6ES7277-0AA22-0XA0产品规格
1 引言
由于计算机技术、微电子技术、通讯技术等在自控领域广泛应用，抗干扰技术就更显得尤为重要。实际生产现场环境极其复杂，对自控系统产生的干扰已经成为不可能回避的问题。作为控制系统重要组成部分的现场总线，处在复杂的现场环境中，不可避免地存在各种各样的干扰，提高现场总线的抗干扰能力，是控制系统高效运行的重要因素。
随着根据国际电工委员会IEC1158定义，安装在制造或过程区域的现场装置与控制室内的自动控制装置之间的数字式、串行、多点通信的数据总线称为现场总线。当今全球流行的现场总线有FF总线(FieldbusFoundation)、Profibus、Modbus等。不管哪一种现场总线，在介质上传输的都是数字信号，由于干扰噪音的原因，使得“1”变成了“0”，“0”变成了“1”，从而影响到现场总线的性能，甚至于现场总线不能正常工作。不管从理论分析，还是从经验获得，现场总线的抗干扰能力均低于4-20mA模拟电流信号，研究并解决现场总线的抗干扰问题非常重要。
2 现场存在的干扰源
2.1 轧钢厂主要干扰源来源
(1) 传动系统
是现场大的干扰源。传动系统的总负荷，约占水处理车间总负荷的1/3以上，在系统的整流和逆变中，大功率电力电子元器件不定时的进行高速开和关的转换，产生大量的高频电磁波，污染整个车间，并且产生大量高次谐波，污染工频电网。
(2) 变压器、MCC柜、电力电缆和动力设备
这些设备均为工频，频率较低，干扰一般发生在近场，而近场中随着干扰源的特性不同，电场分量和磁场分量有着很大差别。特别是动力设备启动时，瞬间电流能够达到额定电流的6-11倍，会产生大电流冲击的暂态干扰。
(3) 来自工频电源的干扰
工频电源波形畸变和高次谐波，若未加隔离或滤波，便会通过供电系统而进入控制系统，从而影响整个现场总线。
(4) 导线接触不良产生的火花、电弧等;
(5) 三相供电不平衡产生的地电流、屏蔽层不共地产生的接地环流。
2.2 干扰的传播途径
(1) 由导线来传输，称为传导干扰。说处理车间的现场总线中，主要表现为地线阻抗干扰和来自工频电源的干扰。
(2) 通过空间以辐射的形式来传输，称为辐射干扰。
3 现场总线的抗干扰措施
3.1 抗远离干扰源
空间中任一点的磁感应强度B，服从毕奥-萨伐定律，见下式:
(1)
式中:
μ:磁导率，H/m;
dv:源点周围处的体积元，m3;
r:dv到场点(x,y,z)的距离，m;
er:源点指向场点的单位矢量。
对于线形电流I，由Jdv=Idl，得:
(2)
式中:
dl—源点附近的长度,m
式(1)适用于用电设备周围的磁感应强度，式(2)适用于动力电缆周围的磁感应强度。可见，水处理车间的动力设备和电力电缆对现场总线的干扰，与距离的平方成反比，即随距离的增大，干扰衰减非常快。现场总线设备远离用电设备，现场总线电缆与动力电缆分层桥架布置，都能起到很好的防干扰作用。远离干扰源，是防止辐射干扰的重要措施。
3.2 现场总线设备和电缆的屏蔽
随着现场总线屏蔽的机理，一是外来电磁波在金属表面产生涡流，从而抵消原来的磁场;二是电磁波在金属表面产生反射损耗，另一部分透射波在金属屏蔽层内传播过程中，衰减产生吸收损耗。现场总线的屏蔽是利用由导电材料制成的屏蔽并结合接地，来切断干扰源。
3.3 采用UPS电源或隔离变压器
采用UPS电源或隔离变压器可防止来自工频电源的干扰。
3.4 采用光缆传输信号
随着在现场总线传输速率高、传输距离远、干扰大的情况下，尽可能地采用光缆。采用光缆后，能够解决辐射干扰和传导干扰的众多问题。若在不共地两点之间，或者在接地状况很不好的情况下，采用光缆传输现场总线信号，可有效防止接地环流等干扰。特别是车间的自动控制系统与电机传动、MCC之间，容易存在接地电位差，或接地环流，要特别注意，选用光缆优于选用双绞线。
3.5 正确选择和安装水处理传动系统
水处理车间整流部分采用的是12脉冲整流，传动柜与电机之间的动力电缆，采用了良好屏蔽且三芯对称的电力电缆，有效的消除了5次和7次谐波。
4 现场总线的接地
良好的接地是现场总线防干扰的重要内容。所谓“地”，一般定义为电路或系统的零电位参考点;所谓接地，就是在两点之间建立传导通路，以便将电子设备或元件连接到“地”。接地的目的，一是保护操作人员和设备的安全，即“保护地”;二是为了抑制电磁干扰，提供电子测量中的电位基准，即“工作地”。图1是“工作地”的接地方法。
图1 接地的方法
单点接地，是指系统中所有电子设备或元件都并联连接到一个接地参考点。这种接地方式的优点是各电子设备或元件的地电位，只与本电子设备或元件的地线阻抗有关，不受其他回路的影响，缺点是此方法增加了地线间的干扰耦合，在高频情况下地线使阻抗大大增加。
多点接地，是指系统中各个需要接地的点都直接连接到距它近的接地点上，以使接地线的长度短。由于接地线很短，适用于高频情况，其缺点是易构成各种地回路，造成低频地回路干扰。
一般来说，工作频率在1MHz以下，可采用单点接地方式;工作频率在10MHz以上，可采用多点接地方式;当然，亦可单点接地和多点接地混合使用。接地线太长时，应采用多点接地，以防止接地线阻抗太大，干扰噪声电压太高。
在众多现场总线中，Profibus现场总线的发展尤为迅速，在自动化控制行业应用很广，现以Profibus-DP为例说明。Profibus-DP的通讯速率有9.6kbps、19.2kbps、187.5kbps、0.5Mbps、1.5Mbps、3Mbps、6Mbps、12Mbps，其中常用的通讯速率为1.5Mbps，此时，Profibus双绞电缆的长度可达200m(使用中继器可延长)。
根据傅立叶分析可知，任何信号都可以由各种频率的正弦波组成。数字通讯的1、0信号是矩形波，可用下式表示:
式中:
A为基频振幅;
f1为基频频率。
可见，第k个频率kf1的振幅仅为基频的1/k，当k值很大时，振幅很小，通讯的带宽通常限定在前三个频率成分范围内。当Profibus-DP通讯速率为1.5Mbps时，可认为通讯的频率为k=5时，即基频的5倍，1.5×5=7.5MHz，频率较高，接近10MHz，宜采用多点接地，应大可能地减小接地阻抗。
随着Profibus-DP电缆采用RS-485双绞屏蔽电缆，由于通讯频率较高，干扰所产生的噪声电流只在屏蔽层外表流过(集肤效应)，屏蔽层通常采用多点接地，一般在电缆屏蔽层两端接地，即始端和末端接地。若一端接地(始端或末端)，仅仅有利于消除低频干扰。但在整个车间没有放置等电位接地板，不能实现等电位接地时，一端接地优于两端接地，一端接地可防止形成地回路。
5 现场总线在水处理控制系统中的抗干扰应用
莱钢大型轧机水处理系统的DCS系统采用国际公司提供的先进DCS系统，控制器采用AC450，MCC使用了INSUM系统，DCS与MCC之间采用Profibus-DP通讯连接，通讯速率1.5Mbps。图2为AC124控制器与MCC的连接框图。
图2 AC124控制器与MCC的连接框图
由于INSUM内部通讯使用LONbus，必须通过Gateway网关将LONbus转换为Profibus，控制器侧连接至CI541卡。调试初期，采用Profibus双绞屏蔽电缆，总长约150m，电缆两端通过D型插头接地，很快发现Profibus站点不能全部找到，有时甚至一个站点也找不到，通过实验，排除了其它方面的所有原因。后发现，DCS侧电缆屏蔽不接地时，所有站点都能找到，于是采用了MCC侧单端接地。当时能够正常运行，但过一段时间就会突然出现某个Gateway运行中死机，复位后正常。分析原因:
(1) Gateway位于MCC柜内，大量电力设备存在，电磁干扰大。
(2) 此部分MCC靠近传动，电机传动产生的干扰影响。
(3) DCS与MCC之间存在接地电位差，以至于电缆屏蔽两端接地时，形成回路，干扰总线信号。
(4) 控制器侧工程师站亦出现大量CI541卡错误信息，怀疑大量误码存在。
鉴于以上原因，决定将Profibus屏蔽电缆换为光缆。换后情况改善，Gateway不再死机。
在自动化控制系统的设计、安装、调试中，我们要特别注意现场总线的干扰问题,并采取适当的措施，消除干扰的影响
0 引言
可编程序控制器PLC是电气自动化控制领域的重要组成部分,其性能的优劣对整个控制系统有着重大的影响。PLC是以微处理器为基础,综合计算机、通信、联网以及自动控制技术而开发的新一代工业控制装置,它随着微电子技术的发展而同步发展,目前已被广泛应用于机器制造、冶金、化工、轻工、电力、建筑、交通等各个行业。
嵌入式PLC根据编程指令的执行方式不同,可分为解释型和编译型。针对这两种执行机制,本文对它们进行比较分析,并通过性能比较实验,验证了采用编译的执行方式,可以明显提高PLC指令的处理速度并且具有良好的可靠性。
1 解释型PLC的执行机制
解释型PLC下载到下位机的程序,是在上位机编译系统中作了简单的处理而得到的编码(我们称为中间代码)。由于无法直接识别这些中间代码,下位机处理器只能采用取一条指令、解释执行一条指令的方式逐句执行。这种机制方法简单,容易实现,因为每执行一条指令都要调用相应的解释程序,从而花费了大量的时间。
1. 1 解释型PLC的系统结构
解释型PLC的系统结构如图1所示。
解释型PLC系统由在计算机上运行的上位机(编辑环境)部分和PLC处理器上运行的下位机(运行环境)部分组成。其中,上位机负责梯形图和语句表程序的编辑,并进行硬件和通信接口的相关设置、下载上传代码文件等操作;下位机为PLC的运行环境,负责PLC指令的执行,实现逻辑控制、顺序控制等功能。
1. 2 解释型PLC的编辑系统
解释型PLC的编辑环境包括硬件配置模块、网络设置模块、梯形图和语句表的编辑模块等部分,各部分完成的功能如下。
①硬件配置模块完成对下位机硬件条件的配置,用户可根据不同的需要,选择相应的模板和模块;还可以对硬件资源进行管理,定义一些变量和常量,以及对相应的常量进行赋值。
②通信设置模块主要完成串口设置、自定义网络通信设置、串口上传/下载等功能。其中串口设置包括选择串口和设置串口属性;自定义网络通信设置包括对IP地址、网关、子网掩码、MAC地址、端口等的设置;串口上传/下载完成程序文件和配置文件在上位机与下位机之间的相互传送。
③梯形图和语句表的编辑模块通过对梯形图或语句表的编辑,完成应用程序的编制工作。编辑梯形图时,点击工程选项,打开3 .LAD文件,可以插入程序段、添加程序注释,选择插入相应的梯形图,并选择地址;编辑语句表时,点击工程选项,打开3 . STL文件,同样可以添加程序段和注释。编辑完成后保存梯形图/语句表程序段或者选择编译工程文件编译整个工程文件。
在编辑系统中,解释型PLC利用梯形图和语句表编辑模块编制用户应用程序,对语句表(梯形图要转化为语句表处理)进行编码处理(中间代码),并通过串口下载到下位机。
1. 3 解释型PLC的解释程序
由于下载到下位机的程序是在上位机人为处理后得到的中间代码,PLC处理器无法识别这些代码,必须经过解释程序逐句解释执行。解释程序的一般工作流程如图2所示。
1. 4 解释型PLC的运行系统
解释型PLC的运行系统由系统初始化、扫描输入、扫描中间代码程序、解释执行、扫描输出等模块组成。系统运行的执行过程如图3所示。系统初始化用来为程序区和数据区等区域申请空间,如I区、Q区、M区、T区、C区、P区等。系统初始化后,进行输入扫描。解释程序的一般工作流程如图2所示。
PLC有调试、运行和停止这三种工作模式。在调试模式下,系统初始化、扫描输入后,扫描串口和网口,将通过上位机编辑系统通信模块的下载功能下载的程序中间代码文件存储到用户程序区,等待解释执行。在运行模式下,系统初始化、扫描输入后,不再扫描串口和网口,而是直接扫描用户程序,并由PLC虚拟机采用取指令、解释、执行的方式逐句执行,PLC执行其他模块。在停止模式下, PLC初始化后,不进行任何操作。
2 编译型PLC的执行机制
编译型PLC下载到下位机的程序,是在上位机编译系统中编译过的程序。该程序下载到下位机后,可以直接执行,而不再需要解释;并且可以一次编译,多次执行。这种机制在上位机就完成了编译的工作,下位机通过加载程序就可以直接执行,从而节省了很多时间。
2. 1 编译型PLC的系统结构
编译型PLC的系统结构如图4所示。编译型PLC的系统结构与解释型PLC基本一致,不同的是在编辑环境中增加了对中间代码的编译处理模块,以及在运行环境中加载了执行机器码程序的模块。
2. 2 编译型PLC的编辑系统
这种执行机制的编辑环境和解释型PLC的编辑环境基本相同,也包含了硬件配置模块、网络设置模块、梯形图和语句表的编辑模块等,但不同的是其增加了对指令的编译处理部分。经过编译处理,在上位机完成把应用程序转化为嵌入式机器码的工作,通过编译系统的串口下载功能将这些连续的机器码下载到下位机。指令的编译(目标代码生成)过程如下。
①指令的解析:将中间代码指令映射为ARM汇编指令。如果是指令的操作码(二进制编码) ,则根据此指令的功能,按一定顺序用能实现其功能的若干ARM汇编指令表示;如果是指令的操作数,则根据其寻址方式和数据变量类型来确定操作数的物理地址或者操作数本身。
②将步骤①中得到的ARM汇编指令序列封装成ARM汇编文件。
③通过调用ARM公司的汇编编译器armasm和链接器armbbbb进行编译和链接,生成AXF调试文件,再调用ARM公司的代码转换工具fromelf,将AXF调试文件转换为ELF格式的ROM烧写文件。
④至此,得到可执行的目标代码B IN文件。
2. 3 编译型PLC的运行系统
编译型PLC运行系统的执行过程如图5所示。与解释型PLC不同,在系统初始化过程中,编译型PLC下位机要做的一个很重要的工作是采用分散加载的方式来申请程序区和数据区的空间,如I区、Q区、M区、T区、C区、P区等。这些区的首地址都是协定好的,上位机编译系统在编译时可以直接使用各个数据区的首地址。因为上位机生成的机器码文件中的地址必须是下位机存储器的物理地址,程序才能直接访问数据,否则还需要进行内存重定位等步骤,这样就影响程序的执行速度。
这种机制在调试模式下,通过上位机编译系统通信模块的下载功能下载的程序是机器码B IN文件,而不像解释型PLC下载的是中间代码。在运行模式下,加载用户程序时,先保存程序指针,利用汇编的JMP命令跳转到用户程序区,这是一段连续的内存空间,里面存储的是用户程序的机器码。用户程序执行完后,再恢复程序指针,PLC执行其他模块。按照这样的方式,嵌入式机器码可以直接被ARM7系列CPU调用执行,减少了PLC虚拟机的参与过程,提高了程序的执行速度。
3 性能比较
从运行速度的角度分析,由于编译型PLC减少了PLC虚拟机在指令执行时的解释过程,它比解释型PLC运行时生成的有效指令明显少很多,从而较大幅度地提高了运行速度。逻辑指令在编译型PLC运行时生成的平均有效指令仅是解释型PLC的1/10左右。经SK系列PLC测试表明,执行同样的1MB位逻辑指令程序,解释型约需5. 15 s,而编译型仅需0. 55s,执行效率得到明显提高。
4 结束语
本文从系统结构、编辑系统的组成和运行系统的执行过程等方面对嵌入式PLC目前常用的两种执行机制进行比较分析,并通过性能比较实验验证了编译型PLC具有良好的可移植性和高效性。不可否认,这种编译方法尚有不足之处,今后我们将致力于对现有的指令编译技术进行改进和优化的工作,构建出性能更加可靠、效率更加突出的嵌入式PLC系统。只有从效率和可靠性等指标上缩短与PLC的差距,才能赢得更多的市场,打造我们自己的民族品牌。了解更多PLC技术、资讯、分析报告文章，请点击查看http://plc.jlck.cn/ 2011年PLC企业“爆”团，新鲜技术全接触。