弧门开度编码器探讨 本文关键词：编码器，探讨，弧门开度
弧门开度编码器探讨 本文简介：引言近尾洲水电厂位于湘江中游，地处衡南、常宁、祁东三县交界处，是湘江干流开发规划中的第五级、径流式电站，总装机容量63.18MW（3×21.06MW）。共有22孔泄洪弧门，其中6孔弧门为平底堰，孔口尺寸为14×11.5m，堰顶高程为55.00ｍ；16孔弧门为WES堰，孔口尺寸为14×9.5m，堰顶高
弧门开度编码器探讨 本文内容：
引言
近尾洲水电厂位于湘江中游，地处衡南、常宁、祁东三县交界处，是湘江干流开发规划中的第五级、径流式电站，总装机容量63.18MW（3×21.06MW）。共有22孔泄洪弧门，其中6孔弧门为平底堰，孔口尺寸为14×11.5m，堰顶高程为55.00ｍ；16孔弧门为WES堰，孔口尺寸为14×9.5m，堰顶高程为57.00ｍ。弧门启闭机型式为液压传动双吊点式，型号为QHLY－2×1000－7.8（6台，武进液压启闭机厂生产）和QHLY－2×800－6.5（16台，力士乐公司生产）。弧门上位机与8号弧门的集控S7-300CPU315-2DP通过以太网模块CP343-1、网络交换机、使用MODBUSTCP/IP协议组网通讯，集控S7-300与现地22个弧门液压站、一个弧门信号站共23个S7-200（类型：CPU226CNREL02.01）通过通讯模块EM227、使用PROFBUS-DP协议进行通讯，实现对弧门的监视及操作控制。其中1-9号弧门（枢纽工程一期建设）开度检测值从编码器SVM10-1055（无地址线识别码）通过串并模块接收到S7-200的数字量输入映像寄存器，10-22号弧门（枢纽工程二期建设）开度检测值从编码器SVM10-1053（有地址线识别码）通过S7-200的自由端口0接收到PLC的数据存储缓冲区。弧门网络控制系统结构简图如图1所示。弧门操作方式分“现地”操作和“远方”操作，“现地”操作又分“手动”和“自动”，“远方”操作即中控室上位机操作。原则上操作顺序为“远方”、“自动”、“手动”。弧门编码器布设在弧门两侧闸墙上，运行环境相对恶劣。自电厂投产以来，已连续使用时间超过14年。2013年底，7、8、10号弧门等均出现编码器数据不稳定现象，影响到弧门“自动”操控功能，设备可靠性降低。尽管当时已更换处理，但已无该备品库存，且该型号编码器为德国倍加福公司产品，目前已停产。对于升级的产品，也不能直接代换。为此，电厂曾联系过原设备安装单位寻求提供解决方案，但由于所报方案涉及资金太高问题而暂缓。为确保泄洪弧门设备安全稳定，电厂成立技术课题小组，发挥专业人员技术特长，培养动手及创新能力，同时降低运营成本（国产编码器价格相对较低），开展了编码器国产化试验探究工作。
1研究方法
主要试验解决国产编码器与PLC自由口模式通信问题。分三个阶段进行探究：第一阶段在办公室学习总结，对可编程控制器系统手册[1]编码器通讯协议、运行弧门自由口通信程序、试验用编码器串口通信协议等进行学习、探究，初步提出自由口通讯流程图及梯形图程序；第二阶段利用S7-200备件、编码器在试验室对通讯程序及流程图进行试验、监视及调整；第三阶段在1号弧门液压站开展试验完善工作，试验、探究出适合电厂弧门自由口通讯程序。
2分析过程、分析结果及结论
2.1自由口通讯理解与设置
S7-200的通讯端口选择自由口模式后，通过使用发送指令（XMT）、接收指令（RCV）、发送中断、接收中断、通信协议等中断与通讯指令控制通讯端口的操作，达到PLC与编码器等I/O设备发送与接受信息目的。7-200CPU的通讯端口在电气技术规范上为标准的RS-485半双工串行通信口，即要么接收，要么发送，发送与接收程序互锁。XMT和RCV指令的数据缓冲区类似，起始字节为需要发送的或接收的字符个数，随后是数据字节本身。如果接收的消息中包括了起始或结束字符，则它们也包含在数据字节内，调用XMT和RCV指令时只需要指定通信口和数据缓冲区的起始字节地址。RCV指令的基本工作过程为：在逻辑条件满足时，启动（一次）RCV指令，进入接收等待状态监视通信端口，等待设置的消息起始条件满足，然后进入消息接收状态，如果满足了设置的消息结束条件，则结束消息，然后退出接收状态。所以RCV指令启动后并不一定就接收消息，如果没有让它开始消息接收的条件，就一直处于等待接收的状态；如果消息始终没有开始或者结束，通信口就一直处于接收状态。这时如果尝试执行XMT指令，就不会发送任何消息，可以使用发送完成中断和接收完成中断功能确保不同时执行XMT和RCV。字符接收中断：S7-200CPU提供了通信口字符接收中断功能，通信口接收到字符时会产生一个中断，接收到的字符暂存在特殊存储器SMB2中。通信口0和通信口1共用SMB2，两个口的字符接收中断号分别为8、25。每接收到一个字符，就产生一次中断。对于连续发送消息，需要在中断服务程序中，使用间接寻址将单个的字符按帧信息有序排列到寄存器数据缓冲区域中。此试验程序将特殊存储器SMB30设置值为16#05，即把通信口定义为自由口模式，通信波特率、数据位、校验位分别为19.2kbps、8个、无。此串行通讯格式包括：一个起始位、8个数据位、无校验位、一个停止位。
2.2监测原程序扫描时间参数
试验前先后对1-9号弧门程序状态字节SMW22、SMW24、SMW26进行监视，一般记录最后一次扫描时间SMW22、最小扫描时间SMW24、最长扫描时间SMW26分别大致为0.02-0.021s、0.019s、0.028s；10-22号弧门程序状态字节SMW22、SMW24、SMW26进行监视，一般记录最后一次扫描时间SMW22、最小扫描时间SMW24、最后扫描时间SMW26分别大致为0.036-0.041s、0.033s、0.048s。
2.3弧门开度值与编码器输出值的关系式
弧门开度检测装置由测量编码器、转向测量轮、重力卷线轮、转向轮、测量钢丝绳、重力钢丝绳、重锤、支架及保护罩组成，弧门开度检测装置安装尺寸具体见图2。其中重力卷线轮、转向测量轮与编码器同步旋转，通过编码器检测转向轮到钢丝绳与油缸固定点的距离L，经过三角函数计算。
2.4试验编码器通讯协议
试验所用编码器采用上海楚嘉自动化科技有限公司OEM的485输出型编码器WCM610-1312-L4B。该编码器可以工作于主动和被动两种工作方式，工作方式由485编码器WCM610通讯协议V4.0配置指令[2]来决定。当处于主动工作方式时，编码器主动以485通讯方式输出绝对位置，在此工作模式下，不接收外部任何指令。当处于被动工作方式时，编码器不会以485通讯方式输出任何数据，只有收到发送数据指令时才会以485通讯方式输出一次绝对数据，并且在此工作模式下，可以接收外部发给编码器的配置指令。通讯协议内容：数据通讯全部为ASCII码，数据内容之间以逗号“，”作为间隔，以回车符作为每一帧的数据的结束。目标编码器收到对应指令后，会将收到的指令数据发送回来。用来更改目标编码器的配置指令如下表1：在自由口通讯程序内根据编码器配置指令协议，设置一帧发送指令信息，其中VB3200字节代表“11”作为发送字节数；VB3201-VB3203字节代表“$CJ”作为每帧数据的开始；VB3205字节代表“ID”作为目标地址（“1”为初始设置值）；VB3204、VB3206、VB3208字节代表数据内容之间以逗号“，”作为间隔；VB3207字节代表“8”作为指令号；VB3209代表“1”作为申请被动发送；VB3210字节代表回车符作为发送指令；VB3211字节代表换行符作为一帧信息结束。S7-200CPU在每0.06s内执行一次XMT指令，从通讯端口0向作为目标编码器发送指令帧格式信息，见下表2，激发发送信息完成中断事件并调用发送中断程序。目标编码器收到发送指令信息后，在端口0空闲条件下，S7-200CPU会使用RCV指令通过端口0接收目标编码器发送的一帧信息字符，并将信息（第一个字节为字节数）传送到存储缓冲区，接收帧格式信息如下表3：
2.5建立自由口通讯程序流程图
通过对10-22号弧门PLC自由口通讯程序的监视与探究，进一步理解了自由口通讯程序内的地址指针设置、发送中断与接收中断处理等通讯程序机理，在此基础上开展PLC与试验所用编码器自由口通信流程图及其梯形图程序编制工作，然后通过实验室、现场试验环节对所编梯形图程序进行测试及完善，取得了PLC与编码器自由口通信流程图（图3所示）及其梯形图程序研究成果。
2.6试验阶段解决的问题
2.6.1实验室阶段（1）购买上海楚嘉自动化科技有限公司编码器WCM610-1312-L4B，与德国倍加福公司生产的编码器传动轴直径同为10mm，便于利用原弧门开度检测装置进行试验及安装。根据厂家提供的试验编码器配置软件及简单通讯协议指令介绍,可以对编码器进行通讯协议内容配置，编码器配置界面窗口见图4所示。①编码器信号线色标及功用定义:红色（0-30VDC）、黄色（GND）、粉色（RS485A）、蓝色（RS485B）、黑色（解锁）、棕色（外部清零）。②用RS485接口3号针脚接编码器信号蓝色线，8号针脚接编码器信号粉色线；24V直流电源模块给编码器信号红色线与黄色线提供电源。③在便携机上安装编码器配置软件，用USB转RS485数据线将单个编码器与便携机连接。④首先进行串口连接，再进行方向设置（顺时针）、工作模式（往复模式）、记圈模式（多圈、单圈长度0.4m、多圈长度10m）、位置设置(当前值4m)、通讯地址（左侧编码器设置为01、右侧编码器设置为02）、串口工作方式设置(被动发送设置)，最后点击“配置锁定”图标按钮。（2）程序试运行。①两编码器信号线分别按色标线对应连接，再通过RS485接口连接到S7-200的端口0（24V直流电源模块提供正常电源）。②操作STEP7-Micro/WIN32编程应用软件，打开所编PLC与编码器自由口通信程序，监视程序扫面情况，检查、分析存在的问题，完善梯形图和流程图。发现所用S7-200CPU226REL01.00对于字符串转双整数指令不能执行，后改用S7-200CPU226REL02.01；摸清了编码器发送数据帧格式信息。2.6.2弧门试验阶段（1）拆除1号弧门原左、右侧编码器SVM10-1055，并妥善归库保存，保留原编码器信号线、串并模块及与S7-200数字量输入点接线，确保随时可以恢复1号弧门自动控制功能。布设试验编码器通讯线FL0402，更换已配置好的编码器，并将弧门左右侧编码器与S7-200通讯口0连接好。（2）下载实验室通过的程序到1号弧门S7-200内，并进行状态监视。（3）对试验研究的1号弧门程序状态表SMW22、SMW24、SMW26进行监控，记录最后一次扫描时间、最小扫描时间和最后扫描时间SMW22、SMW24、SMW26分别为0.019-0.02s、0.018s、0.021s。（4）发现和解决的主要问题。①实验室内试验程序设定定时器每0.04s通过端口0从编码器接收一次数据，运行正常，将弧门控制主程序结合在一起试运行时，数据发送、接收停止,主要原因为定时器初值设定和触发位寄存器分时配置不太合理，通过现场试验调整为0.06s。②减少了程序处理数据环节，解决了编码器检测数据与弧门控制主程序调用数据接口问题。③10-22号弧门自由口通讯采用字符接收中断通讯处理方式，1号弧门自由口通讯试验采用RCV指令及中断事件处理方式，后者数据处理时间比前者减少几个毫秒，数据处理速度及效率得到提高。
2.7试验探索取得的成效
（1）试验探索到了国产编码器WCM610-1312-L4B与PLC自由口通讯程序，可以解决原进口编码器国产化换型问题。（2）可以去除1-9号弧门的串并模块，减少中间环节，节省PLC自身的I/O点数。（3）可以将22孔弧门编码器统一型号，PLC与编码器全部采用自由端口通讯模式。（4）通过试验、探索，专业人员对编码器与PLC自由口模式通信机理有较深认识，提高了专业水平。
3结论
通过三个多月试验，探索、目前1号弧门控制系统运行稳定，监控正常，已解决了国产编码器与PLC通讯问题。不足之处是需进一步检验编码器运行稳定性，因为试验运行期间曾出现一次由于编码器内芯片故障导致通讯不畅问题，后返厂修复。目前换上去的产品再经过一个汛期考验如没有问题，电厂可采购此型号产品将原编码器更换。
作者：文德合 单位：五凌电力近尾洲水电厂
《弧门开度编码器探讨》
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