用于电气控制,这就是第一代可编程序控制器,称programmable controller(pc)。个人计算机(简称pc)发展起来后,为了方便,也为了反映可编程控制器的功能特点,可编程序控制器定名为programmable logic controller(plc)。9 世界上公认的第一台plc是1969年美国数字设备公司(dec)研制的。限于当时的元器件条件及计算机发展水平,早期的plc主要由分立元件和中小规模集成电路组成,可以完成简单的逻辑控制及定时、计数功能。20世纪70年代初出现了微处理器。人们很快将其引入可编程控制器,使plc增加了运算、数据传送及处理等功能,完成了真正具有计算机特征的工业控制装置。为了方便熟悉继电器、接触器系统的工程技术人员使用,可编程控制器采用和继电器电路图类似的梯形图作为主要编程语言,并将参加运算及处理的计算机存储元件都以继电器命名。此时的plc为微机技术和继电器常规控制概念相结合的产物。 20世纪70年代中末期,可编程控制器进入实用化发展阶段,计算机技术已全面引入可编程控制器中,使其功能发生了飞跃。更高的运算速度、超小型体积、更可靠的工业抗干扰设计、模拟量运算、pid功能及极高的性价比奠定了它在现代工业中的地位。20世纪80年代初,可编程控制器在先进工业国家中已获得广泛应用。这个时期可编程控制器发展的特点是大规模、高速度、高性能、产品系列化。这个阶段的另一个特点是世界上生产可编程控制器的国家日益增多,产量日益上升。这标志着可编程控制器已步入成熟阶段。 20世纪末期,可编程控制器的发展特点是更加适应于现代工业的需要。从控制规模上来说,这个时期发展了大型机和超小型机;从控制能力上来说,诞生了各种各样的特殊功能单元,用于压力、温度、转速、位移等各式各样的控制场合;从产品的配套能力来说,生产了各种人机界面单元、通信单元,使应用可编程控制器的工业控制设备的配套更加容易。目前,可编程控制器在机械制造、石油化工、冶金钢铁、汽车、轻工业等领域的应用都得到了长足的发展。6 我国可编程控制器的引进、应用、研制、生产是伴随着改革开放开始的。最初是在引进设备中大量使用了可编程控制器。接下来在各种企业的生产设备及产品中不断扩大了plc的应用。目前,我国自己已可以生产中小型可编程控制器。上海东屋电气有限公司生产的cf系列、杭州机床电器厂生产的dkk及d系列、大连组合机床研究所生产的s系列、苏州电子计算机厂生产的yz系列等多种产品已具备了一定的规模并在工业产品中获得了应用。此外,无锡华光公司、上海乡岛公司等中外合资企业也是我国比较著名的plc生产厂家。可以预期,随着我国现代化进程的深入,plc在我国将有更广阔的应用天地。 21世纪,plc会有更大的发展。从技术上看,计算机技术的新成果会更多地应用于可编程控制器的设计和制造上,会有运算速度更快、存储容量更大、智能更强的品种出现;从产品规模上看,会进一步向超小型及超大型方向发展;从产品的配套性上看,产品的品种会更丰富、规格更齐全,完美的人机界面、完备的通信设备会更好地适应各种工业控制场合的需求;从市场上看,各国各自生产多品种产品的情况会随着国际竞争的加剧而打破,会出现少数几个品牌垄断国际市场的局面,会出现国际通用的编程语言;从网络的发展情况来看,可编程控制器和其它工业控制计算机组网构成大型的控制系统是可编程控制器技术的发展方向。目前的计算机集散控制系统dcs(distributed control system)中已有大量的可编程控制器应用。伴随着计算机网络的发展,可编程控制器作为自动化控制网络和国际通用网络的重要组成部分,将在工业及工业以外的众多领域发挥越来越大的作用。10第 2 章 发射系统工作原理及电气控制要求 本文所研究的发射基站发射系统只要由motorola公司的nucleuslt发射机、接收频率为403.250mhz的keywood链路车载台、3kva复华在线ups不间断电源(外接144v/20ah电池组)及其他充电、发电配套电器设备组成。2.1 在线ups的稳定性ups是uninterruptiblepowersystem的缩写。也就是不间断电源系统。当市电正常输入时,ups就将市电稳压后供给负载使用,同时对机内电池充电,把能量储存在电池中,当市电中断(事故停电)或输入故障时,ups立即将机内电池的能量转换为220v交流电继续供负载使用,使负载维持正常工作并保护负载软,硬件不受损坏。15 随着电子技术的不断发展,对供电系统的质量要求也不断提高,由于公共电网自身的原因,以及自然界雷击,地电等影响,不能满足客户对高精度,高可靠度电源质量的要求。在我国,随着信息技术高速发展,计算机应用日益普及,计算机对我们的工作和日常生活影响也愈来愈大,人们越来越依赖着信息技术,而信息的交换,传输和存储的需要有一个良好的供电质量,否则会直接影响到通信设备的正常使用,甚至会缩短其使用寿命。鉴于以上问题,ups可以给负载提供连续的,稳定的,纯净的交流正弦波电源,避免引起数据丢失和错误,设备损坏或失控死机,停止工作等事故。11 ups不间断电源是一种集数字和模拟电路,电力电子技术、微处理器控制,计算机通讯,高精度检测技术和自动控制原理为一体的电子电源设备,按照技术标准来划分主要有三大类:后备式ups、准在线式ups、在线式ups。本文采用的是在线ups电源,也称为3端口式ups电源,使用的是工频变压器。从能量传递的角度来考虑,其变压器在3个能量流动的端口;端口1连接市电输入,端口2通过双向变换器与蓄电池相连,端口3输出,市电供电时,交流电经端口1流入变压器,在稳压电路的控制下选择合适的变压器抽头拉入,同时在端口2的双向变换器的作用下借助蓄电池的能量转换共同调节端口3上的输出电压,以此来达到比较好的稳压效果。当市电掉电时,蓄电池通过双向变换器经端口2给变压器供电,维持端口3上的交流输出。在线动式ups电源在变压器抽头切换的过程中,双向变换器作为逆变器方式工作,蓄电池供电,因此能实现输出电压的不间断。其工作性能特点:1. 市电利用率高,可达98%。2. 输出能力强,对负载电流波峰因数、浪涌系数、输出功率因数、过载等没有严格 的限制。3. 输入功率因数和输入电流谐波取决于负载性质。4. 变换器直接接在输出端,并处于热备份状态。对输出电压尖峰干扰有抑制作用。5. 输入开关存在断开时间,致使ups输出仍有转换时间,但比后备式小得多。6. 变换器同时具有充电功能,且其充电能力很强。7. 如在输入开关与自动稳压器之间串接一电感,当市电掉电时,逆变器可立即向负 载供电,可避免输入开关未断开时,逆变器反馈到电网而出现短路的危险。 发射基站原来用的不间断电源是3kva复华在线ups不间断电源(144v/ 20ah)电池组,经测试能维持整个发射系统工作的时间仅为23小时,而每次停电的时间间隔为816小时,所以发射系统不能够正常工作,要求发射系统的不间断电源能够在停电期间能够满足整个发射系统的需要。122.2 机房温度的控制发射基站建在高山上,经常无人看守。为了防止昂贵设备的丢失,和周围环境的影响,通常密封度都很高。而发射系统经常要处在工作状态中,不断的输出功率,不断的散热,所以机房的温度很高。发射系统中有很多的电气元件,机房散热不畅,没有安装专用的大功率的排风电扇,导致发射设备温度过高,电气元件的工作稳定性变差,故障频发。通过测试知道发射系统的上限温度为42,在这一值以下发射机正常工作。系统的极限温度为46,当超过这一值时,电气元件的性能将不稳定,发射机不能正常工作。在设计的过程中要机房安装专用的大功率的风扇,通过plc控制,当发射系统温度过高时能够自行启动,对机房温度进行控制。要求在系统上限温度时,plc控制发射机按额定功率的一半发射,以减少发射机自身的发热量。当系统温度达到极限温度时plc控制系统能立即关断发射机的供电。14对发射系统发设备的温度的测量用到了pt100电阻,在本文中相当于温度传感器。pt100温度传感器的使用,pt100温度传感器是一个模拟信号,它在实际应用中有二种形式:一种是不需要显示的主要采集到plc,这样的话在使用的时候就是只需要一块pt100的集成电路,要注意的是这个集成电路采集的不是电流信号是电阻值,pt100的集成电路(需要一个12vdc电源提供工作电压)直接把采集到的电阻变为1-5vdc输入到plc,经过简单的计算就可以得到相应的温度值(这样的形式可以同时采集多路),还有一种就是单独的一个pt100温度传感器(工作电源是24vdc),产生一个4-20ma的电流,然后再通过一个4-20ma电流电路板把4-20ma的电流变为1-5v电压,这个不一样的就是可以窜连一个电磁指示仪表。2.3 外电压的控制220v外电源供电电压偏低而且不稳定,高次谐波多,导致大功率模块被击穿。要求通过plc对外电源进行检测,当外电源是220v或比220v较高时,继续全功率开发射机;当外电源(小于220v)偏低时,plc检测油式发电机是否有油,有的话启动发电机,继电器关闭,当电压不低于220v时发射机继续工作,当发电机中没有汽油时,电压低于极限电压,这时关闭发射室,防止模块被损坏。72.4 nucleuslt发射机该发射机具有发射参数可编程控制功能。在正常工作状态下,发射机以额定功率100w发射。当由于外界气温等原因引起发射机温度偏高时,或由于较长时间停电导致电池组电压偏低时,发射机和电池组的温度将受到影响。要通过plc来控制发射系统的温度,必要时关断发射机。122.5 honda3kva发电机要求发电机能够在外电源较长时间停电或偏低,当不间断电源的电压较低(即将没电时),发电机能够通过plc启动,对充电器进行充电,使发射系统能够正常的运行;当外电源恢复正常时,plc控制发电机关闭。由外电源继续对充电器充电,发射系统回到停电前的初试工作状态。第 3 章 控制和保护系统的硬件设计3.1 可编程控制器机型的选择基于对发射系统的故障分析,并多次研究和实验,在对可编程控制器的高可靠性和稳定性,本文决定采用siemens公司smatic s7200(带em235模拟输入、输出扩展模块)plc为核心的发射基站自动控制和保护系统。7其主结构框图如图31所示。nucleuslt发射机24120ah电池组24/12v充电器plc可编程控制器发电机操作开关指示报警灯风机3.1.1 可编程控制器机型选择的一般原则 (1)cpu的能力cpu的能力是可编程控制器最重要的性能指标,也是机型选择时首先要考虑的问题。可编程控制器的cpu能力主要包括:处理器的个数是单处理器还是双处理器或多处理器;处理器是8位的还是16位或32位的。根据处理器的个数和位数就可粗略了解该可编程序控制器的基本特性。cpu存储器的性能从使用角度考虑存储器的性能主要是可供用户使用的存储器能力,它应包括存储器的最大容量、可扩展性、存储器的种类(ram, eprom, eeprom)。存储器的最大容量将限制用户程序的多少,一般来讲应根据内存容量估计并留有一定余量来选择存储器的容量。 中间标志、计时器和计数器的能力这一性能实际上也体现了软件功能,中间标志的多少和种类与系统的使用性能具有一定关系。如果构成的系统庞大、控制功能复杂,就而要较多的中间标志。对于计时器和计数器不但要知道它们的多少还要知道它们的计一时和计数范围。共它的性能参数包括电流消耗,工作环境要求,寿命时间等。(2) i/o点数i/o点数是可编程序控制器的一个简单明了的性能参数,也是应用设计的最直接的参数。在机型选择时必须注意以下问题8:产品手册上给出的最大i/o点数的确切含义有的是指输入输出的总点数,有的则分别结出最大输入点数和最大输出点数。要分清模拟量i/o点数和数字量i/o点数的关系有的产品模拟量i/o点数要占数字量i/o的点数;有的产品则分别独立给出且互相并无影响。远从程i/o的考虑对于较大的控制系统,控制对象较为分散,一般都要采用远程i/o。在选择机型时,要注意可编程控制器是否具有远程i/o的能力和能驱动远程i/o的点数。智能 i/o的考虑在机型选择考虑i/o点数的同时,还要考虑i/o的能力。具有智能i/o模板可方便地解决高速计数、闭环控制等特殊的控制功能。i/o点数的余量。无论如何,在系统硬件设计中要留有充分的i/o点数作为备用。这主要是基于两个方而的考虑:一是系统设计的更改。如果不留有充分的余量,一旦系统设备调整、控制功能增加,就要全部推翻原有设计好的系统,造成不必要的损失;二是手册上给出的最大i/o点数都是在理想情况下获得的参数,一旦满负荷运行,就要影响整个系统的响应速度和可靠性,给系统带来不良的影响。为了保证所设计的控制系统的正常运行,在系统硬件设计时,应根据实际i/o点数留有20%-30%的余量。(3)响应速度对于以数字量控制为主的工程应用项目,可编程控制器的响应速度都可满足实际需要,不必给予特殊的考虑。对于模拟量控制的系统,特别是具有较多闭环控制的系统,则必须考虑可编程控制器的响应速度。不同的控制对象对响应速度有不同的要求,要根据实际需要来选择可编程控制器。控制对象信号变化速度快,则要求响应速度快;控制对象信号变化慢,则要求响应的速 度就不同。(4)指令系统由于可编程控制器应用的广泛性,各种机型所具备的指令系统也不完全相同。从工程应用角度看,有些场合仅需要逻辑运算,有些场合需要复杂的算术运算,而有一些特殊场合还需要专用指令功能。从可编程序控制器本身来看,各个厂家的指令差异较大,但从整体上来说,指令系统都是面向工程技术人员的语言,其差异主要表现在指令的表达方式和指令的完整性上。有些厂家在控制指令方面开发得较强,有些厂家在数字运算指令方面开发得较全,而大多数厂家的逻辑指令方面都开发得较细。在选择机型时,从指令系统方面注意下述内容: 指令系统的总语句数这一点反映了整个指令所包括的全部功能。指令系统的种类主要应包括逻辑指令,运算指令和控制指令,具体的需求则与实际要完成的控制功能有关。指令系统的表达方式指令系统表达方式有多种,有的包括梯形图,控制系统流程图,语句表,顺控图,高级语言等多种表达方式;有的只包括其中一种或两种表达方式。应用软件的程序结构有模块化的程序结构,有子程序式的程序结构。前一种有利于应用软件编写和调试,但处理速度慢;后一种响应速度快,但不利于编写和现场调试。软件开发手段在考虑指令系统这一性能时,还要考虑到软件的开发手段。有的厂家在此基础上还开发了专用软件,可利用通用的微型机作为开发手段,这样就更加方便了用户的需要。cs )机 型 选择的其他考虑在考 虑 上 述四种性能后,还要根据工程应用实际考虑其他一些因素,这些因素包括9:a、性能价格比毫无疑问,高性能的机型必然需要较高的价格。在考虑满足需要的性能后还要根据工程的投资状况来确定选型。b、备品备件的统一考虑无论什么样的设备,投入生产后都要具有一定数量的备品备件。在系统硬件设计时,对于一个工厂来说应尽量与原有设备统一机型,这样就可以减少备品备件的种类和资金积压。同时还要考虑备品备件的来源,所选机型要有可靠的定货来源。c、技 术 支 持选择机型时还要考虑有可靠的技术支持。这些支持包括必要的技术培训,设计指导,系统维修等内容。3.1.2 simatic s7200的基本硬件组成 s7-200系列plc可提供4种不同的基本单元和6种型号的扩展单元。其系统构成包括基本单元、扩展单元、编程器、存储卡、写入器、文本显示器等。 1基本单元 s7-200系列plc中可提供4种不同的基本型号的8种cpu供选择使用,其输入输出点数的分配见表3-1: 表31 s7-200系列plc中cpu22x的基本单元 型 号输入点输出点可带扩展模块数s7-200cpu22164s7-200cpu222862个扩展模块 78路数字量i/o点或10路模拟量i/o点s7-200cpu22414107个扩展模块 168路数字量i/o点或35路模拟量i/o点s7-200cpu22624162个扩展模块 248路数字量i/o点或35路模拟量i/o点s7-200cpu226xm24162个扩展模块 248路数字量i/o点或35路模拟量i/o点2扩展单元 s7-200系列plc主要有6种扩展单元,它本身没有cpu,只能与基本单元相连接使用,用于扩展i/o点数,s7-200系列plc扩展单元型号及输入输出点数的分配如表4-12所示。 表32 s7-200系列plc扩展单元型号及输入输出点数 类 型型 号输入点输出点数字量扩展模块em2218无em222无8em2234/8/164/8/16模拟量扩展模块em2313无em232无2em235313编程器 plc在正式运行时,不需要编程器。编程器主要用来进行用户程序的编制、存储和管理等,并将用户程序送入plc中,在调试过程中,进行监控和故障检测。s7-200系列plc可采用多种编程器,一般可分为简易型和智能型。 简易型编程器是袖珍型的,简单实用,价格低廉,是一种很好的现场编程及监测工具,但显示功能较差,只能用指令表方式输入,使用不够方便。智能型编程器采用计算机进行编程操作,将专用的编程软件装入计算机内,可直接采用梯形图语言编程,实现在线监测,非常直观,且功能强大,s7-200系列plc的专用编程软件为step7-micro/win。 4程序存储卡 为了保证程序及重要参数的安全,一般小型plc设有外接eeprom卡盒接口,通过该接口可以将卡盒的内容写入plc,也可将plc内的程序及重要参数传到外接eeprom卡盒内作为备份。程序存储卡eeprom有6es 7291-8gc00-0xa0和6es 7291-8gd00-0xa0两种,程序容量分别为8k和16k程序步。 5写入器 写入器的功能是实现plc和eprom之间的程序传送,是将plc中ram区的程序通过写入器固化到程序存储卡中,或将plc中程序存储卡中的程序通过写入器传送到ram区。 6文本显示器 文本显示器td200不仅是一个用于显示系统信息的显示设备,还可以作为控制单元对某个量的数值进行修改,或直接设置输入/输出量。文本信息的显示用选择/确认的方法,最多可显示80条信息,每条信息最多4个变量的状态。过程参数可在显示器上显示,并可以随时修改。td200面板上的8个可编程序的功能键,每个都分配了一个存储器位,这些功能键在启动和测试系统时,可以进行参数设置和诊断。3.1.3 simatic s7200的外形结构1状态指示灯(led)显示cpu所处的工作状态。 sfsystem fault(系统错误) run运行 stop停止 2存储卡接口可以插入存储卡 3通信接口可以连接rs-485总线的通信电缆 _ embed pbrush _ 4顶部端子盖下边为输出端子和plc供电电源端子。输出端子的运行状态可以由顶部端子盖下方一排指示灯显示,on状态对应指示灯亮。 _ embed pbrush _ 5底部端子盖下边为输入端子和传感器电源端子。输入端子的运行状态可以由底部端子盖上方一排指示灯显示,on状态对应指示灯亮。 6前盖下面有运行、停止开关和接口模块插座。将开关拨向停止位置时,plc处于停止状态,此时可以对其编写程序。将开关拨向运行位置时,plc处于运行状态,此时不能对其编写程序。将开关拨向监控(term)状态,可以运行程序,同时还可以监视程序运行的状态。接口插座用于连接扩展模块,实现i/o扩展。3.1.4 simatic s7200的接口模块s7-200的接口模块主要有数字量i/o模块、模拟量i/o模块和通信模块。下面分别介绍这些模块。 (一)数字量i/o模块 数字量i/o模块是为了解决本机集成的数字量输入/输出点不能满足需要而使用的扩展模块。s7-200plc目前总共可以提供3大类,共9种数字量i/o模块。 1em221数字量输入扩展模块 8di,dc24v(直流输入) 2em222数字量输出扩展模块 8do,dc24v(直流输出) 8do,relay(dc24v/ ac24230v)(继电器输出) 3em223数字量混合模块 4di(dc24v),4do(dc24v/2a) 4di(dc24v),4do(relay 2a) 8di(dc24v),8do(dc24v/2a) 8di(dc24v),8do(relay 2a) 16di(dc24v),16do(relay 2a) 16di(dc24v),16do(dc24v/2a) (二)模拟量i/o模块 模拟量i/o模块提供了模拟量输入和模拟量输出的扩展功能。s7-200的模拟量扩展模块具有较大的适应性、可以直接与传感器相连,并有很大的灵活性,且安装方便。 1em231模拟量输入模块 4ai(电压或电流)输入信号的范围由sw1、sw2和sw3设定。 2em232模拟量输出模块 2ao(电压或电流) 3em235模拟量混合模块 4ai(电压或电流),量程由sw1sw6设定 1ao(电压或电流) (三)通信模块 s7-200系列plc除了cpu226本机集成了两个通信口以外,其他均在其内部集成了一个通信口,通信口采用了rs-485总线。此外,各plc还可以接入通信模块,以扩大其接口的数量和联网能力。 1em277模块 em277模块是profibus-dp从站模块,同时也支持mpi从站通讯; 2em241:调制解调器(modem)通讯模块 3cp243-1:工业以太网通讯模块; 4cp243-1 it:工业以太网通讯模块,同时提供web/e-mail等it应用; 5cp243-2:as-主站模块,可连接最多62个as-从站。 3.1.5 可编程控制器的工作方式和工作过程plc虽然以微处理器为核心,具有微机的许多特点,但它的工作方式却与微机有很大不同。微机一般采用等待命令和中断的工作方式,如常见的键盘扫描方式或1/o扫描方式,当有键按下或i/o动作,则转入相应的子程序或中断服务程序,无键按下,则继续扫描等待。p

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