西门子PLC在安全联锁保护系统中的应用

一、概述
可编程控制器（PLC）是一种新型的通用控制装置，他将传统的继电器控制技术、计算机控制技术和通信技术融为一体，专为工业控制而设计，具有功能强、通用灵活、可靠性强、环境适应性好、编程简单、使用方便、体积小、重量轻、功耗低等一系列优点。近年来，随着可编程控制器的日渐成熟，越来越多控制系统都采用PLC来代替传统的继电器控制。特别是在安全联锁保护系统中，PLC以其可靠性强、动作速度快、安全性能好的特点得到了各行各业广泛的应用。
二、机车保护系统概述
对于一些机车控制、传动控制及重要岗位的操作人员身体状态在线检测是非常重要的。例如高速运行的火车驾驶司机由于突发疾病晕倒而无法操作，那么整列火车乘客的生命安全是非常危险的。所以在一些国际先进的动车组机车控制室内的操作岗位上，安装了操作人员检测的设备。在操作人员的脚下有了一个象“油门”式的踏板，操作人员每隔三十秒必须踩一下这个踏板，证明操作人员身体状态良好或在操作岗位上。否则，超过三十秒没有检测到踏板返回信号，蜂鸣器就会发出报警，提醒操作人员踩踏板。如果操作人员由于身体突发疾病或擅自离岗，报警超过两分钟，机车就会自动刹车，保证整列火车乘客的人身安全;还有一种情况，如果操作人员由于身体突发疾病晕倒，正好压在踏板上面，或者有东西压在踏板上，这样踏板就一直有返回信号。在程序设计时考虑到这点，当踏板连续三十秒有返回信号时，蜂鸣器同样会发出报警，并且报警超过两分钟自动刹车。本文以这个连锁保护为例，介绍PLC在安全连锁保护中的应用。
三、S7-300PLC简介
S7-300是模块化小型PLC系统，能满足中等性能要求的应用。各种单独的模块之间可进行广泛组合而构成不同要求的系统。S7-300PLC采用模块化结构，具备高速的指令运算速度;能用浮点数运算实现较为复杂的算术运算;带标准用户接口的软件工具可以方便地给所有模块进行参数赋值;S7-300操作系统内已经集成了方便的人机界面，人机对话的编程要求大大减少。SIMATIC人机界面（HMI）从S7-300中取得数据，S7-300按用户指定的刷新速度传送这些数据。S7-300操作系统自动地处理数据的传送;CPU的智能化的诊断系统连续监控系统的功能是否正常、记录错误和特殊系统事件（例如：超时，模块更换，等等）;多级口令保护可以高度、有效地保护其技术机密，防止未经允许的复制和修改;S7-300PLC设有操作方式选择开关，操作方式选择开关像钥匙一样可以拔出，当钥匙拔出时，就不能改变操作方式，这样就可防止非法删除或改写用户程序。S7-300PLC具备强大的通信功能，可通过编程软件Step7的界面提供通信组态功能，这使得组态非常容易、简单。S7-300PLC具有多种不同的通信接口，并通过多种通信处理器来连接AS-I总线接口和工业以太网总线系统;串行通信处理器用来连接点到点的通信系统;多点接口（MPI）集成在CPU中，用于同时连接编程器、PC机、人机界面系统及其他SIMATICS7/M7/C7等自动化控制系统。SIMATICS7—300的大量功能能够支持和帮助用户进行编程、启动和维护，其主要功能有高速的指令处理、浮点数运算、人机界面（HMl）、诊断功能、程序保护。完全能实现列车自动防护系统ATP（AutomaticTrainProtection）的功能。在线实现火车的运行速度、轴温、电流等重要参数测控及紧急状态下安全联锁保护。如果加上人机界面（HMl）和存储设备，可以实现显示和记录功能，能有效防止列车超速，还能以图形曲线、数字报表等形式再现列车运行过程。.
四、编程实现
PLC控制系统的设计主要包括硬件和软件两部分，而程序的设计是控制系统中工作量最大、最重要的一项工作。一个好的程序不仅可以减少I/O点数，节省硬件成本，而且还可以减少PLC程序步骤和占用的空间，收到事半功倍的效率。在本程序中，由于踏板有无信号定时器都要启动，也就是说无论是踩踏板的时间还是不踩踏板的时间都不能超过30秒，如果超过30秒报警就要启动，所以在写程序时把上升沿和下降沿边沿检测指令并联。这样无论踏板得信号的开始还是失信号的开始都能激发30秒的定时器启动。当扩展脉冲定时器定时到30秒后，报警线圈得电，蜂鸣器报警，提醒操作人员踩踏板。
当报警启动后，接通延时定时器启动，定时两分钟。如果在两分钟之内，操作人员踩了踏板，报警解除。T1重新定时，T2停止定时。如果在两分钟之内操作人员没有踩踏板，T2接通延时定时器定时到两分钟后，杀车启动。机车紧急停车，连锁保护乘客安全。
五、PLC的程序执行过程
当PLC运行时，是通过执行反映控制要求的用户程序来完成控制任务的，需要执行众多的操作，但CPU不可能同时去执行多个操作，它只能按分时操作（串行工作）方式，每一次执行一个操作，按顺序逐个执行。由于CPU的运算处理速度很快，所以从宏观上来看，PLC外部出现的结果似乎是同时（并行）完成的。这种串行工作过程称为PLC的扫描工作方式。用扫描工作方式执行用户程序时，扫描是从第一条程序开始，在无中断或跳转控制的情况下，按程序存储顺序的先后，逐条执行用户程序，直到程序结束。然后再从头开始扫描执行，周而复始重复运行。
PLC的扫描工作方式与电器控制的工作原理明显不同。电器控制装置采用硬逻辑的并行工作方式，如果某个继电器的线圈通电或断电，那么该继电器的所有常开和常闭触点不论处在控制线路的哪个位置上，都会立即同时动作;而PLC采用扫描工作方式（串行工作方式），如果某个软继电器的线圈被接通或断开，其所有的触点不会立即动作，必须等扫描到该时才会动作。但由于PLC的扫描速度快，通常PLC与电器控制装置在I/O的处理结果上并没有什么差别。
六、小结
以PLC为控制核心的连锁保护系统已经应用到各行各业，从欧洲各大公司生产的联锁系统可以看出，计算机联锁的进一步发展方向是：编制程序采用SIMATIC编程技术，使设备复杂程度低、规格小、灵活性大，价钱便宜，且能确保安全。