基于PLC的电站排水控制系统中电机轮换的实现

郭维礼，孙贵珠

（西安航天自动化股份有限公司，陕西 西安 710065）

0 引言

工程应用中，经常会遇到两台或两台以上的电机在一个排水系统中使用的情况，这时出于系统的可靠和对设备的保护及均衡使用，就需考虑电机的自动轮换使用。电机轮换的策略或要求一般由设计院或用户提出，由系统集成设备提供商依要求实现。

电机正确轮换是系统可靠运行的基础。电机的轮换方式一般有按运行次数轮换或按连续（累计）运行时间轮换，也有两者同时参与轮换的。对于电机连续运行时间在几个小时内的间断运行的控制系统，多采用按运行次数轮换的方式；而电机长时间连续运行的控制系统（如主变压器需连续运行数月之久），多采用按累计运行时间或连续运行时间轮换的方式。

1 设计理念

控制系统的软件决定了系统的功能，软件功能的实现应受硬件接口的制约。应用软件的好坏主要体现在其功能性、可靠性、易用性、维护性、易测试性和可移植性算方面。选择合适的算法和结构，对编写好的程序是至关重要的。应用程序应该是易读的、正确的、高性能的，程序编写应尽量做到简洁。［1－3］

应用结构化编程和模块化编程方法能很好地解决工程中的实际问题，也是笔者在长期的编程实践中一直使用的方法。模块化编程，按照功能的不同，将程序划分成多个模块，由各模块实现各自不同的功能，再对各功能集成，以实现控制系统的整体功能。

2 两台电机的轮换

两台电机的轮换，非此即彼，判定也较简单。

2．1 乒乓式

乒乓式轮换是利用电机运行信号，通过计数器实现1＃电机和2＃电机的自动轮换。利用1＃电机运行信号（pump＿run1）和2＃电机运行信号（pump＿run2）给计数器CTU（%400290）计数。在pump＿run1和pump＿run2的上升沿通过CU输入使计数器计数，计数器CTU的计数范围为0，1，2。当计数器计数到“2”时，计数器输出 Q（%000403）为“1”，计数器输入 R为“1”，立即将计数器复位为“0”，则计数器（%400290）的稳态值为 “0”和“1”。当PLC首次上电，计数器的值 （%400290）为 “0”，功 能 块 EQ＿INT 的 输 出（%000400）为“0”，轮到1＃电机启动；1＃电机停止，计数器上升沿计数，计数器的值（%400290）为“1”，功能块EQ＿INT的输出（%000400）为“1”，轮到2＃电机启动；2＃电机停止，计数器上升沿计数，计数器的值（%400290）为“2”，计数器输出 Q（%000403）为1，立即将计数器复位为“0”，功能块EQ＿INT的输出（%000400）为“0”，轮到1＃电机启动，如此循环。

乒乓式轮换的特点是：PLC断电并重新上电时，计数器值会保持为上次断电前的值。应使用一个上升计数器功能块（CTU），一个或两个比较功能块（EQ＿INT），如图1所示。

2．2 点位式

点位式轮换是利用一个位的两个稳态，通过电机的运行信号或故障信号对位进行置位和复位来实现。位的“0”和“1”分别对应两台不同的电机。在逻辑判断中应做相应的闭锁，从而保证只有在一台电机单独运行后或只有一台电机故障时，才做一次置位或复位的动作。如图2所示，控制系统在非手动方式下（i＿w＿man），首次启动时位%m401为初始状态“0”，排水系统液位满足电机启动条件后启动1＃电机。1＃电机运行后（i＿run1）或故障（pump1＿fault），将%m401置位为“1”，排水系统液位再次满足电机启动条件后启动2＃电机。2＃电机运行后（i＿run2）或故障（pump2＿fault），又将%m401复位为“0”，如此，实现两台电机的轮换。位线圈置位S和位线圈复位R左侧的电机运行i＿run1和i＿run2常闭闭锁，保证位线圈置位S和位线圈复位R不会同时激磁。

图1 乒乓式轮换

点位式轮换如图2所示，它的特点是只使用一个位就实现了两台电机的轮换，而且使用的是位的置位和复位，位的状态不受PLC断电的影响。

图2 点位式轮换

3 多台电机的轮换

多台电机的轮换更复杂一些，笔者使用过的方法有枚举法、令牌环法、依次比较法和矩阵法，在此主要探讨一种以矩阵法实现电机轮换的编程思路和方法。假设控制系统设有手动、切除、工作、备用和工备自转5种工作方式。需要说明的是，比较常见的有手动、切除、自动的工作方式和手动、切除、工作、备用的工作方式，也有不设切除方式的。工备自转方式只是给PLC增加了一个点，但较多地增加了PLC程序的判定，对系统控制功能的增强也是显而易见的，使系统对设备的选择更加灵活。系统在工作、备用、工备自转方式下按照运行次数轮换运行。

要正确实现电机的轮换还需明确以下优先启动次序，假设：

（1）运行次数最少的电机优先。

（2）运行次数相同时，优先顺序为1＃电机→2＃电机→3＃电机→4＃电机→5＃电机。

（3）启动的优先顺序依判值为工作1→工作2→工作3→备用1→备用2。判值为0的电机不在轮换范围，不自动启动。

3．1 工作方式矩阵

工作方式与判值的关系逻辑见表1，在故障状态下无论哪种工作方式，判值均为0；在非故障状态下，工作方式时判值为1或2或3，备用方式时判值为4或5，工备自转方式时判值为1或2或3或4或5。

表1 不同工作方式的判值

3．2 轮换矩阵

电机设备与判值的关系逻辑矩阵见表2。按照电机设备启动顺序工作1→工作2→工作3→备用1→备用2的判定。以电机启动次数的多少，分别赋以工作1为1，工作2为2，工作3为3，备用1为4，备用2为5。当控制系统液位满足电机启动条件时，首先启动表2中判定值为1的电机，再按照要启动泵的数量要求和液位要求，依次启动2，3，4，5。

表2 不同电机设备的判值矩阵

矩阵法判定每台电机启动条件，并赋以每台电机一个独立的判值。每台电机能够独立地依据启停条件启停，而不受其他电机状态的影响，轻松实现电机的成组启停或依序启停。矩阵法判定方法也不因电机台数变化而产生结构的变化，其逻辑清楚、简单。

4 结语

虽然目前PLC的处理器功能和存储器容量的提升已使编程人员一般不用考虑程序文件的大小，但简洁、易用、易维护的系统，能减轻最终用户的工作和增强系统的可靠性。用户对于产品的需求不仅仅是满足其基本功能，同时也是自己企业综合实力的体现。本文通过提炼已在多个PLC控制系统中成功应用的多种电机轮换策略的实现方法，旨在加强交流，促进行业的共同进步。

［1］ Jaroslav Tulach．软件框架设计的艺术［M］．王磊，朱兴，译．北京：人民邮电出版社，2011．

［2］ 普雷斯曼．软件工程：实践者的研究方法［M］．第7版．郑人杰，译．北京：机械工业出版社，2011．

［3］ 皮柳杨，陈希有，李红．基于模糊自适应PID控制器的智能供水系统［J］．电气自动化，2012，34（3）：79－81．