PLC在发射机监控电路中的应用

       发射机监控电路主要完成发射机的开关机控制、工作状态监测和指示、故障监测定位、各种故障的处理、重要参数的测量，并实现与雷达主控台的通信。可靠的发射机监控电路是发射机长期稳定工作的保证。由于发射机功率很大，其微波峰值功率达数兆瓦，平均功率达数十千瓦，调制脉冲电压可高达上百千伏，脉冲电流达数千安，且有许多强功率开关和非线性元器件，是一个强大的干扰源。

       而发射机监控电路又是一个敏感度很高的小信号电路，比较容易受干扰，如果不能有效地解决干扰问题，会出现监控电路误动作、故障不响应、程序失控等现象，这些现象对发射机的安全性和可靠性足极为不利的。PLC(可编程逻辑控制器)经过规范化设计、工业控制中的大量使用以及严格的电磁兼容实验，目前已发展成为最可靠的控制器之一。PLC起源于继电器控制系统，使用集成电路和内部逻辑替代了分立继电器、定时器、计数器和其他设备，具有较大的容量和精度，因此具有更大的灵活性。由于PLC采取了有效的电位隔离、瞬态抑制及滤波等抗干扰技术，其内部电路能可靠、稳定地运行，因此它更适合于强电磁干扰环境中使用。

       1 PLC工作原理

       PLC是通过监视输入信号和提供输出信号进行工作的，在检测到信号的变化后，通过由用户编制的内部逻辑程序产生输出信号。PLC通过循环扫描在存储器中的程序来实现这种控制，用户控制程序存储在PLC中作为PLC内部循环操作的一部分。当CPU运行时，执行一系列的内部操作，这些内部操作一般可分为监视处理过程(如监视计时器的运行和程序存储器的测试)、数据输入和输出、执行指令、外围设备服务4类。以OMRON C200HE系列PLC为例，图1为CPU的运行流程图。

       2 由PLC组成的发射机监控电路

       某大功率精密测量雷达发射机输出平均功率10 kW，采用全固态刚管调制器技术，调制器由40块调制开关组件板串联组成。调制器输出脉冲电压80 kV，脉冲电流100 A。要求发射机监控电路具有本地控制和远程控制功能，具有工作状态显示、各种故障快速保护和指示、调制器组件板在线检测、高压电压和电流数字显示等功能。

       根据以上要求，采用计算机作为L位机、PLC作为下位机的双机控制模式。PLC主要完成控制算法的执行，可脱离计算机运行。选用OMRON公司的C200H系列PLC，CPU选用C200HE-CPU42-E型，具体技术指标为程序容量7.2 kB，数据区容量6 kB，基本指令执行时间0.3μs，每个机架可插入10个模块，最多可扩展4个机架，可组成较大的控制系统。同时，该CPU支持远程控制协议，可很方便地组成上下位机控制系统。另外，选用C200H-ID212作为数字量输入模块，C200H-0C225和C200H-OD212作为数字量输出模块，C200H-AD003作为模拟量输入模块，C200H-COM06作为远程通信模块。由于该发射机工作电压高，电流大，干扰强，为了保证计算机与PLC通信的可靠性，避免长线传输引人干扰，采用光纤作为通信介质。系统框图见图2。

       输入信号包括开关机控制信号、状态回报和故障信号。其中所有的故障信号采用低电平有效，即故障节点导通为正常状态，由PLC提供电流对故障传输回路进行检测，当故障出现时，回路电流为0，输出高电平。采用这种方法的好处是可以将出现断线、虚焊或故障检测回路未供电等现象统一判定为故障状态，从而大大提高系统保护的可靠性。输出信号包括控制命令和开关机命令，控制命令由PLC直接OC门输出，电源由接收电路提供，用于小信号的控制，如使能信号、复位信号、状态指示信号等。开关机命令则采用继电器输出，直接用来驱动接触器。模拟量输入信号包括高压电压和高压电流，为保证取样信号的准确性，采用电量隔离传感器对电压和电流进行取样隔离，在PLC模拟量输入模块端口进行滤波和电压钳位，同时对转换数据进行16次平均处理，消除数据抖动。

       控制软件采用OMRON公司的集成开发环境CX-Programmer3.0开发，该平台可实现软件编程、程序下载、程序在线编辑以及在线调试等功能。C200H系列PLC的指令齐全，功能强大，可进行复杂的数学运算，也可进行子程序嵌套或复杂的跳转。同时，该平台可以用来对各种模块进行设置，如设置通信方式、循环时间、上电状态以及模拟量输入模块的各项参数。

       控制软件采用直观的梯形图方式编写，该方式与继电器联锁电路图类似，直观易懂，修改、调试非常方便。 本发射机采用4步开机，先开冷却，再开低压，低压预热13 min如无故障开高压1，最后开高压2，在高压工作过程中，有任何故障均关高压，指示故障。关机过程与开机过程相反。为防止误操作，每一步开关机均有联锁，即上一步操作未完成，下一步操作无效，以保证发射机的安全。控制程序由初始化子程序、开关机控制子程序、故障处理与显示子程序、状态显示子程序、通信数据准备子程序组成。主程序流程见图3。

       3 PLC与主控计算机的通信

       发射机监控电路需将发射机的工作状态、故障信息以及重要的参数传送到主控计算机，由于需传送的数据量不大，实时性要求不高，此类数据的传输多采用异步通信模式，为增加传输距离、增强抗干扰性能，一般采用标准RS-422通信。C200H-CPU42型CPU模块提供了一个RS-232接口，不能满足要求，于是扩展了通信模块，该模块提供一个RS-232接口和一个RS-422接口。C200H系列PLC的串口通信有两种工作方式：一种是标准串口，即软件通信协议是自定义的；另一种是上位机链接通信，即通信协议为PLC规定好的。PLC的开发环境就是使用这种协议与PLC通信。比较这两种方式，我们选择了上位机链接通信方式，采用这种方式的好处是：

       a) 该通信方式有完整的数据协议使上位机能访问PLC的所有内存；

       b) 该通信方式有完善的出错处理能力；

       c) 采用该通信方式，PLC对通信处理无需编程，所有数据接收、解包、分析、执行由内置通信协议完成；

       d) 该通信方式具有非常高的可靠性。

       上位机链接通信采用应答方式，PLC始终处于被动状态，不主动传输数据。

       本监控系统中串口设置为波特率9 600 bit／s、数据位8位、停止位1位、奇校验。数据采用ASCII码打包的形式传输，数据格式见图4。

       数据格式各部分的含义如下：

       @：@符号置于每个命令的开头，表示包的起始；

       节点号：用节点号标识发射机，为00；

       识别码：两字符的命令代码，表示命令的含义；

       正文：命令参数；

       FCS：两字符的检查码，用于检查包中的数据错误；

       终止符："*"和同车两字符，表示命令结束。

       识别码常用的有WR、RR、WD、RD等，WR为向IR区写数据，RR为从IR区读数据，WD为向DM区写数据，RD为从DM区读数据。

       FCS为包头到正文所有字节进行异或运算得到的数值转换成ASCII码。如上位机向PLC发送数据包@00WR00300001FCS*，表示上位机要将IR30写1，如PLC收到并执行无误，便向上位机回送@00WR00FCS*，表示命令收到并已执行，如数据传输发生错误，便向上位机发送错误代码。如上位机向PLC发送数据包@00RD01000005Fcs*表示上位机要读DM区从DM100开始的连续5个字，应答为@00RD00FFFFGCGCHHHHJJJJKKKKFCS*从RD00开始后的连续5个字即为DM100到DM104的内容。

       在本监控系统中，遥控工作方式就采用这种通信方式。对通信过程，PLC不做任何处理，只采取必要的联锁，直接由主控计算机控制发射机。主控计算机采用VC编程。实践证明，该通信方式具有很高的可靠性，同时对处理逻辑功能强、处理算法功能弱的PLC编程带来很大的方便。

     4 结束语

     本文介绍的监控系统已在多部民用雷达发射机、大功率脉冲调制器、微波管测试台上得到了广泛应用，并已拓展到军品领域。以PLC为核心的监控系统由于其可靠性极高、抗电磁干扰能力极强等优点，将具有广泛的应用前景。

本文来源：电子工程    作者：南京电子技术研究所 谢 英

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